ANSYS CFD在油氣行業的應用

2018-04-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

全球能源供應鏈上的設計、工程和制造群體遍布世界各地,廣泛涵蓋從事勘探、鉆井、生產、儲存、運輸、精煉和最終石化產品業務的所有團隊。每個領域都面臨林林總總的挑戰,需要利用不同物理場、規模和組件進行解決。ANSYS 可提供同類領先的軟件,并擁有由技術專家組成的網絡,能夠為世界各地的油氣企業客戶提供服務。這些行業專家緊鄰他們的能源企業客戶提供近距離貼心服務,在如下眾多區域辦事處努力工作、辛勤耕耘,如休斯敦、阿伯丁、奧斯陸、斯塔萬格、吉隆坡、北京、卡爾加里以及全球其它地區等。憑借渠道合作伙伴和ANSYS 行業專家組成的網絡,加上對能源行業的長期承諾,ANSYS 努力促進與能源行業客戶的緊密合作關系,提供配備本地服務和支持的極富針對性的解決方案。本圖集將以業界最佳解決方案為例重點介紹一些近期案例。

ANSYS CFD 解決方案在油氣行業中被廣泛用于地下、管道、運輸、處理和精煉等應用。基本上所有這些油氣應用均涉及多相流。例如可使用ANSYS Fluent 執行閃蒸仿真。右圖所示為各個下游橫截面的汽相質量分數的等值圖。汽化碳氫化合物的質量分數隨著下游到混合點的距離增大而相應增大。紅色代表最大,藍色代表最小。

鉆井巖屑、出砂和支撐劑運輸會因侵蝕效應造成設備、管道和井下工具的壽命縮短。ANSYS 解決方案能預測因微粒流動造成的侵蝕、以及因表面沖擊和滾轉造成的侵蝕。ANSYS 工具套件能在考慮粒子大小和載荷的情況下,對單個流體或多個流體進行流動建模。其可提供多種行業認可的模型,用于確定侵蝕率。由于可以計算材料磨損情況,因此幾何結構可隨材料侵蝕情況呈動態變化。右圖所示為節流閥上的侵蝕率等值圖。

海上船舶的成功設計需要精確考慮無規則海浪拍擊造成的海浪沖擊力和運動。工程師使用ANSYS Fluent 研究自由表面流和相關海浪運動(六個自由度:偏擺、俯仰、滾轉),滿足海上浮式生產、儲存、卸貨裝置(FPSO)、海上平臺和其它用于油氣鉆井、生產和運輸的船舶的要求。右圖來自CFD 研究的示例結果展示了,雙體海上船舶的峰值沖擊壓力影響范圍(5,000 公噸)的兩個時間順序模式。

精確仿真海上和海底結構在設備入水過程中的運動和行為,需要使用包括流體動力學、流體力學和結構力學在內的整套解決方案。用于流體— 機械系統仿真的ANSYS綜合解決方案有助于工程師完全掌握和優化復雜設備的入水過程。

近期,工程師在一個58 公噸的海底管匯上演示了采用ANSYS 解決方案獲得的流固耦合結果(OTC-25233-MS)*。使用瞬態仿真來計算流體力值,隨后用該值計算管匯穿過浪濺區的結構響應。

ANSYS 客戶和渠道合作伙伴使用ANSYS ACT 開發定制解決方案。在這個框架內,可以為需要解決的問題開發專用工具和完整的垂直解決方案。ACT 應用集合遵循標準設計實踐開發而成,堪稱對油氣行業十分有利的生產力工具套件。油氣生產力工具套件中包含的應用能夠高效率地對行業典型模型進行前處理和后處理。含有大量螺栓的裝配體以及需要使用非線性土壤剛度作為邊界條件的應用,均屬于該工具套件能夠高效處理的實例。此外,該生產力工具套件還可根據ASME VIII、DNV GL 推薦實踐等通用標準開展結果評估,以及完成焊接強度計算等其它仿真任務。

該工具套件由ANSYS 渠道合作伙伴EDRMedeso 開發。

工程師可將節理巖體的結構力學、流體流動分析與敏感度、參數分析結合起來,優化水力壓裂法。采用這種方法,企業可以在增產與裝置開發成本中獲得平衡,從而實現更有效率的水力壓裂設計和增產措施。運用仿真技術掌握水力壓裂性能要素,可以獲得高成本效益的水力壓力策略,并在預算內獲得更加優質的開采曲線。本文信息由ANSYS 與Dynardo 公司聯合提供。

