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积鼎石油天然气行业解决方案

Virtual Flow是由积鼎科技自主研发的一款通用计算流体动力学 (CFD) 仿真软件,具备行业领先的网格建模与求解技术,丰富且有特色的多相流物理模型及先进的相变模型,可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应、化学反应等复杂问题,为工业客户提供专业级流体仿真解决方案,应用于核电、油气、化工、过程工艺、水利水务、环境市政、航空航天、汽车、电子电器等行业领域。
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VirtualFlow是由积鼎科技自主研发的一款通用计算流体动力学 (CFD) 仿真软件,具备行业领先的网格建模与求解技术,丰富且有特色的多相流物理模型及先进的相变模型可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应,化学反应等复杂问题,为工业客户提供专业级流体仿真解决方案,应用于核电、油气、化工、过程工艺、水利水务、环境市政、航空航天、汽车、电子电器等行业领域。

 

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油气勘探及开采仿真难度:
油井管道、裂纹和岩层等几何结构复杂,生成高质量的网格困难;
流体成分复杂,物性差异大。
 
VirtualFlow功能优势:
· 笛卡尔空间网格自动生成,节省前处理时间,缩短研发周期;生成的笛卡尔网格即是高质量网格,避免了因网格质量问题导致的结果发散,需要重新调整网格的重复工作。
· 丰富的多相流模型和原油/非牛顿流体模型能准确描述各种油、气、聚合物等流体的物性和运动。

 

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油井区域多相流动
采用VirtualFlow混合流模型 + 原油/非牛顿流体模型模拟油井区域多相流动,研究油井区附件的流体压力和粘性分布,通过数值模拟的方法为油并工艺优化和设计提供参考。

 

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蒸汽驱提升原油采样率
采用VirtualFlow混合流模型 + 原油/非牛顿流体模型模型模拟蒸汽驱采油;注汽导致粘性发生变化。

 

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蒸汽驱提升原油采样率 (油井注气)。

 

 

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蒸汽驱提升原油采样率 (油层注气)。

 

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聚合物流穿过ICD(流入控制阀)处的流动。

 

 

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水力压裂
水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施,水力压裂法是目前开采天然气的主要形式,要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层进行液压碎裂以释放天然气。

采用欧拉-拉格朗日方法能够追踪颗粒的运动轨迹,其中流场的计算采用欧拉方法,而颗粒的计算采用拉格朗日方法。采用欧拉-拉格朗日方法时对颗粒的相含率有一定的限制,通常要求稀相,即颗粒相含率不超过10%。

 

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在石油领域,压裂是指采油或采气过程中,利用水力作用,使油气层形成裂缝的一种方法,又称水力压裂。压裂是人为地使地层产生裂缝,改善油在地下的流动环境,使油并产量增加,对改善油井井底流动条件、减缓层间和改善油层动用状况可起到重要的作用。
压开裂缝后,填充支撑剂以形成填砂裂缝增大导流能力,支撑剂在缝内的铺砂效果会对导流能力产生一定的影响。因此,通过分析不同施工参数形成不同砂堤形。

 

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水力压裂(固液多相流)

VirtualFlow软件采用改进的拉格朗日方法,考虑到颗粒之间的相互碰撞和颗粒与壁面的碰撞,并计算颗粒的体积对流场的影响,从而能够处理密相颗粒流问题,对颗粒相含率的上限没有限。

 

 

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碳捕集与封存 (CCS) 数值模拟
使用二氧化碳驱油以提高采收率是石油工业已经应用了几十年的成熟技术,特别是近年来应用EOR技术在非常规和高难度的油藏中的开发逐渐变得经济可行。二氧化碳捕集、埋存和提高采收率技术相结合 (CCS-EOR) 可实现石油增产和CCS成本降低的双重目的,被认为是加快CCS技术部署的双赢解决方。

 

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数值模拟碳捕集与封存 (CCS)
二氧化碳进行深层地下储存时,需要考虑储存地点的安全性,同时还需考虑随着时间的推移封存在地下的CO2是否会通过地下层 (多孔结构) 或注入井再返回到地面。在选择合适的CCS地点时,预测其二氧化碳储存潜力,估算被捕获流体的数量至关重要。因此,必须对二氧化碳的运输、捕获、溶解和储存条件下的化学过程有充分、科学的理解。模拟计算方法可以再现这一过程。目前,计算模型借助于孔隙尺度直接数值模拟 (DNS)方法,该方法既可以考虑多孔介质的非均匀性,也能在孔隙尺度。上解决微边界层问题。。

