蔣明虎 李永山 徐保蕊 趙立新

(東北石油大學機械科學與工程學院)

軸流式脫氣除砂三相旋流分離器操作參數(shù)優(yōu)選*

蔣明虎**李永山 徐保蕊 趙立新

(東北石油大學機械科學與工程學院)

針對一種新型軸流式脫氣除砂三相旋流分離器，利用數(shù)值模擬分析軟件Fluent，對旋流器進行全流場數(shù)值模擬，研究得出了旋流器內(nèi)部速度分布規(guī)律、壓力降特性和氣相、固相體積分數(shù)分布情況，對分離器進行變處理量和分流比(溢流、側(cè)向)操作參數(shù)的對比分析，優(yōu)選得出分離器最佳分離性能下的處理量、溢流分流比和側(cè)向分流比分別為6.4m3/h、40%和4%。

分離器 軸流式 分離性能 處理量 分流比

目前，我國大多數(shù)油田都已經(jīng)進入開采中后期，采出液中含有大量的伴生氣及泥砂等雜質(zhì)[1]，這些雜質(zhì)的存在不但會造成壓力不穩(wěn)，增加運輸難度，還會造成設(shè)備的腐蝕及堵塞等，引發(fā)諸多安全隱患，對油田安全生產(chǎn)和設(shè)備穩(wěn)定運行造成很大危害。

筆者針對一種新型軸流式脫氣除砂三相旋流分離器，利用數(shù)值模擬分析軟件Fluent，對旋流器進行全流場數(shù)值模擬，通過對旋流器速度場、壓力場和相體積分數(shù)Fv分布情況進行變參數(shù)對比分析，得出旋流器的最佳流量和分流比(溢流、側(cè)向)。

1 脫氣除砂分離器

1.1分離器結(jié)構(gòu)

脫氣除砂三相旋流分離器主要為解決油田現(xiàn)場采出液含氣含砂情況，對采出液進行脫氣、除砂同步處理。軸流式脫氣除砂分離器初始結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖如圖1所示。圖1中的截面Ⅰ距螺旋流道底端25mm，截面Ⅱ距分離器底端25mm。脫氣除砂三相旋流分離器結(jié)構(gòu)主要包括螺旋入口、溢流管、排液管(采用圓柱形筒體)和排砂口(采用矩形結(jié)構(gòu))。螺旋流道入口使混合介質(zhì)由低速的直線式流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚臏u流式流動，流體流動沿平滑曲線的方式平穩(wěn)變化，這樣避免了劇烈沖擊和摩擦損失，同時壓力降也會降低[2，3]，減小能耗，處理量也會相應(yīng)提高，進而提高分離效率。該結(jié)構(gòu)已申報國家發(fā)明專利。

圖1 分離器結(jié)構(gòu)簡圖

1.2工作原理

脫氣除砂分離器的主要功效為旋流分離(利用氣-液-固的密度差[4])。氣-液-固混合液由螺旋流道入口[5](螺旋流道入口可將混合介質(zhì)的直線運動變成圓周運動)進入分離器內(nèi)部，在旋流腔和外錐段內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，外錐對旋流流體具有能量補償作用，進而補償分離過程中的速度損失[6]，有利于三相的分離。三相分離器分離效率相對較高，且壓力損失小，不僅能夠用于氣-液-固三相物料的分離，對氣-液-液分離器和液-液-固分離器的研究也提供了有益的參考。

筆者提出了一種新型脫氣除砂旋流器，旋流器工作時，混合物料通過螺旋流道入口進入旋流器中，將混合介質(zhì)的直線運動變成圓周運動，在密度差的作用下，依靠離心力完成分離過程。三相介質(zhì)在旋流器內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)分層，氣相由上端溢流管排出；混合介質(zhì)在下行的過程中，繼續(xù)進行旋轉(zhuǎn)分離，在離心力的作用下，固相逐漸移向側(cè)壁處，最終由側(cè)向排砂口排出旋流器；液體則經(jīng)過排液口進入底流管中，由底流排液口排出，從而完成三相的最終分離。

該旋流器獨特的螺旋流道入口結(jié)構(gòu)，使設(shè)備徑向尺寸進一步減小，占地面積小，亦可適用于油田井下工況，可合理、有效地解決三相排出問題。

2 物性參數(shù)及網(wǎng)格劃分

2.1物性參數(shù)

