A Study on the Gas-liquid Multiphase Flow Characteristics of the In-line Type Separator

In-line형 세퍼레이터의 기-액 다상유동 특성에 관한 연구

Abstract

The subsea separator of an offshore plant for offshore oil and gas development performs the process of separating oil and gas from crude oil produced in the subsea. The oil-gas subsea separator can be divided into a gravity type that separates fluids by gravity and an in-line type that separates fluids using centrifugal force of density. In the case of the deep sea, the development of a small in-line type separator is required due to manufacturing cost and safety problems caused by water pressure. Therefore, in this study, the gas-liquid phase separation efficiency of the subsea separator was identified through the study of the multiphase flow characteristics of the in-line type separator. For the optimal design of the in-line type separator, the shape of the internal swirl element(ISE) was selected first, and the separation efficiency results for each section of the in-line type separator were analyzed. This study was conducted in parallel with experiments and numerical analysis, and it is expected that the reliability and efficiency of the in-line type separator will be improved through the results.

1. 서 론

해양 석유 및 가스 자원이 풍부하고 2019년 기 준 해양 석유 생산량이 전체의 약 30%를 차지할 정도로 해양은 미래 석유 및 가스 자원의 중요한 대체 지역이다. Mao et al.(2023)에 따르면 현재 전 세계 원유 일일 생산량은 약 8천만 배럴이며, 생산된 물의 일일 생산량은 약 2억 5천만 배럴이 다. 원유와 물의 비율은 약 1:3으로, 생산수의 수분 함량이 70% 이상이고 일부 유전의 생산수 수분 함 량은 90% 이상에 달한다. 또한 생산된 물에서 기름 방울의 유화 정도가 상당하고 10μm보다 작은 유 화 된 기름 방울이 많이 나타나 처리하기 어렵다. 해저에서 생산된 유체의 전처리는 Fig. 1과 같은 세 퍼레이터 공정을 거쳐 기름, 물, 가스를 분리하게 된다. 해저의 물-기름-가스 분리를 위한 효율적인 다상유동 분리장치 및 기법에 대한 다양한 연구들 이 수행되었다. 그동안 중력식 세퍼레이터가 오랫동 안 사용되었지만, 체류 시간이 30분 이상의 체류시 간으로 인해 처리에 오랜 시간이 소요되고, 큰 장비 규모로 인해 해양 플랫폼에는 적합하지 않다. 생산 분리장치는 고전적인 중력식 분리장치(Martinez and Ortiz(2014), Davarikhah et al.(2020))에서 최 근에는 다양한 유형의 인라인 다상유동 분리장치 (Zeng et al.(2020), Al-Kayiem et al.(2020), Huang et al.(2018))에 대한 연구가 증가하는 추세이다.

Fig. 1 Schematic diagram of subsea separation system

Dirkzwager (1996)의 경우 싸이클론 타입의 축방향 액-액 분리장치를 설계하였다. Delfos et al.(2004)은 HAAS 프로그램을 사용하여 물-오일 분리를 위한 하 이드로사이클론 내부의 Internal Swirl Element(ISE) 형상을 최적화하는 수치해석적인 연구를 수행하였다. Slot et al.(2011)은 물과 오일을 ISE를 통해 분리하 는 것을 수치적으로 분석하였다. Ji et al.(2015)은 voraxial separator의 원리를 수치해석을 통하여 나 타내었으며, ISE의 꼬리부분에서 접선 속도의 증가로 인해 생기는 저압 구간을 속도 분포 그래프를 통하 여 증명하였다. Liang et al.(2018)은 swirling vane 및 20개의 분리홀을 기반으로 기-액 분리에 대한 실 험적 연구를 수행하였고 95% 이상의 분리효율을 달 성하였다. Yang et al.(2019)의 경우 블레이드 타입 의 swirler를 2중으로 설치하여 기-액 분리장치 기반 실험적 연구를 수행하였다. Putra et al.(2019)의 경 우 ISE 형상에 따른 기체-액체 유동 특성을 수치해 석 기반 연구를 통해 분석하였고, 블레이드, 단일 나 선(single helix), 이중 나선(double helix) 세 가지 형상의 ISE를 기준으로 CFD 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 2단 ISE를 활용한 In-line형 세 퍼레이터의 기-액 다상유동 특성에 관한 연구를 수치해석 및 실험을 통해 수행하였다. 분리 유체 의 경우 기체 및 액체(물)로 2상 유동 분리에 중 점을 두어 연구를 수행하였다. 분리 효율 및 기- 액 비율을 최적화하기 위한 ISE 모델링을 선정하 였고, 본 연구결과를 통해 기-액 세퍼레이터의 신 뢰성 및 효율성 향상에 활용할 수 있다.