 
对于计算流体仿真软件VirtualFlow,孔隙尺度DNS的实现基于两种方法:
一种为岩石孔隙的浸入界面技术 (IST)
一种为砂土类型的颗粒方法。

 

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碳捕集与封存 (CCS) 数值模拟
对于岩石空隙,采用浸入界面技术IST通过level-set距离函数描述某一点到固体壁面的距离,并通过Level-set函数符号区分固体和流体区域。流体和固体分别具有不同的材料属性,包括密度、比热容、导热系数等。
IST的主要优点是可以避免对孔结构进行网格划分(用光滑函数来描述孔结构并且可以直接解决耦合传热问题)
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碳捕集与封存 (CCS) 数值模拟
针对在以颗粒状结构为特征的土壤结构对于这类问题,IST方法不再适合。VirtualFlow软件采用拉格朗日方法,并以欧拉方法求出与流体相耦合的相平均
icon油气勘探及开采icon
 
复杂岩层多相流动
VirtualFlow计算模拟复杂岩层多相流动,采用混合流模型 + 多孔介质模型模拟复杂岩层多相流动,分析岩层结构对油气输运的影响。
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油气生产及输运仿真难度:
管道几何结构复杂;
内部流体流态复杂,难以准确捕捉相界面。

VirtualFlow功能优势:
· IST/BMR网格技术
· Level Set

 

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深海油气捕集
VirtualFlow采用混合流模型 +水合物模型模拟深海油气泄漏捕集过程。

VirtualFlow提供专用模型用于水合物的生成和溶解数值模拟,可以模拟甲烷在一定的压力和温度条件下生成水合物的过程,以及水合物的输运和在管道内的沉积。通过加入甲醇等抑制剂,可以模拟水合物生成的抑制效应以及溶解现象。该模型被广泛应用于天然气开采及输运过程的数值模拟。

 

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深海油气捕集
VirtualFlow采用刚体运动模拟了油并封堵过程。

 

 

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管道流态分析与预测
垂直立管中根据流型可以分为泡状流、弹状流、环状流和雾状流。
VirtualFlow采用混合流模型+群体平衡模型对管道流态进行分析与预测。
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管道流态分析与预测
VirtualFlow采用Level Set模型对管道流态进行分析与预测,很好表现了界面特性和扩散脉动特性。
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管道运输和剪切分析
VirtualFlow采用混合流模型和Level Set界面追踪模型都可以对管道油气运输进行模拟,过对壁面剪切进行分析结合工程经验,可以形成管道腐蚀模型,预测管道安全运行寿命;对不同管流进行分析可以优化油气运输工艺。

 

 

icon关键设备解决方案icon
 
挑 战:
设备内部流道几何结构复杂,流体气液固多相共存。

优 势:
IST/BMR网格技术全面的多相流模型
 
高效 快速 灵活 精确
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卧式三相分离器
原油生产中,三相流(油/气/水)分离一直是具有挑战的工作,气体和油水混合物之间的自由表面运动、油和水的相互掺混、颗粒沉积和非牛顿特性使得这类流动变得相当复杂。借助CFD软件模拟有助于优化分离器设计。
VirtualFlow采用Level Set模型 + 非牛顿流体模型,针对基于重力分离的油、气、水三相流分离过程进行模拟分析,以预测三相流分离流动。

 

 

icon关键设备解决方案icon
 
卧式三相分离器
原油生产中,三相流(油/气/水)分离一直是具有挑战的工作,气体和油水混合物之间的自由表面运动、油和水的相互掺混、颗粒沉积和非牛顿特性使得这类流动变得相当复杂。借助CFD软件模拟有助于优化分离器设计。
VirtualFlow采用Level Set模型 +非牛顿流体模型,针对基于重力分离的油、气、水三相流分离过程进行模拟分析,以预测三相流分离流动。

 

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立式三相分离器
VirtualFlow采用混合流模型,研究三相的不同流入质量流量。

 

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水力旋流器
在钻井液固控系统中,除砂器和除泥器都是由一组不同尺寸的旋流器组成的,在除砂器和除泥器的设计中,需要尽可能的提高其分离效率并降低能量损耗,此项工作的前提则是要了解旋流器内流场的基本流动特性。
水力旋流器内流体的速度、压力分布具有十分重要的研究价值,流体的运动状态将对颗粒产生重要影响,关系着颗粒在流场中的电力、运动轨迹、分离效率等。

 

 

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管线中的三相分离器
3D-1D耦合仿真,OLGA分析的结果作为分离器三维仿真入口边界条件,获得准确的油水输运工。

 

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段塞流捕捉器
段塞流会引起管道完整性问题和分离器的不稳定性问题;
VirtualFlow采用Level Set界面捕捉方法可以精确捕捉管内流动界面特性。

