加氣浮選器（GFU）噴嘴改造對收油率的提升

趙有龍 林建偉 劉政偉 張笑龍 韋 濤

（中海油能源發展采油服務公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.前言

1.1 現場加氣浮選器（GFU）原理

加氣浮選器（GFU）是一種有效的液液分離方法，可分離顆粒密度接近于水的細小顆粒，經過隔油處理的水中尚含有一部分乳化液，由于乳化液疏水不強，需要投入化學藥劑增加分離效率，采用溶氣裝置進行溶氣回流，液流經過加氣浮選循環泵加壓，然后利用水射器帶氣的原理將柜體覆蓋氣吸入溶氣裝置，溶氣裝置中保持一定的壓力使氣體溶解到水中。溶氣水在釋放管中減壓后，水中的氣體以微小的氣泡的形式釋放出來，吸附懸浮顆粒的表面，上浮會面，形成浮渣層，浮渣層堰形槽流入排油管道中進入到閉排系統。如圖1所示加氣浮選器裝置的流程圖。

圖1 氣浮選器流程圖

1.2 加氣浮選器效率低原因分析

但是原有的加氣浮選器的浮選效率在逐漸下降，化驗值不能滿足生產要求。經過清洗浮選罐、更換清洗溶氣裝置內的填料環、調節氣浮泵泵壓、流量，但是處理的水溶液始終不能達到處理要求。最終歸結溶氣裝置內不能夠產生足夠量的合格的形成相對穩定的氣液乳狀液而不能使得水中的油顆粒不能懸浮上升而充分分離。溶氣裝置的核心部件就是噴射裝置，噴射裝置能否使得氣液產生好的氣液乳狀液決定了加氣浮選器的效率好壞。拆修噴射裝置發現原噴嘴損壞嚴重，已經失效。

1.3 解決方案

考慮到設備老舊，噴嘴形狀嚴重變形無法按原尺寸委托加工定制，且購買周期長，故可根據已知的噴射泵的其他結構尺寸對該噴嘴進行重新設計加工，加以改進。

2 噴射裝置的原理、結構

噴射裝置的原理是水在高壓下以很高的流速從噴嘴中噴出，使周圍的空間形成一定的負壓，將低壓氣體帶入高速的流體中，吸入的氣體與水混合后進入擴大管，速率逐漸降低，靜壓力因而升高，最后經排出口排出。如圖2所示噴射泵的結構及工作原理：

圖2 噴射泵的結構及工作原理

2.1 噴射泵結構特性

1)混合室又稱喉管，常做成圓柱形。隨著動量交換的繼續進行，流束在喉管中漸趨均勻，壓力也逐漸升高。

2)喉嘴距Lc：噴嘴出口至混合室進口截面的距離喉嘴距lc對水射水泵的工作性能也有較大影響。

3)Lc太大時，由于與壁面相交前的流束太長，被引射進入混 合室的流量就太多，以致不能將其增壓到足夠的排出壓力，混合室外周就會出現倒流現象，使能量損失增加；

4)Lc太小時，又會使混合室的有效長度縮短，不能充分進行動量交換，以使流束的流速更趨均勻，也同樣會使能量損失增加。

5)最佳喉嘴距Lc、大致可選取，一般多在（0.5～2）d0范圍內，也可通過試驗來確定。

2.2 噴射泵的特性

1)結構簡單、工作可靠、無運動部件、壽命長、無需修理；

2)自吸能力強、能造成較高的真空；

3)可輸送含有雜質的污濁流體；

4)效率低 η＜25%。

3 噴嘴設計

由于現有噴射裝置的吸入室，混合室及擴壓管的結構尺寸已經固定，考慮改變原有的設計會導致加工量大，且不能迅速恢復生產，故只對噴嘴進行重新設計。

3.1 設計方案：

噴射泵各部件的幾何尺寸直接影響噴射泵的性能，在相同的設計條件下，不同的結構尺寸參數和相對位置會得到性能出入很大的噴射泵。在噴射泵內雖然沒有運動部件，但是在泵內確實兩相性能差別非常大的流體，在泵內進行紊動、混合、擴散和熱交換時，很難用一個完整的理論公式來進行表達，本設計方案主要采用一組簡單且經過大量實踐的計算公式進行設計。3.1.1已知設計條件：

