高含氣井低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離設(shè)備參數(shù)優(yōu)化

董國(guó)馳 劉新福 郝忠獻(xiàn) 李清平 姚海元 劉春花 李 明

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 3.中海油研究總院有限責(zé)任公司 4.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 5.中國(guó)石化大連石油化工研究院)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)部分油田已進(jìn)入含氣量中高開采階段，井下氣液分離器能夠有效降低采油成本[1-2]。現(xiàn)階段采油以柱塞泵采油系統(tǒng)和離心泵采油系統(tǒng)為主，但隨著含氣量的升高，螺桿泵采油系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛[3-4]。近些年來，現(xiàn)場(chǎng)工作者對(duì)柱塞泵和離心泵配套使用的井下氣液分離器進(jìn)行改進(jìn)，氣液分離器由原來的重力式和靜態(tài)離心式發(fā)展到組合式、多杯等流式、動(dòng)態(tài)離心式以及渦流式等相對(duì)比較復(fù)雜的形式[5-7]。李增亮等[8]通過試制樣機(jī)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析了不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效率的影響。M.TAKAO等[9]對(duì)徑向渦輪進(jìn)行了研究，分析了進(jìn)口角度對(duì)分離性能的影響。王天祥等[10]利用數(shù)值模擬對(duì)渦流式氣液分離器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究了氣液分離器轉(zhuǎn)速的影響。劉永輝等[11]研究了不同組合形式的兩級(jí)分離器的分離效果，證明兩級(jí)分離器能夠提高分離效果。王青華等[12]通過數(shù)值模擬對(duì)離心分離器螺旋葉片的螺距和螺紋數(shù)目等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

多數(shù)學(xué)者對(duì)電潛離心泵配套用的動(dòng)態(tài)氣液分離器開展研究，其主要適用于高轉(zhuǎn)速(2 800～3 500 r/min)、中低含氣(10%～30%)的工況。當(dāng)轉(zhuǎn)速減小，含氣體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，分離效率將大幅降低[13]。適合高含氣(30%～50%)、低轉(zhuǎn)速(50～500 r/min)工況下電潛螺桿泵使用的動(dòng)態(tài)氣液分離器缺乏足夠的研究。為提高電潛螺桿泵采油系統(tǒng)的采油效率，延長(zhǎng)采油設(shè)備的使用壽命，急需開發(fā)一種適合高含氣、低轉(zhuǎn)速工況下電潛螺桿泵配套使用的氣液分離器。基于上述動(dòng)態(tài)氣液分離器的分析，對(duì)高含氣、低轉(zhuǎn)速工況下的流場(chǎng)分布特性和分離效率開展研究，以期為適用于電潛螺桿泵的低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離器的參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 動(dòng)態(tài)氣液分離模型建立

1.1 氣泡運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

氣泡在兩相流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，在其運(yùn)動(dòng)過程中，包含了氣泡聚并和破碎等多項(xiàng)耦合過程，具有很強(qiáng)的非線性和非定常性[14]。兩相流場(chǎng)中，氣泡在軸向上受重力、浮力、液體阻力、附加質(zhì)量力、Basset力等作用，豎直向上為正方向時(shí)，氣泡作用力平衡方程[15]為：

(1)

式中：Fg為氣泡重力，N；Fa為附加質(zhì)量力，N；Fb為Basset力，N；Ff為氣泡所受浮力，N；Fd為氣泡所受運(yùn)動(dòng)阻力，N；vz為氣泡軸向速度，m/s；m為氣泡質(zhì)量，kg；t為氣泡向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

附加質(zhì)量力和Basset力為氣泡加速時(shí)產(chǎn)生的附加力，氣泡加速時(shí)間極短，因此忽略附加質(zhì)量力和Basset力，并認(rèn)為氣泡受力平衡，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

(3)

式中：d為氣泡直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3。

液相主要是石油，密度為850 kg/m3；氣相為高壓甲烷，密度為45 kg/m3。氣泡直徑取6 mm[16]，重力加速度取9.8 m/s2。氣泡阻力系數(shù)[17]Cd與雷諾數(shù)的大小有關(guān)，雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中：v為氣泡剛離開分離葉輪區(qū)域的最大速度，m/s；d0為當(dāng)量管徑，m；μl為液相動(dòng)力黏度，Pa·s。

管道當(dāng)量直徑為92 mm，液相動(dòng)力黏度為0.05 Pa·s，計(jì)算可得氣泡在氣液分離器內(nèi)部處于湍流狀態(tài)，Re>1 000，此時(shí)阻力系數(shù)Cd=0.44，代入式(3)可得氣泡軸向速度為vz=0.41 m/s。

