自循環(huán)式動態(tài)水力旋流器壓力性能和分離性能實驗研究

高飛 周志海 劉杰

本文研究將離心機與水利旋流器特點結(jié)合，采用合理的中心進料方式，加工實驗樣機后，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)對比實驗優(yōu)化壓力性能，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的工業(yè)機。利用流體力學軟件對工業(yè)機單相流場數(shù)值模擬，對旋流發(fā)生部件進行數(shù)值優(yōu)化，以供參考。

自循環(huán)式;動態(tài)水力旋流器;壓力性能;分離性能

隨著油田開發(fā)深入，石油采出液含沙量不斷增加。水力旋流器表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，某些地層膠結(jié)疏松，含沙量增加導致管閥設備磨損嚴重，減少管道流通面積造成管道堵塞。水力旋流器將非均勻相混合物分離，90年代初國際開始采用選分流分離技術(shù)進行原油除砂。水力旋流器可用于非均相混合物分離，如固液氣三相分離等，處理細顆粒雜質(zhì)表現(xiàn)良好分離性能，石油工業(yè)采用旋流分離技術(shù)，可取代龐大低效重力分層流程。旋流分離器結(jié)構(gòu)簡單，分離中受壓力波動等操作參數(shù)影響大，分離性能有限。開發(fā)受操作參數(shù)影響小，卸料方便的新型除砂設備非常必要。

水力旋流器基于離心沉降作用，由靜態(tài)水力旋流器由溢流管、進料管等部件組成，分離兩相混合液從進料管沿切向進入旋流器，輕重兩相密度差使所受離心力與流體阻力不同，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，單個水力旋流器直徑10～2500mm，較小的水力旋流器以高壓操作。旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點。離心機主要靠轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場使混合物分離，目前廣泛使用的有螺旋卸料沉降離心機等。

離心機與旋流器各有適用場合，離心機靠轉(zhuǎn)速產(chǎn)生強離心力場分離，高轉(zhuǎn)速動設備結(jié)構(gòu)復雜，維護成本較高。工程中大量采用靜態(tài)旋流器用于原油油砂分離。通過開發(fā)高效旋流器是主要趨勢。動態(tài)水力旋流器增加旋轉(zhuǎn)部件，其發(fā)展經(jīng)歷total型，預旋流型與復合型階段。目前動態(tài)旋流器主要針對復合型研究，動態(tài)旋流器具有操縱彈性大、進料壓力低、分流能力強等特點。動態(tài)旋流器需電能驅(qū)動，結(jié)構(gòu)較為復雜。動態(tài)旋流器主要向深度分離方向發(fā)展，旋流強度與液滴乳化相互矛盾，固液分離方面向技術(shù)控制自動化方向發(fā)展，如進口壓力、分離精度等參數(shù)在給定范圍內(nèi)可自動控制設計滿足工藝要求。

動態(tài)水力旋流器依靠旋轉(zhuǎn)葉輪旋流，設計葉輪式動態(tài)旋流器采用切向進料式，入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大。表明切向進料式動態(tài)水力旋流器進料方式不合理，設計合理的進料結(jié)構(gòu)，使進料位置位于葉輪正中心，由于進料口位于壓力最低葉輪中心低壓真空區(qū)，動態(tài)水力旋流器具有自吸性。旋流器入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大降低，葉輪轉(zhuǎn)速一定，底流流體可回到入口形成循環(huán)。

葉輪是旋流發(fā)生部件，常用葉輪有渦流板式與直板式，直板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心機葉輪結(jié)構(gòu)，葉片長度較大，可在葉輪邊上產(chǎn)生較大切向速度。渦流板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心泵葉輪結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實際工況調(diào)節(jié)升壓與升速關(guān)系。壓力性能為循環(huán)式動態(tài)水力旋流器的重要研究指標，研究通過實驗比較直板式葉輪旋流發(fā)生器性能，發(fā)現(xiàn)直板式葉輪自吸性差。渦流板式葉輪是旋流發(fā)生部件，要求葉輪具有良好自吸性。葉輪理論壓頭由動靜壓頭組成，前彎葉片動壓頭提高大于靜壓頭，渦流板式旋流發(fā)生器葉片采用后彎式。依據(jù)離心泵葉片參數(shù)改變?nèi)~輪參數(shù)設計葉輪，高度為20-120mm，入口安放角為0-90°。

循環(huán)式動態(tài)水力旋流器旋流腔尺寸采用標準尺寸，靜態(tài)旋流腔重要結(jié)構(gòu)參數(shù)有溢流口與底流口直徑。柱段高度影響旋流器分離粒度，增大柱段高度可減小分離粒度，標準旋流器選用較短的筒體。溢流口直徑影響旋流器生產(chǎn)能力與產(chǎn)物分配。溢流口直徑增大造成細顆粒進入溢流管。設計選用溢流口直徑大小不同的溢流管實驗。底流口直徑減小導致溢流顆粒變粗，底流口直徑影響壓力分布，設計選用不同底流口直徑實驗。進料結(jié)構(gòu)是動態(tài)旋流器最大特點，有效減小入口壓力才能提高入口壓差，使底流口部分流體進入入口產(chǎn)生循環(huán)。

