聚合物驅攪拌器的結構設計與分析

關天灝，許雪巖，唐 亮

（1. 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司第五采油廠太北作業區，黑龍江 大慶 163513）

聚合物驅攪拌器的結構設計與分析

關天灝1，許雪巖1，唐 亮2

（1. 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責任公司第五采油廠太北作業區，黑龍江 大慶 163513）

在聚合物和三次采用過程中，我們需要將聚合物母液和水進行充分的混合，然后注入到地面中進行驅油，目前在現場使用的攪拌器不混合效果不是很理想，所以我們需要研發出一種攪拌器來增強混合效果，以滿足三次采油和聚合物驅油的要求。在前人研究的基礎上對聚合物驅攪拌器的結構進行選用、設計、計算，并且通過三維模型仿真和數值模擬進行分析裝置的可靠性、安全性、以及混合效果。給出了驅油的地面工藝流程、聚合物驅攪拌器的設計思路及其工作原理和構造形態。在設計的過程當中采取了計算分析和仿真分析的方法來對聚合物驅攪拌器的構造進行設計。

聚合物驅；攪拌器；數值模擬；有限元分析

經過第一、第二次驅油之后采用聚合物驅油可以大幅度的提升采油效率，但是驅油液的混合程度影響著聚合物驅油的效果，所以在實際生產當中我們需要設計出一種攪拌器來提升混合效果，為了驗證其可靠性和混合效果，我們采取仿真技術對其進行分析。

本文利用 solidworks 對聚合物驅攪拌器進行了有限元分析，在理論符合條件的基礎上來驗證實際生產時的可靠性。

1 聚合物驅攪拌器模型建立

由于聚合物的母液的粘度大約在 50 mPa?s 左右，經過研究選型，我們選取渦輪式攪拌器，由于液體的液面高度過高，在這里我們來設置多層槳葉來加強溶液的混合效果[1,2]。聚合物母液混合液從進料口進入攪拌容器內，攪拌軸在電動機的帶動下轉動帶動攪拌器槳葉進行轉動從而在槳葉的帶動下，攪拌器內的流體會進行旋轉，經過足夠長的時間液體進行充分混合，再從出料口流出進入到熟化裝置中。圖1為攪拌器槳葉單元。

圖 1 聚合物驅攪拌器槳葉Fig.1 Polymer flooding agitator blades

對于攪拌器槳葉來說，當聚合物母液進入到攪拌器容器中時，流體在槳葉的帶動下進行旋轉，槳葉為流體的旋轉提供了動力， 是流體在攪拌容器內發生循環，是的溶液中的流體甚至是懸浮的顆粒能夠得到均勻的混合，而為了達到均勻混合這一目的我們需要通過強制對流、均需混合器件來實現，即攪拌器的內部構件。其中包括電機、減速器、支撐架、安裝貼板、軸封、聯軸器、攪拌軸、葉輪。其中攪拌器的類型、轉速以及尺寸對攪拌功率在總體流動和湍流脈動之間的分配都是有影響的。另外不同介質粘度的攪拌是指流體在流動的時候對槳葉的阻抗能力。其次攪拌器的內部構件特別是葉輪等也是影響攪拌的重要因素。

2 網格劃分

網格劃分控制能建立對實體模型劃分網格所需要的各種參數，如單元形狀、中間節點位置、單元大小等。這一步是分析中最重要的因素，因為這個階段是確定生成的模型是否能滿足精度和經濟分析的重要步驟。其網格圖 2 、圖 3 所示。

圖 2 網格參數圖Fig.2 Grid parameter map

圖 3 攪拌槳葉網格圖Fig.3 Stirring paddle grid graph

3 有限元分析

聚合物驅攪拌器的扇葉形狀屬于不規則形狀，所以我們對槳葉進行整體實體建模，材料為 Q345B。對結果進行處理分析的時候，分別得到槳葉位移、應力分析和應變圖，如圖 4、5所示，我們只需要檢驗槳葉的最大應力是否在所能承受的范圍內和安全系數即可。攪拌器扇葉材料為 Q345B 焊接到扇葉板上，在扇葉的同側加載 500 N 的液體阻力，加載應力如圖4所示。

圖 4 攪拌器槳葉應力圖Fig.4 Agitator blade stress map

圖 5 攪拌器槳葉位移圖Fig.5 Agitator blade displacement map

最大應力出現在扇葉靠近軸部分，為 54 MPa，取安全系數 1.5，小于 Q345B 許用應力 230 MPa，符合強度要求。

4 結果分析

聚合物驅攪拌器屬于徑向流攪拌器，液體在槳葉之間產生高速的徑向流速，流動方向垂直于攪拌軸方向，在撞到攪拌容器筒壁后，會沿著徑向分成兩股流體，一股是向上的，一股向下的，最后回到槳葉處在循環流動。又由于槳葉的頁面具有非常強大的軸向流動，是向上循環的液體透過葉片縫隙流入到下循環液體中，屬于典型的軸徑混流攪拌器，混合效果非常好[3]。

圖 6 速度分布截面圖Fig.6 Sectional view of the velocity distribution

由圖6的軸截面的軸向速度分布圖可以看出，在聚合物驅攪拌器的下部有著明顯的徑向流動，即攪拌器在徑向上速度逐漸增大，這說明了聚合物驅攪攪拌器有著充分的攪拌速度，作為流體運動的通道，最后以一個很大的速度排除流體[4]。湍流的粘度和長度都是在攪拌容器的上部較大，在低端較小，由于聚合物驅油對母液的粘度有一定的要求，所以我們在攪拌的同時應該注意流體的粘度降解不要太大，由于底部的槳葉旋轉的作用，對流體發生了剪切的作用所以流體的粘度變低，從圖6可以看出粘度降低范圍在所允許的范圍之內，符合聚合物驅油的要求[5]。

［ 1］ 胡 博 仲 ， 劉 恒 ， 李 林.聚 合 物 驅 采 油工 程 [M].石 油 工 業 出 版 社 ，1997:200-227.

［2］王偉，張書斌.利用三維 CAD 技術實現攪拌器快速設計[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2003,2 (9)：73-74.

［3］張林進，葉旭初.攪拌器內湍流場的 CFD 模擬研究[J].南京工業大學學報，2005,27 (2)：59-63.

［4］姜培正.過程流體機械[M].北京：化學工業出版社，2004.

［5］鐘麗，黃雄斌，賈志剛.用 CFD 研究攪拌器的功率曲線[M].北京化工大學學報，2003, 30(5)：4-8.

Structure Design and Analysis of Polymer Flooding Agitator

GUAN Tian-hao1，XU Xue-yan1, TANG Liang2
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Daqing Oil Field Company No.5 Oil Production Plant, Heilongjiang Daqing 163513，China）

During polymer flooding, polymer mother liquor and water need be thoroughly mixed and then injected into the ground to carry out flooding, currently blenders used in the field have not good mixing effect, and so new blender need be developed to enhance the mixing effect in order to meet EOR polymer flooding requirements. In this paper, based on previous studies, selection, design and calculation of the polymer flooding agitator were discussed, and the reliability, security and mixing effect of the device were analyzed through a three-dimensional simulation analysis and numerical simulation. The ground flooding process was obtained as well as design ideas, principle and structural features of the polymer flooding agitator. The calculated analysis and simulation analysis were used to design the structure of the polymer flooding blender.

Polymer flooding; Agitator; Numerical simulation; Finite element analysis

TE 357

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1245-02

國家科技支撐計劃項目，項目號：2012BAH28F03。

2014-05-09

杜永軍（1962-），男，黑龍江大慶人，教授，博士學位，研究方向：機電一體化。