原油的生產、運輸和精煉所需要的設備和工藝,應當能夠控制具有不同熱力學屬性的石油組分。過去,工程師僅使用1D 流動分析軟件來分析多相流設備中的相位平衡,而ANSYS 客戶現在已可使用3D 計算流體動力學進行分析和PVT 計算,針對不同流體溫度和壓力說明詳細的流體力學屬性和相關流動屬性。ANSYS 渠道合作伙伴Grupo SSC 開發了一種應用,其能夠判斷不同儲層流體的熱力學特征。該應用通過匹配現有的實驗數據(飽和壓力、密度和天然氣石油比例),預測沒有數據可用情況下的相關屬性。該應用可連接到ANSYS CFD 軟件,提供準確說明流體屬性所需的全部PVT 信息,實現對相變更準確的預測,如蒸發工藝中發生的相變。

本文是ANSYS 墨西哥渠道合作伙伴Grupo SSC 的成果。

設計能長期高效可靠運行的水下設備充滿挑戰。部分復雜性在于,需要掌握在生產中斷或暫停過程中每個裝置的多相流和冷卻情況。工程師力圖避免多余的水合物形成。巴西FMC Technologies 的工程師對三相重力分離器進行了熱和流體流動分析,以優化設計,并在4℃ 外部溫度(海水)下確定冷卻溫度范圍在55℃ 到15℃ (水合物形成溫度)的要求。

巴西FMC Technologies 獲得ANSYS 南美渠道合作伙伴ESSS 的支持。本信息摘自2014 年CFD 石油行業大會資料。

綜合運用組分傳遞和群體平衡建模,工程師能夠仿真給定壓力、溫度和天然氣組成條件下油氣設備和管道中的水合物形成。通過包含水合物形成動力學,工程師能夠分析說明體積和表面引發的相變流程。這一結構能夠使用ANSYS 計算流體動力學解決方案跟蹤油氣應用中二相流的水合物沉積、積聚和分解效應。

井下封隔器對確保油氣井各段之間的良好密閉至關重要。它們往往承受著極端的載荷和井下條件。現實的井眼條件很難在實驗室環境中復制,因此很有必要使用數值工具仿真封隔器的行為。ANSYS 擁有豐富的高度非線性材料模型庫,能夠復制各種條件下的封隔器行為。該求解器功能強大,便于用戶管理自接觸和嚴重幾何變形造成的復雜狀況。

燃油重整器和裂化爐包含一個燃燒室,在其中通過使用燃燒器產生熱量。熱量隨后遞給輸送工藝蒸汽的蛇形管。這些管道必須對工藝蒸汽均勻加熱,才能實現有效的裂化。為取得最高效率,同時消除可能導致積垢和管道故障的熱點,設備設計人員必須了解裂化爐中3D 燃燒狀況和工藝管中的1D 放熱化學反應之間的相互作用。ANSYS CFD 軟件使用通道模型,在集成仿真中耦合所需的1D 到3D 反應,能用更短的時間完成復雜的重整器和裂化爐仿真。右圖顯示了來自燃燒器的熱氣為工藝管提供熱量,并實現內部反應。借助ANSYS 集成仿真,工程師能夠調整工作條件,讓整個工藝管都用于生產目的。

碳氫化合物生產造成的儲層壓實會導致地表下陷、滲透率下降和套管斷裂。下陷會直接導致套管壓碎、剪切和穩定性問題(承受屈曲)。此外,下陷還會造成斷層重新活躍。ANSYS 結構力學產品可提供耦合的微孔— 應力熱單元,能用于分析多孔介質。ANSYS 正在協助油氣企業,幫助建立儲層垂直壓實模型和造成地表設施破壞的垂直壓實。在掌握正確的構成屬性(假定飽和多孔介質)的情況下,可以將儲層中的壓力分布當作流體抽取結構進行計算。雖然準確預測儲層行為一般會涉及數十個變量,但這種方法經過驗證能提供非常有價值的深度信息。

流量調節裝置(FCD)對于采用蒸汽輔助重力泄油(SAGD)的油砂生產非常關鍵。FCD 設計的方案既可用于注入器,也可用于生產井。關鍵的性能參數之一是壓力降和流速之間的關系。設計方案需要在流速發生變化時盡量保持壓力降穩定。這樣可確保非均質儲層中出現的多種狀況下具有穩定流速,幫助減少閃蒸和蒸汽產生,并有助于控制侵蝕。工程師利用ANSYS CFX 對Alberta Flux Solutions 的生產和注入器工具設計開展CFD 分析。通過仿真可以確保在正常流速下獲得正確的壓力降。另外還需開展敏感度研究,以獲取多種流速下的壓力降特征,幫助測量與市場上其它產品相比的性能水平,從而在競爭中脫穎而出。最后仿真結果可用于指導新設計,降低FCD性能受制造公差影響的敏感度。

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