工程仿真技术在石油化工油气设备应用-俞斌根

石油石化行业工程仿真研讨会————油气设备报告俞斌跟俞斌跟流体业务部安世亚太科技（北京）有限公司©2010PERAGlobal概述„石化油气设备的流体仿真需求„涉及的物理问题及仿真分析模型„应用案例介绍©2010PERAGlobal概述„石化油气设备的流体仿真需求„涉及的物理问题及仿真分析模型„应用案例介绍©2010PERAGlobal石油化工油气设备仿真需求„输油/气管道泄漏着火与控制问题„海洋钻井平台（钻探、抽油泵、分离、管系）„原油储运（分离设备、多相混输磨损、泵……)„天然气储运(分离器,过滤器、压缩机、阀门、伴热设计……)„海上输油管水下的动力特征„原油加热设备„塔器设备„火灾危险区域安全分析……©2010PERAGlobal概述„石化油气设备的流体仿真需求„涉及的物理问题及仿真分析模型„应用案例介绍©2010PERAGlobal涉及的物理问题„多相流动输运„多相流动磨蚀„多相流动磨蚀„多相流动分离„相变„共轭传热„其他–管道设备流致振动管道设备流致振动–管道泄漏、检测–应急事故模拟与风险评估–应急事故模拟与风险评估©2010PERAGlobalANSYSCFD多相流模型„拉格朗日多相流¾DPMDDPMextendedtothepackinglimitlidfparticles¾DPM„欧拉多相流¾VOFsolidsvof¾Mixture¾Eulerian多相流•IAC模型•欧拉粒子流•ImmiscibleFluidModel（捕捉两相接触面，explicitVOF）•DenseDiscretePhaseModel（DDPM模型）：拉格朗日与欧拉方法的组合„附加模型¾人口平衡模型©2010PERAGlobal„DEM+Fluent(BETA)ANSYSCFD拉氏多相流„颗粒运动方程¾对连续相采用欧拉方法求解其NS方程，对离散相采用拉格朗日方法跟踪其轨迹，离散相和连续相之间可以进行质量、动量、能量交换。¾颗粒运动方程•Fluentdraglaw：9SphericalDragLaw•其他作用力：旋转参考系SphericalDragLaw9Non-sphericalDragLaw9Stokes-CunninghamDragLaw9High-Mach-NumberDragLaw9DiDMdlTh(粒子动态的变形）9旋转参考系centripetalandCoriolisforces9浮力：buoyancyforces(由于与连续相之间的密度差异）9DynamicDragModelTheory(粒子动态的变形）9Densegas-solidflow•CFXdraglaw99Virtualmassforce(颗粒加速或减速引发的流体惯性阻力）9ThermophoreticForce（热泳，Smallparticles）9Ishii-Zuber9SchillerNaumann9GraceDrag9WenYU（固相）ThermophoreticForce（热泳，Smallparticles）9BrownianForce（布朗运动力，亚微米粒子）9Saffman‘sLiftForce（亚微米粒子）©2010PERAGlobal9Gidaspow(固相)ANSYSCFD拉氏多相流„湍流耗散对颗粒运动轨迹的影响¾速度脉动影响混合效果，同样会对颗粒的运动轨迹产生影响。¾随机跟踪模型StochasticTracking•直接采用脉动速度计算颗粒轨迹¾颗粒云跟踪模型ParticleCloud•定义一颗粒云，采用平均速度求解颗粒云内颗粒的平均轨迹，各个颗粒的轨迹分布参考该平均轨迹满足高斯概率密度函数分布轨迹满足高斯概率密度函数分布„离散相的破碎模型¾TlAlBk（TAB）Mdl适用于低韦伯数喷射流动¾TaylorAnalogyBreakup（TAB）Model：适用于低韦伯数喷射流动¾WaveBreakupModel：适用于高韦伯数喷射流动液滴碰撞聚并模型„液滴碰撞、聚并模型©2010PERAGlobalANSYSCFD拉氏多相流颗粒与壁面相互作用模型„颗粒与壁面相互作用模型„颗粒磨蚀模型（标准、其他模型的UDF)„表面磨损率„磨损加速率©2010PERAGlobal„磨损加速率ANSYSCFD拉氏多相流„DPM喷嘴模型¾ANSYSFluent除了提供几种简单的injection类型外，还有一些内置的喷嘴子模型来帮助用户定义流体经过喷嘴后的尺寸和速度分布。¾Plain-OrificeAtomizeModel¾Pressure-SwirlAtomizerModel¾Air-BlastAtomizerModel¾Flat-FanAtomizerModel¾EffervescentAtomizerModelFluentDPM喷嘴模型FluentDPM喷嘴模型©2010PERAGlobal喷雾结构pressure-Swirl喷嘴ANSYSCFD拉氏多相流„相间传热与传质¾Fluent相间传热与传质¾CFX相间传质与传热•低于蒸发温度，仅仅传热，Law1,6•高于蒸发温度，低于沸点,law2高或等沸点•SimpleMassTransfer(固体中气体析出）•LiquidEvaporationModel（蒸发和沸腾）•高于或等于沸点law3•燃烧粒子热解挥发分析出law4•表面燃烧law5•OilEvaporation/Combustion•CoalCombustion表面燃烧law5•多组分粒子law7¾通过定义颗粒类型来激活不同的传热传质定律©2010PERAGlobalANSYSCFD拉氏多相流Flt130DPM新功能„Fluent13.0DPM新功能¾Injection的质量流率与速度流率可以采用profile方式定义¾新增二次破碎KHRT模型¾DiscreteElementMethod(DEM)β高体积分数的粒子流考虑颗粒颗粒相间作用力•高体积分数的粒子流，考虑颗粒-颗粒相间作用力¾Extendedcollisionstencilβ•考虑相邻N个网格中的颗粒来计算碰撞频率考虑相邻N个网格中的颗粒来计算碰撞频率¾StochasticSecondaryDroplet(SSD)β•采用Fokker-Plank方程计算液滴破碎后的尺寸分布Comparisonofseveralbreak-upmodels(incl.KHRT)withexp.data©2010PERAGlobalANSYSCFD欧拉模型©2010PERAGlobalANSYSCFD模拟特色-多物理场耦合„刚体流固耦合分析6DOF–6DOF„弹性体流固耦合分析单向–单向–双向„流体共轭传热与结构热应力分析©2010PERAGlobal概述„石化油气设备的流体仿真需求„涉及的物理问题及仿真分析模型„应用案例介绍©2010PERAGlobal石油化工油气设备案例介绍„钻头水力优化研究„立管振动激励„立管振动激励„事故安全阀失效评估„管道磨损„管道泄漏与检测„原油、天然气分离设备„塔器（板式塔、填料塔）塔器（板式塔、填料塔）„危险区域安全评估„其他„其他–管道流量测量设备©2010PERAGlobal钻井设备—钻头轮钻头潜孔钻（压缩空气）合钻头三牙轮PDC钻头潜孔钻（压缩空气）混合钻头刀翼表面低速区基本消失刀翼表面涡流区基本消失井底中心低速区改善©2010PERAGlobal江钻股份海上钻井平台立管流固耦合分析横向振动问题研究!横向振动问题研究!瞬态工况:不同来流速度下,立管变形与涡流形式解决这类问题的技术:螺旋列板(helicalstrakes)和护罩(fairings)©2010PERAGlobalSPAR海洋平台应用案例©2010PERAGlobal故障安全阀失效评估究该类型阀门超出了美国石油研究所API标准与规范©2010PERAGlobal石化多相流管道系统冲蚀预测改进前后的对比©2010PERAGlobal浙江理工大学管道泄漏-天然气、地下原油管道©2010PERAGlobal海洋平台油/水/气分离器--经典成功案例„ComputersimulationhashelpedNatcotodesignanoil-gasseparatorthatissmallerthanpreviousmodelsbyupto50percent.Thesmallersizepermitsareductionintheoffshoreprocessingplatform,potentiallysavingmillionsinconstructionandoperatingcosts.波浪运动模拟器RockingTableModel©2010PERAGlobal泥沙/水/油三相分离器结构参数化性能分析溢流深入长度变化倒锥高度变化出液孔高度变化©2010PERAGlobal溢流口深入长度变化倒锥高度变化出液孔高度变化三相分离器（原油分离设备）名称CtCliSt(CCS)名称：CompactCyclonicSeparator(CCS)„结构特征：–maincylindricalbodyheight/diameteraspectratiosrangingfrom2.5to3.8–Inletloactedatuppart(thinrectangular)rectangular)–Gasoutletattop–Liquidaxialexitabovethebottom„混合物特征：固体小颗粒份额占少数„仿真分析过程：参数化分析黏度、入口速度、各种粒径、出口压力的试验仿真速度、各种粒径、出口压力的试验仿真对比。仅仅一个工况出现切向速度偏差超过14%仿真分析数据（2004年发表）„仿真分析数据（2004年发表）–67,000elements–Mixturemodelforgasliquid©2010PERAGlobalgq–DPMforsolid–Turbulencemodel：RNG海上油田油水分离器„IGF技术气体附选原理–通过底部通大量100to500microns的气泡microns的气泡–气泡会将黏附于油滴或油包颗粒的粒子带到表面，加速分离„具体设计技术„具体设计技术–空气携带剂：循环清洁水泵+文丘里管–喷射器（edctor)形式优化©2010PERAGlobal形式优化Figure3.Improvedgasbubbledistributionprovidedbythe(patentpending)radialeductordesignedespeciallyforcolumnflotationservice.天然气油水分离装置„原料油与水蒸气（或重质烃酸蒸汽）混合气体„原料：油与水蒸气（或重质烃、酸蒸汽）混合气体„装置原理：利用超音速流动降压与降温达到水蒸气的凝结，在配以旋流装置得以分离„模拟工具：为TwisterBV()公司定制CFX5.6for–non-equilibriumphasetransitioninmulti-componentrealgasmixtures–Ahomogeneousnucleationmodeltodeterminethedropletnumberdensity–Agrowthmodel,toallowforthechangeinsizeoftheparticles,throughcondensationandevaporation.–Dropletcoalescencemodelsdependingondropletsize,numberdensityandturbulenceintensities–Slipmodelstopredicttheseparationofthedropletsfromthecontinuousphase.–Accountsforturbulentdispersion–Aforementionedmodelsarecoupledviamassmomentumandenergyequations–Afore