徐保蕊 蔣明虎 劉書孟 李廣志 趙立新 蔣昌云

(1. 東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠；3. 天津修船技術(shù)研究所)

近年來，水力旋流器因其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、分離速度快及設(shè)備投資小等優(yōu)點受到石油石化行業(yè)和市政環(huán)保領(lǐng)域工作者的重視?？捎糜诠桃骸⒁簹?、固固及液液等兩相介質(zhì)的分離以及氣液固等三相介質(zhì)的處理。其中，油水兩相分離用水力旋流器，是利用油水兩相介質(zhì)間的密度差將油相從水相中分離出來的一種技術(shù)方法[1,2]。

如今，計算流體動力學(xué)和計算機科學(xué)迅速發(fā)展，為采用數(shù)值模擬方法解決流體力學(xué)問題提供了極大的便利[3]，同時，計算機數(shù)值模擬也已經(jīng)成為研究旋流分離技術(shù)的主要方法之一。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可降低研究成本、提升研發(fā)速度，還可充分認識分離器內(nèi)的流場和流體流動規(guī)律，因此學(xué)習(xí)和掌握數(shù)值模擬的研究、使用方法，對于如今旋流分離技術(shù)研究人員也越來越重要[4,5]。

筆者結(jié)合油田采出液含油實際情況，借助于計算流體動力學(xué)CFD數(shù)值方法，研究分析了分流比變化對旋流器油水分離性能的影響。給出了適于油水分離用旋流器的最佳分流比，掌握了分流比變化對旋流器速度、壓力降、壓降比及分離效率等分離特性的影響規(guī)律。

1 模型尺寸及參數(shù)設(shè)置

研究基于以往優(yōu)化設(shè)計的一種單錐型油水兩相分離旋流器，主要結(jié)構(gòu)尺寸包括主直徑D1、旋流腔長度L1、溢流口直徑Du、溢流口伸入長度Lu、錐角α、底流口直徑Dd、底流口長度L2和入口截面b×h，旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置及模型尺寸關(guān)系見表1。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)模型尺寸關(guān)系

為便于對比分析，取S1(z=0)、S2(z=-80)兩截面，如圖1所示。采用Gambit軟件建模和劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示，利用Fluent軟件開展數(shù)值模擬分析。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 旋流器網(wǎng)格劃分

模擬計算設(shè)置的介質(zhì)物性參數(shù)分別為：油相密度870kg/m3，動力粘度0.046 1Pa·s，油滴粒徑設(shè)為0.15mm；水的密度998.2kg/m3，動力粘度1.003mPa·s。

邊界條件設(shè)置為：入口流量3m3/h，入口油相體積分?jǐn)?shù)5.5%；設(shè)置速度入口，入口法向速度分量由入口流量與總?cè)肟诮孛娣e決定，其計算式為vf=Qi/Si，其他兩個方向的速度分量為零；溢流口和底流口均設(shè)為自由出口[6]。

分流比F為水力旋流器的一個重要操作參數(shù)，它反映水力旋流器的溢流與底流兩個出口之間流量的分配關(guān)系[2,7]，分流比F定義為溢流出口流量Qu與總流量Qi之比。在進行變分流比模擬計算時，入口流量不變，對F分別為15%、20%、25%、30%進行數(shù)值模擬對比分析。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1速度場影響分析

由于旋流器的中心對稱特征[8]，在對旋流器內(nèi)部速度場分析過程中取旋流器不同截面上的[0，rmax]進行分析和對比。在入口流量不變的情況下，改變溢流分流比得出S1、S2截面上的切向速度分布如圖3所示，可以看出，在加大了分流比的過程中，S1、S2截面上的切向速度分布基本不變，旋流器中心處速度為零，隨徑向尺寸的增加，切向速度也逐漸增加，且存在一個最大切向速度點vtmax，在該點處當(dāng)半徑進一步增加時，旋流器切向速度vt逐漸減小，在邊壁處減小為零。因此當(dāng)旋流器分流比在[15%，30%]范圍內(nèi)變化時，對旋流腔與錐段連接部分和錐段內(nèi)部切向速度的影響很小。

