摘要:在油气集输工序培训系统设计的研究中，油气水三相分离设备是油气集输生产工序的重要组成部分。在分离过程中涉及到复杂的流场变化，传统方法利用物料平衡或能量守恒建立的静态模型不能满足高精度动态仿真的要求。针对上述问题，采用 Stokes 方程和 Raoult 定律分别对油滴分离程度和烃类气体析出程度进行计算，从而分别建立油气水三相数学模型，构成三相分离设备的动态仿真模型。以大庆油田某联合站为例对模型进行验证，结果表明仿真模型能够动态模拟分离过程中的工况变化。最后应用仿真模型支撑 3D Max 和 Virtools 软件开发的虚拟现实交互环境运行，实现了员工在虚拟现实场景中安全高效培训。结果表明实际使用取得了较好的应用效果。
关键词:数学模型; 油气水三相分离; 仿真培训
1 引言
目前我国油田生产中，油气集输工人的培训往往依靠师带徒模式和课堂教学模式等传统方式，在实际生产中往往存在培训周期长、成本高、员工操作技能水平参差不齐、安全隐患较大等问题。而采用虚拟现实场景的仿真培训能够使员工在虚拟场景中反复操作练习，同时虚拟现实场景能够实时将操作结果进行反馈，使得员工的错误操作能够及时纠正，在较短周期内掌握操作技能，杜绝误操作带来的损失和安全隐患。而油气水三相分离作为油气集输生产过程中的核心设备，其数学模型开发则是虚拟现实场景中仿真模型运行的先决条件。
在以往的培训应用当中，三相分离设备的仿真大多基于物料平衡的建模方式，其仅考虑输入输出流量并假设油气水三相完全分离，对于分离过程中的变化无法计算，只能进行简单的定性判断无法定量判断，因此培训效果受到很大影响[1]。而基于能量守恒的建模方式能够计算特定条件下的出口流体组分，但其并不考虑分离过程中员工操作对分离过程的影响，而且其针对的水滴沉降分离方式与目前主流应用的下箱孔式三相分离设备并不相同[2]。本文提出了基于Stokes 方程和 Raoult 定律的三相分离设备中各相流的数学模型，以输入流变化和员工操作作为计算参数，对三相分离设备生产过程进行仿真，提高了仿真结果的准确性，并且有效地增强了虚拟现实场景的拟真度。
2 油气水三相分离器分离原理
油气水三相分离器主要用于分离采出油中的水和烃类气体，图 1 为三相分离器的简易剖面图。
油井采出的油气水混合液经入口进入三相分离器后，首先冲击入口分离器，在重力作用下完成初步的气液分离。部分未分离的小雾滴随气体进入气液界面上方的重力沉降空间即气相，其中直径较大的雾滴经重力沉降到气液界面，另一部分直径较小的雾滴随气体进入气体出口之前的除雾器，通过除雾器被分离出来。在大部分的三相分离器中，混合液在经过入口分流器后进入降液管或挡板，强制油水混合液直接进入容器底部的水相，经过这一水洗过程最大限度地分离了油中水滴，水相中的油滴经过重力沉降作用上升到油水界面完成油水分离[3]。
由于重力分离的低效率以及平衡状态的复杂性，如何确定分离过程中三相分离器的工况变化和各出口的成分构成成为三相分离器仿真的难点。针对水相中油滴的分离过程，基于 Stokes 方程计算油滴的上浮速度，从而确定油滴分离程度和水出口的含油量; 对于油相中的烃类和气体析出，采用Raoult 定律计算油相中气体含量，从而确定析出气体量和气体压力变化。
3 分离器模型的建立
如图 2 所示为简化后的分离过程，Fin为输入油气水混合液的摩尔流量，以及油、气、水的摩尔分数 Zo，Zg，Zw。水中的油滴分成两部分: 一部分烃类和油滴 Fh1 被分离出来进入油相，另一部分 Fh2由于分离不完全仍在水相中，水出口液体 Fwout是水流 Fw 和未分离的油滴 Fh2的混合液。油水混合液夹带的烃类气体进入油相并分为两部分: 一部分烃类 Fg1 由于分离器中的压力下降析出油相，另一部分烃类 Fg2 则保持溶于油相中的状态，油出口液体 Foout包含了分离出的油 Fo 和溶解的烃类 Fg2。
由于油水混合液进入三相分离器时的水洗过程最大限度地降低了油中含水量，因此本文仅考虑藉由流体力学分离时夹带在水相中的油滴。为了简化建模过程，模型基于以下简化假设: 三相分离器的工作温度恒定为 38℃，在水相中液体的流动模式为活塞流动，油滴在水相中呈直径为 500 微米液滴的均匀分布。同时，假设气相中的甲烷为理想气体，且只有甲烷一种烃类气体从油相析出进入气相。
3. 1 水相