2. 수치해석 기반의 ISE 최적화

2.1 수치해석 기법 및 case studies

수치해석 기반의 연구에서 사용한 ISE 형상을 Fig. 2에 도시하였다

Fig. 2 Modeling of the ISE geometry

ISE 외경의 치수는 100mm 이고 다른 치수는 Fig. 2에 도시하였다. 파이프의 길이는 2m, 파이프의 직경은 100mm인데 ISE 베 인 외경과 동일한 직경을 갖기 때문에 ISE는 파이 프에 고정되어 있다.

기체-액체 혼합물의 흐름에 대한 분리효율을 최적화하기 위해 서로 다른 형상의 베인 및 테일 을 갖는 ISE 모델과 비교하였다. 베인은 중앙의 나선형 블레이드 집합체를 의미하며 테일의 경우 하단의 원뿔형 팁을 의미한다. Putra et al.(2019) 에서 논의되었던 것과 같이 블레이드 타입의 ISE는 기체 코어를 가장 잘 형성시키지만, 내부 벽면을 따라 흐르는 액체의 와류 에너지(vortex energy)가 약하다는 단점이 있다. 기체-액체의 분리 효율을 높이기 위해서는 나선이 포함된 ISE가 필수적이 며, 최적화된 ISE 형상을 설계하는 것이 매우 중 요한 과제라고 할 수 있다.

세 가지 case의 베인과 테일 길이를 비교하였 고 이를 Table 1에 도시하였다. 기본 형상(case 1)은 다상 분리를 위한 ISE의 형상을 최적화하기 위한 기준으로 설정하였다. Case 1-3은 베인 길 이를 변수로 설정하였고, case 4-6은 테일 길이를 변수로 설정하여 분류하였고 전체 길이인 Total length는 0.18~0.23 m로 설정하여 분류하였다.

수치해석을 위한 경계조건 및 유체의 물리적 특 성은 Table 2에 제시하였다. 입구에서 유입되는 액 체와 기체 혼합물 흐름의 부피 비율은 액체 80%, 기체 20%로 가정하였다. 액체는 연속 상으로 설정 하여 다상 유동 발생 전의 경우 세퍼레이터 내부가

Table 1. Case studies with changing of the ISE

Table 2. Boundary conditions of the numerical simulations for ISE optimization

물로 가득 차 있다고 가정하여 수치해석을 수행하 였다. 입구의 유량조건은 7L/s로 설정하고 출구는 대기압 조건으로 설정하였다. CFD 기반의 수치해석 에서 유동해석기법의 경우 Eulerian method를 활용 하였다. Eulerian method는 공정, 실험 대상 등이 한정되어 있을 때 내부의 흐름을 파악해야 할 경우 적합하다고 볼 수 있으며, Lagrangian method의 경우 물체를 추적하여 해석하는 관점이기 때문에 본 연구에 적합하지 않다. Eulerian parameter는 Multi-fluid VOF model을 적용하여 기-액 다상 유체 흐름을 모사하여 계산하였다. Multi-fluid VOF model은 성질이 다른 두 가지 이상의 유체 에 대해 하나의 운동방정식으로 각 유체의 체적율 을 계산할 수 있다. 본 연구에 사용된 수치해석 소프트웨어의 경우 상용 CFD 해석툴인 ANSYS Fluent 18 버전이다. 유동해석은 식(1), (2)와 같 이 비압축성 유체의 연속방정식과 운동량 보존식 을 풀었다.