1.2 分離器幾何模型

低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離器主要由渦流輪、導(dǎo)葉、分離葉輪等部件組成，如圖1所示。由圖1可知，氣液兩相流通過入口進(jìn)入氣液分離器內(nèi)部，在中心軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下通過渦流輪產(chǎn)生環(huán)向速度，導(dǎo)葉將之轉(zhuǎn)化為軸向的動(dòng)能。這是因?yàn)閷?dǎo)葉可以消除出口處兩相流體的速度環(huán)量，實(shí)現(xiàn)降速增壓的效果，從而提供軸向推力；同時(shí)導(dǎo)葉還可以剪切大氣團(tuán)，使得兩相流體混合均勻。分離葉輪提供徑向的離心力，兩相流體在離心力的作用下逐漸分層，密度較大的液相在外側(cè)聚集形成油環(huán)，從液相出口流出；密度較小的氣相聚集在中心軸附近，從氣相出口流出。

1—中心軸；2—渦流輪；3—導(dǎo)葉；4—分離葉輪。

1.3 邊界條件

低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離內(nèi)部是非均勻流場(chǎng)，有旋轉(zhuǎn)和回流發(fā)生。RNG模型對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)模擬的精度高，因此湍流模型選用RNGk-ε模型[18]，并選用SIMPLE壓力-速度耦合算法，差分格式為一階迎風(fēng)格式，壓力插補(bǔ)格式為PRESTO格式[19]。模型原始參數(shù)為：連續(xù)相為油相，密度為850 kg/m3，黏度為0.05 Pa·s；離散相為氣相，密度為45 kg/m3，黏度為1.31×10-3Pa·s，氣相體積分?jǐn)?shù)為40%。模型邊界條件為：葉輪轉(zhuǎn)速為300 r/min，液相出口為速度出口，出口速度為0.186 m/s，出口速度隨產(chǎn)油量變化；氣相出口為壓力出口。

1.4 模型驗(yàn)證

依據(jù)湍流模型和幾何模型，采用ANSYS-ICEM模塊對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)葉片部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。通過ICEM模塊生成網(wǎng)格模型，其網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算精度越高。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果影響較小時(shí)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果才有意義，但網(wǎng)格數(shù)太多不利于模擬計(jì)算，因此網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是十分重要的一環(huán)。針對(duì)氣液分離器模型，選取網(wǎng)格數(shù)量為2 977 500、4 251 987、5 623 465進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分別命名為網(wǎng)格1、2、3，并將圖1中截面S處的氣泡軸向速度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格無關(guān)性如圖2所示。由圖2可知，3種網(wǎng)格數(shù)量下軸向速度的變化趨勢(shì)具有良好的一致性，且網(wǎng)格數(shù)超過4 251 987時(shí)，軸向速度幾乎不再變化，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算效率，最終選擇網(wǎng)格數(shù)適中的網(wǎng)格2進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)氣相出口直徑38～72 mm處氣泡軸向速度vz取平均值0.366 m/s，與式(3)中所得結(jié)果誤差為12.02%。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

2 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的影響

2.1 葉片數(shù)目對(duì)分離性能影響

葉片數(shù)目與流道的通流面積有關(guān)，直接影響氣液分離器的分離性能。以3作為葉片的數(shù)目梯度，在3～18數(shù)目范圍內(nèi)共選取6個(gè)數(shù)目梯度(以a～f分別表示)進(jìn)行氣液分離器內(nèi)部流場(chǎng)特性及分離性能的評(píng)估。不同葉片數(shù)目下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖3所示。由圖3可知：渦流輪與導(dǎo)葉處并未出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，這是因?yàn)閷?dǎo)葉可剪切大氣團(tuán)，使得兩相流體混合均勻；分離葉輪處液相含量逐漸升高形成油環(huán)，葉片數(shù)目增加，油環(huán)平均厚度增大；液相出口含油體積分?jǐn)?shù)逐漸增加且增速呈減緩趨勢(shì)。

圖4為不同葉片數(shù)目下低速葉輪動(dòng)態(tài)分離性能對(duì)比。由圖4可知，當(dāng)葉片數(shù)目由3增加到15時(shí)，分離效率持續(xù)增加，但增幅減緩，分離效率由60.95%增加到78.73%。

圖3 不同葉片數(shù)目下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.3 Cloud chart of liquid volume fraction under different blade numbers

圖4 不同葉片數(shù)目下低速葉輪動(dòng)態(tài)分離性能對(duì)比Fig.4 Dynamic separation performance of low-speed impeller under different blade numbers