進行三相模擬時使用的介質(zhì)物性參數(shù)為：氣體(CH4)的密度ρ=0.6679kg/m3，動力粘度μ=1.087×10-5kg/m·s；固體(Si)的密度ρ=2330kg/m3，動力粘度μ=1.720×10-5kg/m·s。入口混合介質(zhì)含氣量30%，固相1%。

2.2網(wǎng)格劃分

利用Gambit網(wǎng)格劃分工具進行網(wǎng)格劃分。由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Fluent進行計算時更精確，收斂性也更好，所以劃分時應(yīng)盡量使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因為此脫氣除砂旋流器的結(jié)構(gòu)規(guī)則，所以整體可生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：將旋流器原始模型的整體區(qū)域進行切割分離，使分離后的每個區(qū)域網(wǎng)格劃分簡單，這樣有助于結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格的生成[7]。最終將軸流式脫氣除砂三相旋流分離器內(nèi)部劃分的計算網(wǎng)格單元數(shù)約為12萬左右。

3 數(shù)值模擬分析

筆者對影響脫氣除砂分離器分離效果(分離效率、速度分布、壓力分布)的主要因素，如分離器的入口處理量、溢流分流比和側(cè)向分流比進行模擬分析，研究這幾種操作參數(shù)的改變對分離器分離性能的影響規(guī)律。

3.1入口處理量

一種固定結(jié)構(gòu)的旋流器，其入口尺寸已為定值，此時入口處理量的改變直接影響著速度的大小，進而影響混合介質(zhì)的分離效率，所以有必要對入口處理量Qi進行研究分析。分別取入口處理量為4.9、5.7、6.4、7.1、7.8m3/h進行模擬分析。

不同入口處理量情況下，旋流器截面Ⅱ處的氣相體積分數(shù)Fvg分布對比如圖2所示，可見隨著入口處理量的逐漸增大，側(cè)向出口附近的Fvg依然不變，F(xiàn)vg幾乎為零；底流口附近，F(xiàn)vg隨著處理量的增大，逐漸減小。因此在一定范圍內(nèi)，適當?shù)脑龃筇幚砹坑欣跉庀嗟姆蛛x。

圖2 不同入口處理量時截面Ⅱ處的氣相體積分數(shù)分布

圖3為不同入口處理量時截面Ⅰ處的切向速度vt隨處理量變化的分布曲線，可以看出vt及其變化梯度都是隨著處理量的增大逐漸增大的；而當vt較大時，與之相關(guān)的離心力和離心加速度也較大，有利于介質(zhì)的分離[8]；但當vt過大時也會加劇粒子的破碎，從而降低分離效率。綜合這兩方面，選擇處理量的大小要適中。

圖3 不同入口處理量時截面Ⅰ處的切向速度分布

不同入口處理量情況下，旋流器截面Ⅰ處的軸向速度va分布對比如圖4所示，可以看出在分離器邊壁附近，隨著處理量在4.9～7.8m3/h范圍內(nèi)增大，va也變大，有利于固體的分離；在軸心位置處，隨著處理量的增大，va也增大，直至處理量增大為7.8m3/h時，va反而減小。說明軸心處的va有利于氣體的排出。

圖4 不同入口處理量時截面Ⅰ處的軸向速度分布

不同入口處理量情況下，旋流器截面Ⅰ處的壓力降分布對比如圖5所示，可見當處理量增大時，壓力損失也隨之增大。但這種趨勢違背了節(jié)能的理念，因此選擇分離器的處理量時，要綜合考慮分離效率及壓力降等各方面因素。

綜合以上的模擬分析，在以下的幾個參數(shù)模擬研究中，采取處理量Qi=6.4m3/h不變，此時的底流的氣相體積分數(shù)相對不是較高，壓力損失也不大，分離效果較好。

3.2溢流分流比

固定處理量Qi=6.4m3/h，分別對溢流分流比Fo為34%、36%、38%、40%、42%進行模擬分析。

不同溢流分流比情況下，旋流器截面Ⅱ處的氣相體積分數(shù)Fvg分布對比如圖6所示，可以看出隨著溢流分流比的逐漸增大，側(cè)向出口附近的Fvg不變，體積分數(shù)幾乎為零；在底流口附近，隨著溢流分流比的逐漸增大，F(xiàn)vg逐漸減小。說明溢流分流比的增加，有利于氣相的分離。