\(\nabla \cdot u = 0\)

\(\rho ( u \bullet \nabla u ) = \mu \nabla ^ { 2 } u - \nabla p + \rho g\)

여기서 는 속도, 는 밀도, 는 점도, 는 압력, 는 중력가속도를 의미한다. 난류모델의 경우 식(3) 과 같이 비압축성 뉴턴유체에 대한 운동량 보존을 기술하는 방정식인 Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation (RANS)를 사용하였다.

\(\frac { \partial u } { \partial t } + u \cdot \nabla u = - \frac { 1 } { \rho } \nabla p + \frac { \mu } { \rho } \nabla ^ { 2 } u\)

사용한 격자의 경우 ISE 블레이드가 복잡한 형 상이기 때문에 Poly-hexcore를 사용하였고 관내 유동이며 배관의 직경이 크지 않아 transition ratio 를 0.2로 설정, 수렴성을 높이기 위하여 boundary layer를 생성하였다. 격자 수는 총 45만개, 노드의 경우 150만개를 생성하였다.

2.2 수치해석 결과 기반 ISE 최적화

ISE 기반의 in-line 세퍼레이터의 원리는 ISE를 지나는 유체가 밀도차 기반의 와류(vortex)를 형 성하게 되어 분리가 되는 구조이다. 밀도가 상대 적으로 높은 유체가 관의 내벽을 따라 흐르게 되 고 밀도가 낮은 유체가 코어를 형성하여 중앙에서 흘러 유동이 진행된다. 3 차원 구조의 경우 높은 밀도를 갖는 유체가 벽과 밀착하여 낮은 밀도를 갖는 유체를 감싸고 있는 환형(Annulus) 구조가 형성된다. 액체-기체 다상 유동의 경우 액체가 관 의 내벽, 기체가 코어 혹은 물-오일 다상 유동의 경우 밀도가 높은 물이 관의 내벽, 오일이 코어를 형성하여 유동이 진행된다. ISE의 형상 최적화가 필요한 이유는 혼합물 유체가 ISE를 통과 후 와류 를 형성하여 유동 분리가 진행될 때 분리효율에 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다. Volume fraction 기반 분리효율의 경우 다음과 같은 ISE 의 유체분리 원리에 의해 설정될 수 있다. 높은 밀도를 갖는 유체는 1차 분리지점에서 분리가 되 고 낮은 밀도를 갖는 유체의 경우 두 번째 ISE가 포함된 두 번째 구간으로 진입하게 설정된다. 즉, 첫 번째 구간의 면적에서 두 번째 구간의 면적을 제외한 환형 면적에 높은 밀도를 갖는 유체가 얼 마나 포함되어 있는지 volume fraction을 수치해

석적으로 측정하면 분리효율을 정량적으로 분석할 수 있는 근거로 활용할 수 있다.

Fig. 3에서는 베인을 변수로 두고 베인 길이 (1D: 100mm, 1.5D: 150mm, 2D: 200mm)에 따 른 volume fraction 및 gas-liquid ratio를 분석 하여 최적의 베인 길이를 갖는 ISE를 도출하였다. 수치 해석 결과, 모든 사례에서 ISE에 의한 고속 의 와류 흐름으로 인해 물과 가스가 분리되었다. Fig. 3(a)에는 ISE 베인 길이 변화에 따른 액체의 부피분율을 도시하였다. Fig. 3(a)를 참고하면 예 상했던 것과 같이 밀도차 기반의 ISE를 지나면서 형성되는 와류에 의해 밀도가 낮은 기체는 가운데 코어를 형성하고, 밀도가 높은 액체는 관 내벽을 타고 흐르는 환형 구조를 이루고 있음을 알 수 있 다. Fig. 3(a)의 1D, 1.5D, 2D 모든 사례에 대한 액체의 부피분율 결과를 보면 분리가 잘 된 것으 로 보이지만, 실제 성능을 정량적으로 비교하기는 어렵다.

