趙有龍 林建偉 劉政偉 張笑龍 韋 濤

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.前言

1.1 現(xiàn)場(chǎng)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(xì)小顆粒，經(jīng)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(qiáng)，需要投入化學(xué)藥劑增加分離效率，采用溶氣裝置進(jìn)行溶氣回流，液流經(jīng)過加氣浮選循環(huán)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(huì)面，形成浮渣層，浮渣層堰形槽流入排油管道中進(jìn)入到閉排系統(tǒng)。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(yàn)值不能滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)過清洗浮選罐、更換清洗溶氣裝置內(nèi)的填料環(huán)、調(diào)節(jié)氣浮泵泵壓、流量，但是處理的水溶液始終不能達(dá)到處理要求。最終歸結(jié)溶氣裝置內(nèi)不能夠產(chǎn)生足夠量的合格的形成相對(duì)穩(wěn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)原噴嘴損壞嚴(yán)重，已經(jīng)失效。

1.3 解決方案

考慮到設(shè)備老舊，噴嘴形狀嚴(yán)重變形無法按原尺寸委托加工定制，且購(gòu)買周期長(zhǎng)，故可根據(jù)已知的噴射泵的其他結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)該噴嘴進(jìn)行重新設(shè)計(jì)加工，加以改進(jìn)。

2 噴射裝置的原理、結(jié)構(gòu)

噴射裝置的原理是水在高壓下以很高的流速?gòu)膰娮熘袊姵?，使周圍的空間形成一定的負(fù)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(jìn)入擴(kuò)大管，速率逐漸降低，靜壓力因而升高，最后經(jīng)排出口排出。如圖2所示噴射泵的結(jié)構(gòu)及工作原理：

圖2 噴射泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 噴射泵結(jié)構(gòu)特性

1)混合室又稱喉管，常做成圓柱形。隨著動(dòng)量交換的繼續(xù)進(jìn)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(jìn)口截面的距離喉嘴距l(xiāng)c對(duì)水射水泵的工作性能也有較大影響。

3)Lc太大時(shí)，由于與壁面相交前的流束太長(zhǎng)，被引射進(jìn)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(huì)出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，使能量損失增加；

4)Lc太小時(shí)，又會(huì)使混合室的有效長(zhǎng)度縮短，不能充分進(jìn)行動(dòng)量交換，以使流束的流速更趨均勻，也同樣會(huì)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(nèi)，也可通過試驗(yàn)來確定。

2.2 噴射泵的特性

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、無運(yùn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、無需修理；

2)自吸能力強(qiáng)、能造成較高的真空；

3)可輸送含有雜質(zhì)的污濁流體；

4)效率低 η＜25%。

3 噴嘴設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有噴射裝置的吸入室，混合室及擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)固定，考慮改變?cè)械脑O(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致加工量大，且不能迅速恢復(fù)生產(chǎn)，故只對(duì)噴嘴進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)條件下，不同的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和相對(duì)位置會(huì)得到性能出入很大的噴射泵。在噴射泵內(nèi)雖然沒有運(yùn)動(dòng)部件，但是在泵內(nèi)確實(shí)兩相性能差別非常大的流體，在泵內(nèi)進(jìn)行紊動(dòng)、混合、擴(kuò)散和熱交換時(shí)，很難用一個(gè)完整的理論公式來進(jìn)行表達(dá)，本設(shè)計(jì)方案主要采用一組簡(jiǎn)單且經(jīng)過大量實(shí)踐的計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1.1已知設(shè)計(jì)條件：

工作水壓力由一臺(tái)離心泵（ZA80-2250）提供，設(shè)計(jì)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(jù)已知的數(shù)據(jù)要計(jì)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(zhǎng)度 L。

3.1.2 由經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(jīng)過噴射泵后的壓力提升

③流量比K C=0.85為真空度系數(shù)

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

⑤d0為噴嘴的直徑，根據(jù)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(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸定下來后，工作流體流經(jīng)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。

⑥D(zhuǎn)2工作水在噴嘴前的接管直徑。

經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)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(shè)計(jì)噴嘴尺寸如圖4所示。

圖4 新設(shè)計(jì)噴嘴結(jié)構(gòu)圖

3.2 新噴嘴在實(shí)際中的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)已知條件的進(jìn)口壓力和進(jìn)口流量是取自該加氣浮選器正常工作時(shí)的工況值，并不是采用的該設(shè)備的最大工況值是出于設(shè)備壽命的考慮，說是由于該設(shè)備老化嚴(yán)重，部分結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，故采用一般工況進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

考慮到介質(zhì)的高溫并含有硫化氫等腐蝕性氣體，噴嘴的材質(zhì)選用不銹鋼材質(zhì)，且有意增加了噴管的壁厚。由于噴嘴結(jié)構(gòu)流速均屬于亞音速流動(dòng)，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(dǎo)致噴嘴直徑擴(kuò)大影響使用效果，故在最小尺寸處設(shè)計(jì)成圓柱形，且不得有錐度、橢圓、腰鼓等現(xiàn)象。且要保證噴嘴處與前端保持一定的同心度，內(nèi)部采用機(jī)加工保證工件的表面粗糙度。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照表

安裝噴射泵之后的調(diào)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

新設(shè)計(jì)噴嘴安裝后經(jīng)過近兩周的不斷調(diào)試，每天進(jìn)行取樣化驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。GFU實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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?yàn)闅怏w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(zhǎng)此以往就形成惡性循環(huán)，即浪費(fèi)資源又給地層造成污染，通過圖表對(duì)比在安裝完噴射泵后很明顯的可以看出除油效果達(dá)到50%以上，入口水質(zhì)較差時(shí)除油率甚至達(dá)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(gè)生產(chǎn)水的處理狀況，提高了生產(chǎn)水水質(zhì)。

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出新設(shè)計(jì)噴嘴在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)加氣浮選器（GFU）的收油率有了很大的提升，從而達(dá)到了改造效果。

[1]吳無恙.水噴射泵設(shè)計(jì)及應(yīng)用.上海：上海海峰出版社，1983

[2]機(jī)械工程手冊(cè)，第一版北京，機(jī)械工業(yè)出版社2007

[3]催桂香.流體力學(xué)[M].北京，清華大學(xué)出版社.1998