 

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湿式冷却塔
VirtualFlow建模特色
导入几何实体(STEP、IGES、STL、GTS);用笛卡尔网格计算域包围几何实体;用户可设置自适应几何特征的网格加密,亦可建立嵌套网格,做局部加密。
求解器利用IST技术 (lmmersed SurfaceTechnology) 判断浸没表面实体区域可作为结构件、流体域、多孔介质;后处理,使用区域切割功能 (Clip,或称Iso-Volume),以Embl=0,切割出实体所在区域。
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再生器 (催化裂化)
预测天然气、汽油、轻气和焦炭的质量分布;预测碳沉积、喷射均匀性影响因素分析、轻气和焦炭的质量分布,评估再生器的性能。

 

 

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固定床反应器 (催化重整)

催化剂形状对固定床反应器的影响
由于催化剂的构型及其接触点,催化剂周围会存在复杂的流场。比较床的传热和压力。

 

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挑 战:
腐蚀、泄漏等因素都可能引起安全事故,事故发生位置可能在管道、泵阀等多个位置。

优 势:
IST/BMR网格技术;
全面的多相流模型专业的水合物模型;
高效 快速 灵活 精确。

 

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深海石油泄漏
深海石油泄漏会形成水合物,造成石油收集器堵塞需要研究水合物的生成过程和抑制方法。水合物的形成过程中会出现重油、轻油、天然气、海水、水合物等,且泄漏过程本身是一个复杂的大尺度湍流现象,因此对深海石油泄漏的模拟难度极高。
相较于其它通用CFD软件,VirtualFlow 配置了一系列水合物模型,可以更好地模拟石油泄漏过程尤其是水合物的形成、扩散与最终堵塞收集器的过程。
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水合物的形成和附着
水合物会在壁面附着,也可能在管道内堆积形成堵塞。

 

 

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歧管中的不均匀流动
采用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法对颗粒轨迹进行追踪,通过颗粒流的不均匀流动研究歧管载荷分布情况,为安全输运提供参。

 

 

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水合物栓塞管路
利用水合物模型来预测管路中水合物聚集、沉积、堵塞的机制和位置,制定预防聚集的最佳浓度,以及管道维护计划。

 

 

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油气管道清管
原油管道清管,是为了清除原油管道内壁杂质、增加管道运行寿命而进行的作业流程。
VirtualFlow的IST网格技术模拟刚体运动不存在网格重划带来的网格质量下降、负体积、刚体接触问题。
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黑粉沉积与输运
黑粉会导致天然气管道堵塞,中断输运,而导致有毒物质排放
到大气中;
采用密相四相耦合的欧拉-拉格朗日法追踪颗粒床层的形成和输运。
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井下泵颗粒腐蚀
采用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法,可以对颗粒轨迹进行追踪,通过密相颗粒流模型,可计算颗粒与壁面的相互作用,通过实验方法可以获得磨损模型,通过VirtualFlow仿真计算结果带入颗粒的运动速度、碰撞角度等,即可获得壁面的磨损计算结果。

 

 

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管道腐蚀预测
采用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法,可以对颗粒轨迹进行追踪,通过密相颗粒流模型,可计算颗粒与壁面的相互作用,通过实验方法可以获得磨损模型,通过CMFD计算的结果,带入颗粒的运动速度、碰撞角度等,即可获得壁面的磨损计算结果。

 

 

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常减压塔
常减压蒸馏具体流程如图 ,包括三级换热部分(E-100,E-101,E-102),两级闪蒸分离部分(V-100,V-101),常压塔蒸馏部分(T-101),加热炉部分(E-103),减压塔蒸馏部分(T-100)汽提部分(TEE-100)。

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常减压塔 (酸露点腐蚀)
炼油厂常减压塔顶系统中有8种,氯化铵腐蚀和盐酸腐蚀最为常见。
露点腐蚀广泛存在于常压塔上部筒体及封头、挥发线、空冷器和换热器管束、回流罐等部位。
根据常顶系统流程模拟得到的输入条件对典型管段的三维流场进行仿真模拟,获得多相流在管段内HCI浓度、PH值、温度。
仿真结果结合实测数据,建立流速-腐蚀速率模型,实现腐蚀速率预测。
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深海油气捕集
实 现:
局部位置采用VirtualFlow软件精确模拟,管线采用OLGA分析,二者之间实现数据耦合与传输。

意 义:
获得复杂结构处更加准确的模拟结果;
获得整个系统的分析数据;
避免整个系统的三维分析,同时提高一维分析的精度
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