對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的氣液分離器，隨著葉片數(shù)目的增加，流道面積減小，葉片把流體分成了多個(gè)區(qū)域。流體對(duì)單個(gè)葉片的壓力減小，而流體與葉片的摩擦力也相應(yīng)減小，流道更加暢通；流量增加，分離效率增加。當(dāng)葉片數(shù)目由15增加到18時(shí)，分離效率由78.73%下降到78.42%，這是因?yàn)殡S著葉片數(shù)目的繼續(xù)增加，流道的通流面積持續(xù)減小，流量開始減小，分離效率降低。

2.2 葉片螺距對(duì)分離性能的影響

切向速度在氣液分離器的三維流動(dòng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，決定了氣液分離器內(nèi)部離心力的大小。選取截面S對(duì)不同葉片螺距下的切向速度進(jìn)行分析，不同葉片螺距下截面S液相切向速度對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，中心軸兩側(cè)的流體切向速度呈等速反向分布，其隨著半徑的增大呈現(xiàn)逐漸增加且增速減緩的趨勢(shì)，等速反向說明兩相流體在氣液分離器中的流動(dòng)比較穩(wěn)定。

另外，葉片螺距由250 mm增加到280 mm，分離效率由77.95%增加到78.93%。這是因?yàn)闅馀菰诜蛛x區(qū)的軸向速度減小，切向速度增加，這使得氣泡受到的離心力增加，同時(shí)也增加了氣泡的停留時(shí)間，因此葉片螺距為280 mm時(shí)分離效率達(dá)到最大值。

圖5 不同葉片螺距下截面S液相切向速度對(duì)比Fig.5 Tangential velocity of liquid phase in section Sunder different blade pitches

2.3 葉片長(zhǎng)度對(duì)分離性能的影響

分離葉輪的葉片長(zhǎng)度與流體在分離區(qū)的停留時(shí)間有關(guān)，停留時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響分離性能的好壞。圖6是葉片長(zhǎng)度對(duì)不同葉片螺距下分離性能的影響。由圖6可知：葉片螺距一定時(shí)，葉片長(zhǎng)度增加，分離效率先增大后減小；對(duì)3組葉片螺距下最優(yōu)葉片長(zhǎng)度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)分離效率最好的組合為葉片長(zhǎng)度420 mm，葉片螺距250 mm，此時(shí)分離效率為80.93%。

圖6 葉片長(zhǎng)度對(duì)不同葉片螺距下分離性能的影響Fig.6 Influence of blade length on separation performance under different blade pitches

葉片長(zhǎng)度由300 mm增加到420 mm，流體在分離區(qū)的停留時(shí)間增加，分離效率由74.98%增加到80.93%。葉片長(zhǎng)度由420 mm增加到450 mm，流體在氣液分離器分離段的壓力損失隨之增加。在壓力損失和重力的共同作用下，外層油環(huán)的軸向速度小于液相出口的出口速度，積聚在分離葉輪區(qū)，氣相出口附近的氣體被吸入到液相出口，分離效率由80.93%減小到79.91%。

3 葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素分析結(jié)果，選擇低速葉輪葉片長(zhǎng)度、葉片螺距及葉片數(shù)目3個(gè)正交試驗(yàn)因素，每個(gè)因素放置3個(gè)水平，按正交設(shè)計(jì)表L9(34)設(shè)計(jì)，低速葉輪動(dòng)態(tài)分離結(jié)構(gòu)優(yōu)化因素水平如表1所示。

表1 葉輪動(dòng)態(tài)分離結(jié)構(gòu)優(yōu)化因素水平Table 1 Factors and levels of dynamic separation structure optimization of impeller

入口含氣量為40%和轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，以分離效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇最佳分離葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)單因素分析結(jié)果，葉片長(zhǎng)度取390～450 mm，葉片螺距取240～260 mm，葉片數(shù)目取9～15片。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算得出k1～k3的值即為不同因素正交結(jié)果分析的平均值，極差R為最大值與最小值之差，通過比較極差R的大小來確定各因素的主次順序，結(jié)果如表2所示。

表2 葉輪動(dòng)態(tài)分離結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of dynamic separation structure optimization of impeller

