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摘 要： 摘要:在油氣集輸工序培訓系統設計的研究中，油氣水三相分離設備是油氣集輸生產工序的重要組成部分。在分離過程中涉及到復雜的流場變化，傳統方法利用物料平衡或能量守恒建立的靜態模型不能滿足高精度動態仿真的要求。針對上述問題，采用 Stokes 方程和 Raoult 定律分別
摘要:在油氣集輸工序培訓系統設計的研究中，油氣水三相分離設備是油氣集輸生產工序的重要組成部分。在分離過程中涉及到復雜的流場變化，傳統方法利用物料平衡或能量守恒建立的靜態模型不能滿足高精度動態仿真的要求。針對上述問題，采用 Stokes 方程和 Raoult 定律分別對油滴分離程度和烴類氣體析出程度進行計算，從而分別建立油氣水三相數學模型，構成三相分離設備的動態仿真模型。以大慶油田某聯合站為例對模型進行驗證，結果表明仿真模型能夠動態模擬分離過程中的工況變化。最后應用仿真模型支撐 3D Max 和 Virtools 軟件開發的虛擬現實交互環境運行，實現了員工在虛擬現實場景中安全高效培訓。結果表明實際使用取得了較好的應用效果。
關鍵詞:數學模型; 油氣水三相分離; 仿真培訓
1 引言
目前我國油田生產中，油氣集輸工人的培訓往往依靠師帶徒模式和課堂教學模式等傳統方式，在實際生產中往往存在培訓周期長、成本高、員工操作技能水平參差不齊、安全隱患較大等問題。而采用虛擬現實場景的仿真培訓能夠使員工在虛擬場景中反復操作練習，同時虛擬現實場景能夠實時將操作結果進行反饋，使得員工的錯誤操作能夠及時糾正，在較短周期內掌握操作技能，杜絕誤操作帶來的損失和安全隱患。而油氣水三相分離作為油氣集輸生產過程中的核心設備，其數學模型開發則是虛擬現實場景中仿真模型運行的先決條件。
在以往的培訓應用當中，三相分離設備的仿真大多基于物料平衡的建模方式，其僅考慮輸入輸出流量并假設油氣水三相完全分離，對于分離過程中的變化無法計算，只能進行簡單的定性判斷無法定量判斷，因此培訓效果受到很大影響[1]。而基于能量守恒的建模方式能夠計算特定條件下的出口流體組分，但其并不考慮分離過程中員工操作對分離過程的影響，而且其針對的水滴沉降分離方式與目前主流應用的下箱孔式三相分離設備并不相同[2]。本文提出了基于Stokes 方程和 Raoult 定律的三相分離設備中各相流的數學模型，以輸入流變化和員工操作作為計算參數，對三相分離設備生產過程進行仿真，提高了仿真結果的準確性，并且有效地增強了虛擬現實場景的擬真度。
2 油氣水三相分離器分離原理
油氣水三相分離器主要用于分離采出油中的水和烴類氣體，圖 1 為三相分離器的簡易剖面圖。
油井采出的油氣水混合液經入口進入三相分離器后，首先沖擊入口分離器，在重力作用下完成初步的氣液分離。部分未分離的小霧滴隨氣體進入氣液界面上方的重力沉降空間即氣相，其中直徑較大的霧滴經重力沉降到氣液界面，另一部分直徑較小的霧滴隨氣體進入氣體出口之前的除霧器，通過除霧器被分離出來。在大部分的三相分離器中，混合液在經過入口分流器后進入降液管或擋板，強制油水混合液直接進入容器底部的水相，經過這一水洗過程最大限度地分離了油中水滴，水相中的油滴經過重力沉降作用上升到油水界面完成油水分離[3]。
由于重力分離的低效率以及平衡狀態的復雜性，如何確定分離過程中三相分離器的工況變化和各出口的成分構成成為三相分離器仿真的難點。針對水相中油滴的分離過程，基于 Stokes 方程計算油滴的上浮速度，從而確定油滴分離程度和水出口的含油量; 對于油相中的烴類和氣體析出，采用Raoult 定律計算油相中氣體含量，從而確定析出氣體量和氣體壓力變化。
3 分離器模型的建立
如圖 2 所示為簡化后的分離過程，Fin為輸入油氣水混合液的摩爾流量，以及油、氣、水的摩爾分數 Zo，Zg，Zw。水中的油滴分成兩部分: 一部分烴類和油滴 Fh1 被分離出來進入油相，另一部分 Fh2由于分離不完全仍在水相中，水出口液體 Fwout是水流 Fw 和未分離的油滴 Fh2的混合液。油水混合液夾帶的烴類氣體進入油相并分為兩部分: 一部分烴類 Fg1 由于分離器中的壓力下降析出油相，另一部分烴類 Fg2 則保持溶于油相中的狀態，油出口液體 Foout包含了分離出的油 Fo 和溶解的烴類 Fg2。
由于油水混合液進入三相分離器時的水洗過程最大限度地降低了油中含水量，因此本文僅考慮藉由流體力學分離時夾帶在水相中的油滴。為了簡化建模過程，模型基于以下簡化假設: 三相分離器的工作溫度恒定為 38℃，在水相中液體的流動模式為活塞流動，油滴在水相中呈直徑為 500 微米液滴的均勻分布。同時，假設氣相中的甲烷為理想氣體，且只有甲烷一種烴類氣體從油相析出進入氣相。