Fig. 3 Analyzed results as vane length varies

 Fig. 3(b)는 기체와 액체의 비율(Gas- liquid ratio)을 길이방향의 무차원수에 대해 도시 하였다. 축방향 길이에 대한 무차원 수는 ISE를 통과하고 난 뒤의 길이와 직경의 비로 정의할 수 있다. Gas-liquid ratio의 경우 (volume fraction of gas-volume fraction of liquid)/total volume fraction으로 정의하였다. 기체-액체 분리에서 Gas-liquid ratio이 높으면 액체 내부 기체가 제 대로 분리가 되었다고 볼 수 있으며 분리 성능지 표로 활용할 수 있다. Fig. 3(b)를 참고하면 베인 길이를 변경한 세 가지 사례에서 1.5D ISE의 Gas-liquid ratio이 가장 높아 분리 효율이 높다 고 할 수 있다.

Fig. 4에서는 테일을 변수로 두고 테일 길이 (Case 4: 80mm, Case 5: 50mm, Case 6: 30mm) 에 따른 volume fraction 및 separation efficiency 를 분석하여 최적의 테일 길이를 갖는 ISE를 도출하였다.

Fig. 4 Analyzed results as tail length varies

 Fig. 4(a)는 ISE의 테일 길이 변화에 따른 액체 부피 분율의 변화를 도시하였다. 베인 길이 를 변화시켰을 때와 유사하게 액체와 같이 밀도가 높은 유체가 관 내벽을 따라 흐르고, 기체와 같이 밀도가 낮은 유체가 배관 중심부에 코어를 형성하 여 흐르는 거동이 관찰되었다. 하지만 베인 길이 를 변화시켰을 때와 다른 점은 동일한 volume fraction을 변수로 Fig. 4(a)의 같은 값을 갖는 파 트끼리 contour로 나타내었을 때 분리효율이 확 실한 차이를 보인다. 배관의 단면을 나타낸 Fig. 4(a)를 참고하면 테일 길이가 작아질수록 액체-기 체의 단면이 명확하게 나타난다. Fig. 4(b)는 테일 길이 변화에 따른 3가지 case의 분리효율을 길이 방향의 무차원수에 대해 도시하였다. 최대 효율은 case 4가 82%, case 5가 87%, case 6이 93%의 결과가 도출되었다. 따라서 테일 길이가 변화하는 최적화된 모델은 길이가 가장 짧은 case 6으로 선정되었으며, 약 90% 정도의 평균 분리 효율을 갖는다. 최종적으로 베인 길이는 1.5D인 150mm, 테일 길이는 30mm의 ISE가 가장 높은 분리 효율 을 보여 최적의 ISE 형상으로 선정되었다.

3. 2단 ISE가 포함된 세퍼레이터 성능 분석

3.1 2단 ISE가 포함된 세퍼레이터 모델링

최적의 ISE 형상을 기반으로 설계된 2단의 ISE 가 포함된 실험용 세퍼레이터에 대한 수치해석을 수행하였다. 최적의 형상을 갖는 ISE가 1단으로 설치되어 있을 경우의 분리 효율을 더욱 증가시키 기 위하여, 실험에서는 2단으로 진행하였다.

Fig. 5 Dimensions of the in-line type subsea separator used in the experiment

2단 ISE가 포함된 세퍼레이터의 원리는 1단 ISE를 통 과한 유체들 중 일부가 첫 번째 아웃렛에서 통과되어 분리되고, 직경이 줄어든 배관 및 ISE에서 한 번더 와류를 형성하여 밀도차에 의한 분리가 진행되어 두 번째 아웃렛에서 토출되게 된다. 최 종적으로는 마지막 하단의 아웃렛에서는 밀도가 높은 액체가 분리가 되고 상단의 아웃렛에서는 기 체가 분리되는 원리이다. 이는 액체-기체 뿐만 아 니라 오일이 포함된 물-오일-기체의 3상 분리를 위해 최적 설계 되었다.