對(duì)各因素的極差進(jìn)行比較可以得出對(duì)井下氣液分離器分離效率影響：C>B>A，即分離葉輪的葉片數(shù)目對(duì)低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離器的分離效率影響較大，葉片長(zhǎng)度對(duì)低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離器的分離效率影響較小。因此應(yīng)該優(yōu)先確定分離葉輪的葉片數(shù)目，其次確定葉片螺距，最后確定葉片長(zhǎng)度。表2中空白列的極差對(duì)試驗(yàn)有一定的參考價(jià)值，若空白列的極差大于其他各列的極差，說明該試驗(yàn)存在誤差或者交互作用，此時(shí)應(yīng)該考慮各因素之間是否有交互作用，以便找出更精確的因素水平。

由表2可知，當(dāng)葉片數(shù)目為15片，葉片螺距為250 mm，葉片長(zhǎng)度為420 mm時(shí)，分離效率達(dá)80.93%，所以最優(yōu)方案為A2B2C3，這與單因素分析結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。

4 操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響

4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)分離性能的影響

增加轉(zhuǎn)速能有效提高分離效率，但電潛螺桿泵的轉(zhuǎn)速國(guó)外一般推薦200～400 r/min，國(guó)內(nèi)油田一般處于100～300 r/min[20]。選取150～300 r/min為轉(zhuǎn)速范圍，以50 r/min為轉(zhuǎn)速梯度，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下氣液分離器的分離性能進(jìn)行研究。

不同轉(zhuǎn)速下低速葉輪動(dòng)態(tài)分離性能對(duì)比情況如圖7所示。由圖7可知，轉(zhuǎn)速增大，分離效率持續(xù)增加；轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min增大到300 r/min，分離效率由38.53%增加到80.93%。這是因?yàn)閷?duì)于結(jié)構(gòu)一定的氣液分離器，由于兩相流體的密度差固定，隨著轉(zhuǎn)速的增大，氣液兩相受到的離心力差值也隨之增大。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下低速葉輪動(dòng)態(tài)分離性能對(duì)比Fig.7 Dynamic separation performance of low-speed impeller under different rotary speeds

離心力大小與切向速度密切相關(guān)，因此對(duì)截面S的液相切向速度進(jìn)行分析，不同轉(zhuǎn)速下截面S液相切向速度對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，切向速度逐漸增大，轉(zhuǎn)速由150 r/min增大到300 r/min，最大切向速度由0.42 m/s增大到0.978 m/s，兩相受到的離心力增大，分離效率隨之增加。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下截面S液相切向速度對(duì)比Fig.8 Tangential velocity of liquid phase in section Sunder different rotary speeds

4.2 含氣量對(duì)分離性能的影響

選取35%～50%為入口含氣量的取值范圍，以5%為含氣量梯度，對(duì)4組不同梯度下的入口含氣量進(jìn)行分析。不同入口含氣量下低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離性能對(duì)比如圖9所示。由圖9可知，入口含氣量從35%增加到50%，分離效率由87.14%降低到62.86%。

圖9 不同入口含氣量下葉輪動(dòng)態(tài)分離性能對(duì)比Fig.9 Dynamic separation performance of impeller under different inlet gas contents

圖10是不同入口含氣量下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。圖10a中，入口含氣量增大，油環(huán)成型位置逐漸上移，且油環(huán)厚度逐漸減小，分離效率持續(xù)下降。選取截面對(duì)流場(chǎng)分布特性進(jìn)行分析，具體截面位置z為285 mm(截面Ⅰ)、z為720 mm(截面Ⅱ)、z為750 mm(截面Ⅲ)。圖10b中，入口含氣量增大，截面Ⅰ處氣液分層現(xiàn)象減弱，混合效果增強(qiáng)，分離更加困難；截面Ⅱ近壁處液相體積分?jǐn)?shù)降低，油環(huán)的厚度逐漸減小；截面Ⅲ處兩相流體離開分離葉輪后，混合的更加明顯，油環(huán)厚度逐漸減小。隨入口含氣量的增大，氣液兩相流傾向于混合在一起而非分離。

圖10 不同入口含氣量下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.10 Cloud chart of liquid volume fraction under different inlet gas contents

5 結(jié) 論

(1)低速葉輪動(dòng)態(tài)氣液分離器分離效率隨著葉片數(shù)目、葉片螺距和葉片長(zhǎng)度的增加，先增大后減小。

(2)分離效率最優(yōu)的結(jié)構(gòu)為：葉片數(shù)目15片，葉片螺距250 mm，葉片長(zhǎng)度420 mm，即A2B2C3。此時(shí)分離效率達(dá)到最大值80.93%。

(3)轉(zhuǎn)速越高，分離效果越好。轉(zhuǎn)速由150 r/min增大到300 r/min，分離效率從38.53%提升到80.93%；入口含氣量越高，分離效果越差，入口含氣量由35%增大到50%，分離效率由87.14%降低到62.86%。