為研究循環(huán)式動態(tài)水力旋流器性能，建立實驗測試系統(tǒng)。系統(tǒng)由供液單元、實驗機單元等組成。系統(tǒng)流程圖案工業(yè)使用流程設計，大部分砂水從底流口進入集砂罐，葉輪轉(zhuǎn)速一定使底流壓力大于入口壓力，集砂罐內(nèi)循環(huán)水帶動砂子流動，集砂罐內(nèi)聚集砂會進行排砂。公冶丹元由水箱、離心管道泵等組成，采用兩個離心泵并聯(lián)方式，供液流量變化范圍為0-45m3/h，實驗中料液晶旋流器后回到水箱。

研究動態(tài)水力旋流器性能需測量相關(guān)流量，轉(zhuǎn)子流量計安裝在溢流管控制閥后，壓力表安裝在水力旋流器入口處，測量壓力值研究旋流器壓力性能。分離與壓力性能是動態(tài)旋流器的重要指標，研究性能需進行壓力性能試驗。用清水進行動態(tài)旋流器壓力性能實驗，找到壓力差與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系;研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力性能的影響，找到滿足壓力性能合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。綜合壓力性能試驗，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗。根據(jù)實驗結(jié)果對旋流器改造優(yōu)化。動態(tài)水力旋流器現(xiàn)場正常工作，需保證旋流器在分流比工況下工作。研究溢流壓差為減少旋流器能量損失，旋流器除砂增大溢流壓差為后續(xù)工藝提供能量。

旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力與分離性能有很大影響。通過改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加底流壓差，增大底流壓差為保證旋流器在分流比工況下工作，底流壓差大于0產(chǎn)生底流回流滿足工藝要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標是找到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，葉輪轉(zhuǎn)動頻率在25Hz產(chǎn)生回流，頻率過高增大葉輪摩擦。調(diào)節(jié)流量在30，40m3/h時分析底流壓差與電機轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。葉輪高度是重要的參數(shù)值，葉輪高度增大加大流體能量損失。葉輪高度為60，80，100mm考察對變流的影響。葉輪高度為100mm，底流壓差隨頻率先減小后不變。底流壓差應隨頻率增大，表明葉輪高度為80mm不合理。

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流器分離性能產(chǎn)生影響，通過改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加分離效率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)目的使旋流器分離性能在電機轉(zhuǎn)速為25Hz時保持高效。電機頻率過高增大葉輪摩擦，調(diào)節(jié)流量在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分析分離效率與電機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。確定工業(yè)機結(jié)構(gòu)參數(shù)要綜合考慮壓力分離性能的影響，必須根據(jù)實際需要取舍，溢流管入口直徑為109mm，不能滿足實際工業(yè)生產(chǎn)要求。葉輪直徑增大到160mm底流壓差減小。后期匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗，發(fā)現(xiàn)葉片入口安放角為90度葉輪壓力性能與16度相當，葉輪入口安放角增大可改善壓力性能。

研究操作參數(shù)對電機性能的影響，將工業(yè)機用于材油混合物分離。考察旋流器底流壓差隨電機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，電機工作頻率取20，30，40Hz。不同流量下溢流壓差隨頻率增大，原因是葉輪轉(zhuǎn)速增大，中心進料口處壓力降低，葉輪對流體做功增多，使得葉輪出口處揚程損失增大。底流壓力值增大，頻率在30Hz以上，溢流壓差大于0。

選取分流比10%，流量為20，30，40m3/h考察電機轉(zhuǎn)速對分離效率的影響。繪制實驗樣機修正分離效率與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。分離效率隨電機轉(zhuǎn)速增大，原因是葉輪出口處流體切向速度增大，頻率增大到35Hz，分離效率曲線斜率較大。頻率增大到45Hz分離效率曲線變化緩慢。原因是電機轉(zhuǎn)速一定，葉輪離心力滿足固液兩相分離。提高電機轉(zhuǎn)速流體湍度增加，分離效率增長緩慢。頻率35Hz是合理的電機轉(zhuǎn)速頻率，頻率增大到40Hz分離效率增加到98%。電機轉(zhuǎn)速頻率25Hz合適。選取分流比為10%，流量為20，30，40m3/h，繪制電機轉(zhuǎn)動頻率下分離效率變化曲線。不同電機轉(zhuǎn)速及流量下的回流量表1所示：