圖6 不同溢流分流比時截面Ⅱ處的氣相體積分數(shù)分布

不同溢流分流比情況下，旋流器截面Ⅰ處的軸向速度va分布對比如圖7所示，可見隨著溢流分流比的增大，軸心附近的va略有所增大，有利于氣相的排出。

圖7 不同溢流分流比時截面Ⅰ處的軸向速度分布

不同溢流分流比情況下，旋流器截面Ⅰ處的壓力降分布對比如圖8所示，可以看出軸心附近的壓力降隨著溢流分流比的增大而逐漸增大的；而邊壁處的壓力降卻是稍有降低的。

圖8 不同溢流分流比時截面Ⅰ處的壓力降分布

綜合以上的模擬分析，采取溢流分流比Fo=40%，此時的底流的氣相體積分數(shù)較低、壓力損失較低，分離效果較好。

3.3側(cè)向分流比

固定處理量Qi=6.4m3/h、溢流分流比Fo=40%，分別對側(cè)向分流比Fs為2%、3%、4%、5%、6%進行模擬分析。

不同側(cè)向分流比情況下，旋流器截面Ⅱ處的固相體積分數(shù)Fvs分布對比如圖9所示。因為混合介質(zhì)含砂體積分數(shù)低，從圖中不能清晰地反映出固相分離效果，所以需繪制固相分離效率隨側(cè)向分流比的變化曲線。

分離效率曲線可以直觀地反映出分離器的分離性能。不同側(cè)向分流比情況下，旋流器截面Ⅱ處的固相分離效率分布對比如圖10所示，可見，固相分離效率隨側(cè)向分流比的增大逐漸增大，但是伴隨著側(cè)向流量的增大而發(fā)生的，而側(cè)向流量過大時對分離是不利的。所以除砂效率不能單純地根據(jù)除砂效率的變化來判斷，還需綜合考慮。

圖9 不同側(cè)向分流比時截面Ⅱ處的固相體積分數(shù)分布

圖10 不同側(cè)向分流比時截面Ⅱ處固相分離效率的分布

不同側(cè)向分流比情況下，旋流器截面Ⅱ處的壓力降分布對比如圖11所示，可見，當側(cè)向分流比發(fā)生變化時，壓力損失分布具有較強的規(guī)律性，側(cè)向壓力損失基本不變，在底流口附近，隨著側(cè)向分流比的增大，壓力損失逐漸增大。

圖11 不同側(cè)向分流比時截面Ⅱ處的壓力降分布

綜合以上的模擬分析：考慮除砂效率、壓力降分布和側(cè)向排出液流量的情況，將取側(cè)向分流比Fs=4%。

4 結(jié)束語

通過對軸流式脫氣除砂三相旋流器的模擬分析，處理量、分流比的適當增加有利于分離器的分離，但處理量、分流比過大或過小對分離效果都有所影響，處理量過大導(dǎo)致速度過大，速度過大會加劇粒子破碎，降低分離效率；處理量過小致使速度過小，速度過小旋流作用不充分，亦降低分離效率。最終確定分離器最佳操作參數(shù)，分別為Qi=6.4m3/h、Fo=40%、Fs=4%。

軸流式脫氣除砂旋流分離器縮小了分離器的徑向尺寸，該設(shè)備可應(yīng)用于石油、化工及市政環(huán)保等行業(yè)的不互溶三相介質(zhì)的離心分離處理，如污水脫氣除砂、污水脫油除砂處理等，亦可用于井下處理。對于氣-液-液分離器和液-液-固分離器的研究也提供了一個參考。

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OptimizationofOperationalParametersofThree-phaseHydrocycloneforAxialDegassingandDesanding

JIANG Ming-hu, LI Yong-shan, XU Bao-rui, ZHAO Li-xin

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

*國家“863”計劃課題(2012AA061303)和東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室開放課題(NEPU-EOR-2012-0014)。

**蔣明虎，男，1962年7月生，教授。黑龍江省大慶市，163318。

TQ051.8+4

A

0254-6094(2015)01-0068-05

2014-04-07，

2014-04-17)

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