为了保证油水分离的流体动力学模型适用于水相中不同位置油滴，本文基于距离油水界面距离最大且沿最长路径上升至油水界面的油滴进行建模，即分离器底部的油滴沿对角线上升，其上升路径垂直方向上符合斯托克斯定律，水平速度分量 Vh 符合活塞流体水相的运动规律。
4 分离器模型验证
为了获得油气水三相分离器的动态模型，以大庆油田某联合站为例设计一个模拟油气集输工序的仿真模型，对模型进行验证。该联合站原油处理过程主要包括气液两项分离和油气水三项分离两部分，其中气液两相分离器长 4. 6 米，直径 1. 53 米。两相分离器的模型是在三相分离器模型基础上开发的，即只模拟了气液两项分离。从两相分离器分离出的液体进入三相分离器中，油气水三相分离器长 2. 63 米，直径 1. 46 米。初始状态两相分离器中液体体积为 4. 13m3 ，工作时压强为 4. 3MPa，同时三相分离器中水相体积为 2. 19m3 ，油相体积为 1. 31m3 ，工作压强为 1. 36MPa，设备工作温度均为 38℃。该套装置处理油井来液的流速为 25. 23mol / s，传入的流体中含 22. 61% 摩尔分数的气体，7. 79% 的油和 69. 6% 水。为了模拟收油点来油时分离器的动态变化，在仿真时间 t1 = 150 秒到 t2 = 250 秒，来液含油量线性增加了 2 mol / s。图 5 描述了输入流体及其摩尔组成，油的摩尔分数增加而水和气体摩尔分数降低。
输入流的含油量陡增引起两相分离器内液体体积和气体的压强分别达到 4. 73 和 4. 3MPa 的峰值，如图 6 所示( 曲线表示仿真值，点表示实测值，下同) 。两相分离器的控制器通过增大液体和气体出口流量从而适应这个变化，两相分离器控制器大约 300 秒就完全适应了这个变化。同时从动态变化过程可以得出，在两相分离器中气压变化的速度比液体体积变化速度更快。
虽然输入流的变化被两相分离器缓冲，但由此产生的两相分离器出口液体在数量和质量上的变化将影响传至三相分离器等下游工序，如图 7 所示。一个明显的变化就是排水的摩尔流量略有增加，如图 8 所示，这意味着有一部分油没有分离出来，而和水一起排出三相分离器进入下游工序。该动态模型不仅模拟了生产过程中分离器的动态变化，还可以得到水出口的含油量等出口流体参数，用于下一步对员工操作的评价。
由表中结果可得分离过程中分离设备工况数据仿真误差小于 17% ，各出口流量误差小于 10% ，水出口含油量误差小于 13% ，误差接近或小于仪表测量精度，同时仿真结果变化与实际值变化趋势相吻合，因此仿真结果具有准确性。
5 应用
员工虚拟仿真培训系统由 3D Max 三维建模软件建立联合站的虚拟现实场景( 图 9) ，通过 Virtools 软件完成模型交互设计，利用 Virtools 中的 Send Message Building Block、Check For Message Building Block 和 Get Message Data Building Block 图 9 三相分离器三维模型图完成员工操作参数的传递和计算结果的返回，采用 Matlab 进行仿真计算，实现员工在虚拟联合站中进行仿真操作( 图 10) 。在培训开始前，在教师机初始值设定页设置两相分离器和三相分离器的初始工作状态( 液体体积、压力、温度) 以及输入流参数( 时间、流速、温度、密度、摩尔分数) ，开始培训后学员机开始仿真计算员工操作对油气水出口产生的变化，并根据出口含水率、含油率、操作时间等参数对员工操作进行评价。
6 结论
本文基于油气水三相分离器的工作原理，针对三相分离器中油、气、水三相分别进行了建模，同时基于简化假设和流体力学原理对油水分离的动态过程进行了模拟，最终建立了油气水三相分离器的数学模型。该模型可以根据不同尺寸的三相分离器，对输入流体变化和员工操作后三相分离器的工作情况进行仿真，可得三相分离器出口流量和组成。通过仿真结果与实际值的对比，验证了数学模型的正确性。在实际应用中，由数学模型支撑的油气水分离设备仿真模型建立的联合站虚拟现实场景，使得集输工培训交互环境的拟真度得到很大提高，对提高集输工人培训效果具有较大的促进作用，现场使用结果表明该项成果具有较高的实用价值，同时该仿真模型还可以应用于设备选型、生产参数优化等其它应用，具有进一步开发的价值。——论文作者：张方舟1 ，周 勃1 ，沈 石2
参考文献:
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