최적의 ISE 형상을 기반으로 설계된 2단 ISE가 포함된 세퍼레이터의 모델링은 Fig. 5에 도시하였 다. 파이프의 전체 길이는 2.5m이며 직경은 1단 ISE가 포함된 배관은 4inch, 2단 ISE가 포함된 배 관은 3inch, 그 후 최종 분리가 발생하는 배관은 2inch로 구성하였다. 1단 ISE와 2단 ISE 사이의 거리 및 2단 ISE에서 최종 분리가 발생하는 배관 까지의 거리는 각각 800mm, 500mm로 와류로 인한 유동 형성이 발생하는 데 충분한 거리를 두 어 설계하였다. ISE는 직경에 변화를 두어 1단, 2 단 모두 배관 내벽에 고정된 형태이기 때문에 자 체적으로 회전하지 않고, ISE를 통과하는 유체에 대해서만 와류를 형성시킨다.

3.2 2단 ISE 모델의 경계조건 및 해석 결과

2단 ISE형상을 포함하는 세퍼레이터의 실험과 동일한 조건을 선정하여 수치해석을 수행하였다.

4~6L/s와 같은 서로 다른 세 가지 유량에 대해분석하였고, 액체:기체 80:20, 액체:기체 90:10과 같이 혼합물의 분율도 나누어 해석하였다. 상세한 변수들의 경우 Table 3에 도시하였고, 수치해석 기법의 경우 ISE 최적화에 사용된 기법을 그대로 사용하였다.

Table 3. Boundary conditions of the numerical simulations of a separator with two-stage ISE

Fig. 6 Numerical analysis of a separator with a two-stage ISE with different fractions of liquid and gas

Fig. 6에는 2단 ISE가 설치된 세퍼레이터의 수치해석을 수행하여 세퍼레이터 내 기체가 분포되 어 있는 Gas volume fraction 결과를 도시하였다. 수치해석 결과를 보면 모든 사례에 대해 ISE 후단 에 고속 소용돌이 흐름이 발생하여 물과 기체가 분리되어 있음을 알 수 있다. Fig. 6(a)는 액체-기 체 9:1 비율의 부피분율이고 Fig. 6(b)는 액체-기 체 8:2 비율로, 두 사례 모두 벽면을 따라 두 번 째 분리기까지 액체 부피가 유지되며 밀도가 낮은 기체의 경우 중심의 코어를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 4 L/s 이하의 낮은 유량에서는 1차 ISE 로 인해 발생한 선회유동이 유체 분리지점까지 유 지되지 않아 분리효율이 떨어진다. 또한, 6 L/s의 유량까지는 분리효율이 계속적으로 증가하지만, 6 L/s 이상의 유량에서는 ISE로 인한 선회유동이 유 체 분리지점까지 유지되기 때문에 분리효율이 급 격하게 증가하지는 않는다. 한편, 혼합유체 내 액 체비가 높을수록 1차 ISE의 분리효율이 좋아지나, 분리되지 않은 혼합유체는 2차 ISE에서 재분리되 어 최종 분리효율이 개선되는 결과를 확인하여 2 단 ISE가 필수적으로 설치되어야 함을 검증하였다.

Fig. 7에는 액체-기체 9:1, 액체-기체 8:2와 같 은 분율 조건 변경과 유량 조건 변경에 따른 출구 에서의 분리 효율을 정량적으로 분석하여 도시하 였다. 실선은 액체-기체 비율 9:1을 의미하며, 점선의 경우 액체-기체 비율 8:2를 의미한다. 첫 번 째 및 두 번째 출구에서의 결과를 보면 유량이 낮 을 때 분리 효율이 낮으며, 유체 분율 조건의 경 우 8:2의 결과가 9:1의 결과에 비해 분리 효율이 낮다는 것을 검증하였다.

Fig. 7 Quantitative comparison of separation efficiency at two outlets based on liquid-gas fractions

4. 2단 ISE가 포함된 세퍼레이터 실험 분석

Fig. 8에는 2단 ISE를 활용한 기-액 다상유동 특성 및 분리에 관한 연구를 수행할 In-line형 세 퍼레이터의 전면부를 도시하였다. 세퍼레이터의 배관 및 분리가 발생하는 출구(outlet)의 경우 직 접 관측이 가능하도록 가시화를 고려하여 고강도 아크릴로 제작하였다. 입구에서부터 최종 분리가 발생하는 출구까지 파이프의 길이는 2.5m이며 상 세한 치수들의 경우 Fig. 5에 도시하였다.