a. S1截面

b. S2截面

同樣，在入口流量不變的情況下，改變溢流分流比得出S1、S2兩截面上的軸向速度分布如圖4所示，可以看出，在加大分流比的過程中，S1、S2兩截面上的軸向速度分布變化明顯，主要表現(xiàn)分別為：

a. 在S1截面上，旋流器中心處軸向速度最大，流動方向向上，隨徑向尺寸的增加，軸向速度逐漸減小，且存在一個零軸向速度點(vz=0)，在該點處當(dāng)半徑進一步增加，旋流器軸向速度vz方向改變?yōu)橄虻琢骺诹鲃?，且逐漸增大，在臨近邊壁部分，旋流器的軸向速度絕對值由最大值迅速降低為零。

b. 在S2截面上，整體上旋流器的軸向速度均方向指向底流出口，在較小的徑向尺寸范圍內(nèi)，軸向速度基本保持恒定，隨徑向尺寸的增加，軸向速度在數(shù)值上先減小后增大，且一直增加到軸向速度出現(xiàn)一個最大值，與S1截面類似，在臨近邊壁區(qū)域，旋流器的軸向速度絕對值由最大值迅速降低為零。

a. S1截面

b. S2截面

通過兩個截面上的速度場變化對比可見，改變分流比主要對旋流器內(nèi)部流體的軸向速度產(chǎn)生較為明顯的影響，分流比變化主要影響了旋流器內(nèi)部軸向速度流動方向的轉(zhuǎn)變位置及旋流器中心鄰域內(nèi)軸向速度絕對值的大小。旋流器分離過程包括旋流腔和錐段兩個主要部分的分離過程，當(dāng)分流比增加時，有利于旋流器錐段內(nèi)發(fā)生兩相分離的油流向溢流口，但過大的分流比勢必會造成旋流腔和錐段內(nèi)已經(jīng)與油相分離開的水相過多的流向溢流口[2]，因此需要找到一個最佳的分流比，該分流比既有利于將分離的油相運移到溢流口，又可盡量減少流向溢流口的水相，獲得更好的綜合分離效果。

2.2壓力降影響分析

在水力旋流器整個分離過程中，旋流器內(nèi)部形成由準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強制渦構(gòu)成的組合渦結(jié)構(gòu)，因此要實現(xiàn)旋流分離，必定會產(chǎn)生一定的壓力損耗，水力旋流器是利用一定的壓力損耗來換取分離所需能量的[2]。但旋流器所消耗的壓力降并非全部都是必要損失，過大的壓力降不利于旋流器的推廣應(yīng)用。因此，有必要研究分流比變化對水力旋流器壓力降的影響，盡量降低不必要的壓力損耗。

計算得出了旋流器溢流出口和底流出口的壓力降，不同分流比情況下，旋流器溢流口與底流口附近壓力損失分布云圖如圖5所示。

a. 溢流口

b. 底流口

由圖5a可見，溢流分流比逐漸減小過程中，旋流器溢流口和溢流口伸入段的壓力損失是逐漸減小的，與溢流口臨近的旋流腔中心部分壓力降也逐漸減小，而旋流腔其他部分的壓力降基本不隨分流比變化。由圖5b可見溢流分流比逐漸減小過程中，旋流器底流口及錐段與底流口相鄰部分的壓力降是逐漸增大的。整體上隨著旋流器溢流分流比的逐漸減小，旋流器內(nèi)部壓力降成逐漸增大的趨勢。

水力旋流器的壓降比pr是指旋流器溢流壓力降與底流壓力降的比，壓降比的合理確定有利于旋流器分離性能的充分發(fā)揮，而壓降比的大小受旋流器分流比的影響也較大[2]，因此匯總得出了不同旋流器分流比下的壓降比變化情況，變化曲線如圖6所示。

圖6 旋流器壓降比隨溢流分流比變化曲線

根據(jù)圖中壓降比與分流比的曲線擬合得出二者的關(guān)系式：

pr= 0.011F+0.5015

(1)

在研究范圍內(nèi)，擬合方差R2= 0.999，說明在其他參數(shù)不變時，旋流器壓降比隨分流比的增加而加大。如果分流比降低，會使得壓降比減小，從而升高溢流出口壓力，不利于旋流器溢流油相的排出。