工作水壓力由一臺離心泵（ZA80-2250）提供，設計流量 V1=91m3/h，楊程：67m

①正常工況中工作水流量控制在V1=30m3/h

②正常工況工作水的壓力P1=5.5bar

③工作水溫度t1=76℃

④正常工況下吸入氣體的壓力P2=0.025bar

⑤正常工況下排出氣體的壓力P3=1.0bar

圖3 噴射泵圖

已知的噴射泵外形尺寸如圖3所示：根據已知的數據要計算噴嘴的直徑d0、噴嘴接管直徑D2以及噴嘴出口距離混合管的距離Lc，噴嘴的總長度 L。

3.1.2 由經驗計算公式得出：

①工作液體通過噴嘴前后的壓力降：

②被吸氣體經過噴射泵后的壓力提升

③流量比K C=0.85為真空度系數

④ 工作水在噴嘴處的流速：φ為流速系數，φ=0.93～0.80，根據水力學原理推出流速公式：

⑤d0為噴嘴的直徑，根據流量=流速X橫截面積得：

由上公式可見；噴嘴的出口速度，出口流量受工作壓降的影響很大，當結構尺寸定下來后，工作流體流經噴嘴的速度和流量就取決于壓降的大小了，工作壓降越大，噴嘴流速和流量就越大，反之則越小。

⑥D2工作水在噴嘴前的接管直徑。

經驗公式ω′一般取5-9m/s

⑦噴嘴出口距離混合管的距離Lc，取Lc=0.5～2d0

Lc=1.0d0=1.0x20=20mm，

因此確定噴嘴結構的總長度L=203-20=183mm

⑧ 噴嘴收縮全角ɑ取15～25，這里取ɑ=20

從而最終得出，

d0=20mm，D2=46mm,L=183mm，

新設計噴嘴尺寸如圖4所示。

圖4 新設計噴嘴結構圖

3.2 新噴嘴在實際中的應用

根據設計已知條件的進口壓力和進口流量是取自該加氣浮選器正常工作時的工況值，并不是采用的該設備的最大工況值是出于設備壽命的考慮，說是由于該設備老化嚴重，部分結構腐蝕嚴重，故采用一般工況進行設計改造。

考慮到介質的高溫并含有硫化氫等腐蝕性氣體，噴嘴的材質選用不銹鋼材質，且有意增加了噴管的壁厚。由于噴嘴結構流速均屬于亞音速流動，其截面積由大到小變化，最小尺寸在出口處。為了避免流速磨損導致噴嘴直徑擴大影響使用效果，故在最小尺寸處設計成圓柱形，且不得有錐度、橢圓、腰鼓等現象。且要保證噴嘴處與前端保持一定的同心度，內部采用機加工保證工件的表面粗糙度。

表1 實驗數據對照表

安裝噴射泵之后的調試數據

4 結論

新設計噴嘴安裝后經過近兩周的不斷調試，每天進行取樣化驗連續監測。GFU實驗數據如表1所示：

通過圖表可以看出在安裝噴射泵之前除油效果極差，原因是因為氣體沒有充分與水混合而且氣泡的直徑較大，沒有攜油能力，幾乎起不到除油作用，所以核桃殼濾器污染較重再生能力降低。長此以往就形成惡性循環，即浪費資源又給地層造成污染，通過圖表對比在安裝完噴射泵后很明顯的可以看出除油效果達到50%以上，入口水質較差時除油率甚至達到70%。2011年總共更換4次核桃殼濾料，平均每季度更換一次，2012年半年才更換一次，以上充分說明在安裝完噴射泵后大大改善了整個生產水的處理狀況，提高了生產水水質。

由上述實驗數據對比可以看出新設計噴嘴在實際生產中對加氣浮選器（GFU）的收油率有了很大的提升，從而達到了改造效果。

[1]吳無恙.水噴射泵設計及應用.上海：上海海峰出版社，1983

[2]機械工程手冊，第一版北京，機械工業出版社2007

[3]催桂香.流體力學[M].北京，清華大學出版社.1998