ISE는 4inch 배관 및 3inch 배관에 고정된 형 태로 제작하여 실험 설비를 구성하였다. 실험에 활용될 ISE는 stainless steel 304 소재로 제작하 여 베인 날개 및 테일 등의 마모와 부식을 방지하 였다. 설비의 유량의 경우 4inch 배관 내 20℃ 물 기준 최대 16L/s 순환시킬 수 있도록 설정하였다.

Fig. 8 Experiment equipment of in-line type subsea separator

 실험 설비들의 경우 피스톤식 컴프레셔, 기 체 유량계, 기체 컨트롤 밸브, 액체 유량계, 압력 계 등으로 구성되었고, 제어 및 계측을 수행하기 위한 컨트롤 패널이 설치되었다. 다상 유체의 경 우 4inch 배관 내 첫 번째 ISE에서 분리되며 이 후 3inch 배관 내 두 번째 ISE를 지나며 분리가 완료된다. 분리된 액체들의 경우 아크릴 관 밑에 위치하여 출구와 연결된 스틸 재질의 유체 보관조 에 모이게 된다. 실험에서는 실제 투입된 유체(액 체 기준)와 1차 보관조, 2차 보관조, 3차 보관조 에서의 유체 양을 비교하면 직접적이고 정량적인 분리효율 검증이 가능하다.

Fig. 9에서는 대표적인 뉴턴유체인 물을 사용하 였을 때 수치해석과 실험에서 시간을 변수로 두어 시간에 따른 유량 측정 값을 도시하였다. 유량의 경우 4, 5, 6L/s으로 설정하여 모니터링하였고 실 험과 수치해석 간의 평균적인 오차는 5% 미만으 로 큰 오차 없이 선형적으로 증가하는 것을 확인 하여 실험설비와 수치해석 간의 오차가 크지 않음 을 검증하였다. 도시하지 않았지만, 뉴턴유체의 특 성상 유량이 증가함에 따라 압력강하는 선형적으 로 증가하고 주어진 유량에 따라 압력강하가 일정 하게 나타나 본 연구에서 사용된 실험 결과를 수 용할 수 있음을 검증하였다.

Fig. 9 Comparison of flow rates over the time from numerical simulations and experiments

Fig. 10 Comparison of separation efficiency over the flow rates from numerical simulations and experiments

Fig. 10에서는 유량을 변경하였을 때 도출되는 세퍼레이터 실험설비 및 수치해석에서의 분리 효 율에 대하여 도시하였다. Fig. 10을 참고하면 실 험과 수치해석 결과가 매우 유사하게 도출됨을 확 인할 수 있었으며, 유체 비율에 관계없이 유량 10L/s 이상에서는 분리 효율이 일정하며, 유량이 7L/s 이상에서는 최소 분리 효율이 80% 이상임을 검증하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 2단 ISE 기반의 In-line형 해저 세퍼레이터의 기-액 다상유동 특성에 관한 연구를 수치해석 및 실험을 통해 수행하였다. ISE 최적화 의 경우 베인과 테일 길이 변화 등을 통해 최적의 분리 효율을 갖는 ISE를 선정하였다. 수치해석 및 실험을 통해 유량이 낮을 때 분리 효율이 낮으며, 유체 분율 조건의 경우 기체 분율이 높아질 경우 분리 효율이 낮다는 것을 검증하였다. 향후 추가 적인 실험적, 수치적 연구를 통해 유체 비율(기- 액, 액-액)과 무관하게 95% 이상의 분리 효율을 달성할 계획이다.

감사의 글

이 논문은 과학기술정보통신부에서 지원한 한국 지질자원연구원 기본사업인 “해저 유·가스전 자원 생산 효율 증진을 위한 인라인(In-line) 타입 다상(물- 오일-가스) 유체 분리 핵심 기술 개발” (GP2022- 004)의 일환으로 수행되었습니다.