3. 1 水相
為了保證油水分離的流體動力學模型適用于水相中不同位置油滴，本文基于距離油水界面距離最大且沿最長路徑上升至油水界面的油滴進行建模，即分離器底部的油滴沿對角線上升，其上升路徑垂直方向上符合斯托克斯定律，水平速度分量 Vh 符合活塞流體水相的運動規律。
4 分離器模型驗證
為了獲得油氣水三相分離器的動態模型，以大慶油田某聯合站為例設計一個模擬油氣集輸工序的仿真模型，對模型進行驗證。該聯合站原油處理過程主要包括氣液兩項分離和油氣水三項分離兩部分，其中氣液兩相分離器長 4. 6 米，直徑 1. 53 米。兩相分離器的模型是在三相分離器模型基礎上開發的，即只模擬了氣液兩項分離。從兩相分離器分離出的液體進入三相分離器中，油氣水三相分離器長 2. 63 米，直徑 1. 46 米。初始狀態兩相分離器中液體體積為 4. 13m3 ，工作時壓強為 4. 3MPa，同時三相分離器中水相體積為 2. 19m3 ，油相體積為 1. 31m3 ，工作壓強為 1. 36MPa，設備工作溫度均為 38℃。該套裝置處理油井來液的流速為 25. 23mol / s，傳入的流體中含 22. 61% 摩爾分數的氣體，7. 79% 的油和 69. 6% 水。為了模擬收油點來油時分離器的動態變化，在仿真時間 t1 = 150 秒到 t2 = 250 秒，來液含油量線性增加了 2 mol / s。圖 5 描述了輸入流體及其摩爾組成，油的摩爾分數增加而水和氣體摩爾分數降低。
輸入流的含油量陡增引起兩相分離器內液體體積和氣體的壓強分別達到 4. 73 和 4. 3MPa 的峰值，如圖 6 所示( 曲線表示仿真值，點表示實測值，下同) 。兩相分離器的控制器通過增大液體和氣體出口流量從而適應這個變化，兩相分離器控制器大約 300 秒就完全適應了這個變化。同時從動態變化過程可以得出，在兩相分離器中氣壓變化的速度比液體體積變化速度更快。
雖然輸入流的變化被兩相分離器緩沖，但由此產生的兩相分離器出口液體在數量和質量上的變化將影響傳至三相分離器等下游工序，如圖 7 所示。一個明顯的變化就是排水的摩爾流量略有增加，如圖 8 所示，這意味著有一部分油沒有分離出來，而和水一起排出三相分離器進入下游工序。該動態模型不僅模擬了生產過程中分離器的動態變化，還可以得到水出口的含油量等出口流體參數，用于下一步對員工操作的評價。
由表中結果可得分離過程中分離設備工況數據仿真誤差小于 17% ，各出口流量誤差小于 10% ，水出口含油量誤差小于 13% ，誤差接近或小于儀表測量精度，同時仿真結果變化與實際值變化趨勢相吻合，因此仿真結果具有準確性。
5 應用
員工虛擬仿真培訓系統由 3D Max 三維建模軟件建立聯合站的虛擬現實場景( 圖 9) ，通過 Virtools 軟件完成模型交互設計，利用 Virtools 中的 Send Message Building Block、Check For Message Building Block 和 Get Message Data Building Block 圖 9 三相分離器三維模型圖完成員工操作參數的傳遞和計算結果的返回，采用 Matlab 進行仿真計算，實現員工在虛擬聯合站中進行仿真操作( 圖 10) 。在培訓開始前，在教師機初始值設定頁設置兩相分離器和三相分離器的初始工作狀態( 液體體積、壓力、溫度) 以及輸入流參數( 時間、流速、溫度、密度、摩爾分數) ，開始培訓后學員機開始仿真計算員工操作對油氣水出口產生的變化，并根據出口含水率、含油率、操作時間等參數對員工操作進行評價。
6 結論
本文基于油氣水三相分離器的工作原理，針對三相分離器中油、氣、水三相分別進行了建模，同時基于簡化假設和流體力學原理對油水分離的動態過程進行了模擬，最終建立了油氣水三相分離器的數學模型。該模型可以根據不同尺寸的三相分離器，對輸入流體變化和員工操作后三相分離器的工作情況進行仿真，可得三相分離器出口流量和組成。通過仿真結果與實際值的對比，驗證了數學模型的正確性。在實際應用中，由數學模型支撐的油氣水分離設備仿真模型建立的聯合站虛擬現實場景，使得集輸工培訓交互環境的擬真度得到很大提高，對提高集輸工人培訓效果具有較大的促進作用，現場使用結果表明該項成果具有較高的實用價值，同時該仿真模型還可以應用于設備選型、生產參數優化等其它應用，具有進一步開發的價值。——論文作者：張方舟1 ，周 勃1 ，沈 石2
參考文獻:
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