分離效率隨流量增大減小，流量決定分離物料在旋流器內(nèi)停留時間，有效分離沉降時間變短，流量增大增加流體湍流度。流量增大到40m3/h分離效率曲線變化緩慢。電機轉(zhuǎn)速頻率為35Hz分離效率降低不到2%。表明分離效率隨流量變化不大。實驗中選取30Hz電機頻率考察分流比對分離效率的影響，繪制分離效率與分流比變化關(guān)系曲線。分離效率隨分流比增大，溢流口排走流量減小，減小溢流口排出砂增大分離效率。旋流器在一定分流比變化內(nèi)保持高效，有的工藝不能僅靠增大分流比提高分離效率，可增大分流比提高分離效率。

油田現(xiàn)場要求對不同比例水砂混合分離，按生產(chǎn)要求配置三相混合物進行分離效率實驗。油水相界面張力影響分離效率。材油為加油站00號，砂濃度為3g/L，實驗分兩組進行，第一組為200L水與100L材油;第二組為200L水與200L材油。測定頻率為30Hz混合物分離效率。兩張濾紙上為入口130ml取樣含沙量。油水混合物經(jīng)離心泵高強度剪切后乳化，油水混合物在旋流器內(nèi)，油水相旋流器中心通過溢流管排出。溢流口取樣濾紙無砂，分離效果明顯。工業(yè)機對油水砂混合物分離效果滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

CFD是建立在經(jīng)典流體力學基礎上的學科，計算流體動力學數(shù)值模擬得到廣泛應用，數(shù)值模擬，模型試驗是研究流體力學的主要手段，研究方法相互補充推動流體力學學科發(fā)展。數(shù)值模擬優(yōu)點是高效性，采用CFD法對工業(yè)機內(nèi)部流場進行研究。目前廣泛采用時間平均法考察湍流脈動的影響。計算流體力學常用湍流數(shù)值模型有大渦模擬、直接數(shù)值模擬與Reynolds時均方程模擬法。

根據(jù)實驗樣機特點，選用RNGk-ε湍流模型，由于中心進料式動態(tài)水力旋流器帶有旋轉(zhuǎn)葉輪，動態(tài)水力旋流器模擬是計算區(qū)中包含可動部件，F(xiàn)LUENT計算軟件中可動區(qū)域模型包括混合平面模型、多參考系模型。動態(tài)水力旋流器模擬是流動過程穩(wěn)態(tài)流動，采用MRF模型。FLUENT多參考系特征執(zhí)行，每個子域相對慣性可能是旋轉(zhuǎn)或平移，子域的控制方程擴散相所需鄰子域速度值，向所考慮子域提供相鄰區(qū)域正確值。采用前處理軟件Pro/E建立模擬物理模型，由于動態(tài)水旋流器結(jié)構(gòu)復雜不規(guī)則，需對流體域內(nèi)有效劃分，每個區(qū)域間界面設定interior邊界條件。

旋流分離器內(nèi)含砂量低于2%，通過連續(xù)單相流場模擬反映流場情況，整機迭代計算監(jiān)測迭代殘差，流場穩(wěn)定時可進行分析。葉輪是動態(tài)旋流器旋流發(fā)生部件，葉輪處流體壓力場影響旋流器壓力性能。葉輪出口旋流器壁面區(qū)域有大的壓力梯度，葉輪中心位于絕對低壓區(qū)，使葉輪具有良好自吸性。葉輪出口到旋流器壁面區(qū)域速度分布均勻，葉片中心處看不到箭頭方向，原因是空心進料軸內(nèi)流體方向為垂直葉片輪橫截面。葉輪中心流體速度最小為2.7m/s，壁面附近流體速度為12m/s，旋流流速可提供足夠離心強度。通過改變有葉輪入口安放角參數(shù)模擬，發(fā)現(xiàn)增大到90度后減小入口壓力。

綜上所述，研究通過對工業(yè)機進行性能試驗，對其壓力分離性能進行實驗研究，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究得出：（1）通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對實驗樣機的壓力性能進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減小葉輪的直徑、增大溢流管徑可有效增大底流壓差。（2）工業(yè)機壓力性能良好，電機速動頻率為20Hz時產(chǎn)生底流回流，電機轉(zhuǎn)速為25Hz時回流量為2.6m3/h，工業(yè)機分能性能保持高效，旋流器分離效率在93%以上。（3）設計循環(huán)式動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。通過實驗驗證，也發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實際結(jié)果基本吻合，說明該數(shù)值模擬結(jié)果基本可以指導實際離心機與水利旋流器的工作，進而優(yōu)化工業(yè)機性能。

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GAO Fei， ZHOU Zhihai， LIU Jie

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei? 065000）

In this paper the characteristics of centrifuge and hydrocyclone are combined， reasonable central feeding mode is adopted， after processing the experimental prototype， the pressure performance was optimized through the comparison experiment of structural parameters， determine the industrial machine with reasonable structural parameters. The numerical simulation of single-phase flow field of industrial machine is carried out by using hydrodynamics software， and the numerical optimization of swirl generating parts is carried out， for reference.

Self circulation; Dynamic hydrocyclone; Pressure performance; Separation performance