2.3分離效率分析

分離效率η是從含油濃度降低的角度出發(fā)來評價分離效果的，包括3個主要的定義：質(zhì)量效率、簡化效率和綜合效率[2,9]。其中綜合效率受簡化效率、分流比和入口含油濃度影響，其綜合考慮因素最全面，因此在研究對比分離效率的過程中為首選，同時盡量保證較高的質(zhì)量效率和簡化效率。

從油相分離角度出發(fā)，研究中將質(zhì)量效率Ez定義為溢流中所含油相的質(zhì)量Mo與水力旋流器入口油相總質(zhì)量Mi的比，即：

(2)

簡化效率Ej為：

(3)

綜合效率E為：

E=K(1-F)Ej

(4)

其中，K為僅與入口含油體積濃度Ci有關(guān)的常數(shù)，K=1/(1-Ci)。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果得出的溢流口和底流口的質(zhì)量流率，利用式(2)～(4)分別計算得出了旋流器的3個主要效率隨分流比的變化曲線(圖7)。

可見，3個效率中，質(zhì)量效率與簡化效率二者比較接近，相差不大，綜合效率最低；旋流器的質(zhì)量效率和簡化效率均隨溢流分流比的增大逐漸增大，而綜合效率卻隨著旋流器溢流分流比的增大先增大后降低；分流比大于25%時，該旋流器的綜合效率下降明顯。

圖7 旋流器分離效率隨溢流分流比變化曲線

3 結(jié)論

3.1在入口流量不變的情況下，隨著分流比增大，旋流器內(nèi)S1、S2兩截面上的切向速度分布基本不變，軸向速度分布變化明顯。分流比變化影響了旋流器內(nèi)部軸向速度流動方向的轉(zhuǎn)變位置及旋流器中心鄰域內(nèi)軸向速度絕對值的大小。

3.2分流比越小，旋流器溢流口及臨近區(qū)域壓力損失越?。慌c溢流口臨近的旋流腔中心部分壓力降也隨分流比逐漸減小，旋流腔的其他部分壓力降基本不隨分流比變化；旋流器底流口及相鄰錐段底部壓力降隨分流比的減小而逐漸增大。

3.3在一定范圍內(nèi)，壓降比與分流比呈線性關(guān)系，壓降比隨分流比的增加而加大。

3.4不同溢流分流比下，旋流器質(zhì)量效率與簡化效率相差不大且相對較高，綜合效率最低；旋流器的質(zhì)量效率和簡化效率隨溢流分流比的增大均成增大趨勢，綜合效率隨旋流器溢流分流比的增大成先增大后降低趨勢；隨著分流比值大于25%時，該旋流器的綜合效率下降明顯；數(shù)值模擬分析表明，該旋流器最佳分流比為20%，此時旋流器綜合效率最高，且質(zhì)量效率和簡化效率均高于95%。

[1] 呂瑞典，李君裕，王遠明，等.油井產(chǎn)液除砂旋流器試驗研究[J].石油機械，1995，23(6)：18～23.

[2] 蔣明虎，趙立新，李楓，等.旋流分離技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3] 趙立新，代佳鑫，郭現(xiàn)臣.葉片式水力旋流器操作參數(shù)優(yōu)選[J].流體機械，2013，41(10)：7～9，52.

[4] 趙立新，劉麗麗，徐磊，等.傾斜入口流道的水力旋流器數(shù)值模擬分析[J].化工機械，2012，39(2)：203～205.

[5] 王尊策，張井龍，徐艷，等.不同操作參數(shù)下動態(tài)水力旋流器內(nèi)部油水兩相流動的數(shù)值模擬[J].化工機械，2012，39(2)：194～197.

[6] 趙立新，張淼，劉文慶，等.內(nèi)錐式脫油旋流器流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機械，2011，38(2)：202～205.

[7] 褚良銀，陳文梅，戴光清，等.水力旋流器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[8] 趙立新，王尊策，蔣明虎.液液水力旋流器流場特性與分離特性研究(三)——水力旋流器徑向速度測試方法[J].化工裝備技術(shù)，1999，20(5)：4～6.

[9] 趙立新，蔣明虎.液液水力旋流器流場特性與分離特性研究(七)——操作參數(shù)對分離特性的影響[J].化工裝備技術(shù)，2000，21(2)：5～8.