王月文 趙立新 徐保蕊 蔣明虎 王 圓

(東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院)

一種旋流除砂裝置的數(shù)值模擬研究

王月文 趙立新 徐保蕊 蔣明虎 王 圓

(東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院)

介紹了油田采出液成分，闡明了采出液除砂的必要性，結(jié)合旋流分離技術(shù)與重力沉降技術(shù)，設(shè)計了一種底流封閉的單出口旋流除砂結(jié)構(gòu)。利用計算流體動力學(xué)軟件Fluent，計算旋流除砂器的內(nèi)部流場，得到了相應(yīng)的壓力損失分布云圖和砂相分布云圖，通過對旋流除砂裝置內(nèi)部的旋流分離和重力沉降的模擬分析，為旋流器和儲砂箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)選提供了設(shè)計依據(jù)。

旋流分離 重力沉降 除砂 數(shù)值模擬

原油開采過程中，采出的原油、油田含油污水、冶金和機械加工制造業(yè)含油廢水成分復(fù)雜[1]，且各不相同，但一般含有原油、懸浮固體顆粒(砂、粘土等)、鹽類及氣體(甲烷、氧及二氧化碳等)等[2～4]。原油開采時，相當(dāng)大一部分砂礫隨著采出液帶出地面，給整個集輸系統(tǒng)帶來一系列的問題，主要表現(xiàn)在：砂礫在管道和設(shè)備中沉積，降低其處理能力，甚至堵塞管道和工藝設(shè)備；采出液攜砂引起輸油泵磨損，加劇管道、閥門及容器的腐蝕等[5]。因此，開展原油的除砂工藝技術(shù)研究對生產(chǎn)現(xiàn)場具有重要意義[6～8]。

旋流分離技術(shù)是指在離心力的作用下對密度不同的介質(zhì)進行分離[9]。水力旋流器因具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、經(jīng)濟適用及易于維護等多方面的優(yōu)點[10]，在石油工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，幾乎涉及所有分離領(lǐng)域，特別是在固液分離過程中顯得尤為重要[11～13]。重力沉降是利用固液兩相的密度差在重力場中進行固液分離的過程[14]。重力沉降由于操作管理方便、對處理液要求不高等原因，是目前應(yīng)用最廣泛的分離方法之一[15]。沉降技術(shù)應(yīng)用的范圍較廣，這是因為它用較少的金屬構(gòu)件，就能處理高水流速率，而且溢流能達到較高的澄清度[16～19]。

1 工作原理

筆者設(shè)計的旋流除砂結(jié)構(gòu)由兩部分組成，上半部分為常規(guī)固液水力旋流器，下半部分為一個儲砂箱。固液水力旋流器由柱段和錐段兩部分組成，混合液經(jīng)入口管沿切向進入柱段，向下做螺旋運動，密度相對較大的固相顆粒在離心力的作用下具有向旋流器壁旋轉(zhuǎn)的趨勢，密度較小的油、水和氣的混合液向中心移動，固相顆粒由于受到較大的離心力作用，向旋流器壁面運動并隨外旋流從旋流器底部排出形成底流，密度最小的氣相則向中心移動，大部分的油水氣混合液從溢流口排出，而余下的大部分固相和一部分液相會進入儲砂箱內(nèi)進行重力沉降，沉降后的固相由排砂口定期排放，較輕的液相和少量的氣體則從排液口排出，進入下一級工序。

2 數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格劃分

圖1為旋流除砂裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。旋流器主直徑80mm，旋流腔長100mm，錐段長700mm，切向入口為4mm×12mm的矩形截面，溢流管直徑20mm，砂相主直徑120mm，高度為600mm，排液口為10mm×15mm的矩形截面，排砂口為φ16mm圓管。排砂口和排液口定期開閉，故在數(shù)值模擬過程中是封閉的。

圖1 旋流除砂裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性具有絕對的影響[20，21]。按高質(zhì)量網(wǎng)格的要求，對旋流除砂器進行了網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示的網(wǎng)格示意圖，共分398 532個節(jié)點，396 168個網(wǎng)格。

圖2 流體域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

2.2 物性參數(shù)及邊界條件

該裝置主要用于除砂，入口混合液主要成分是氣、水、油和砂，在進行數(shù)值模擬時，介質(zhì)的物性參數(shù)見表1。

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

在Fluent模擬計算中初始邊界條件設(shè)置如下：

a. 旋流器采用速度入口，入口速度為10m/s(處理量為4m3/h)；

b. 入口氣相體積分數(shù)為30%，油相體積分數(shù)6%，砂相體積分數(shù)5%；

c. 此裝置為雙入口單出口形式，溢流出口為自由出口；

d. 側(cè)壁面取無滑移條件，采用壁面函數(shù)方法處理近壁網(wǎng)格節(jié)點處的未知量。

2.3 湍流模型的選取及相關(guān)設(shè)置

旋流除砂器的主要分離原理包括旋流分離和沉降分離，但主分離部分仍是旋流分離。在旋流分離段為強旋湍流流動，因此針對除砂器整體需建立湍流的數(shù)值計算模型。對于湍流流動，需采用平均的方法對湍流控制方程進行處理，目前常用的湍流處理方法為Reynolds 平均法[22～24]。筆者采用 RSM 模型對雷諾應(yīng)力進行處理，該模型充分考慮了流體旋轉(zhuǎn)和流線彎曲所帶來的應(yīng)力張量的急劇變化，非常適合模擬類似旋流除砂器之類帶有高速旋轉(zhuǎn)流動的復(fù)雜流場[25，26]。相關(guān)設(shè)置如下：

壁面邊界條件 無滑移

壓力速度耦合算法 SIMPLE

壓力插值方法 PRESTO!

離散化方法 first order upwind

3 模擬結(jié)果分析

3.1 流場壓力損失對比分析

壓力降是衡量分離設(shè)備能量消耗大小的重要指標(biāo)[27]，如圖3所示，在溢流口打開的條件下，依次為只開排砂口、開排砂口和側(cè)向排液口兩種情況下的壓力損失分布云圖。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下最大的差別就是在開側(cè)向排液口的情況下，該處壓力損失最大，壓力損失為45kPa，其余位置差異較小。

3.2 砂相體積分數(shù)分析

3.2.1 不開口情況下底部排砂口的砂相分布

為了更明顯地看到砂相的沉降過程，在數(shù)值模擬過程中將砂相的體積分數(shù)增加到28%。圖4為旋流除砂器縱剖面的砂相體積分數(shù)分布云圖，從圖中可以看出當(dāng)混合液由切向入口進入除砂器后經(jīng)錐段加速，砂相在離心力作用下實現(xiàn)了分離，分離后砂相主要集聚在外壁，而液相分布在管中心處。分離出的砂繼續(xù)下行，進入沉砂尾管后，經(jīng)重力沉降，沉入砂箱底部，而大部分液相則從溢流口排出。從圖中可清晰地看到從10～30s過程中砂相的沉降過程，另外可以發(fā)現(xiàn)在砂箱中心處仍有一定強度的旋流運動，距儲砂箱底部越近，旋流運動越弱。砂相的分布說明該除砂器結(jié)構(gòu)能夠有效實現(xiàn)液砂的分離。

圖3 不同開口情況下的壓力損失分布云圖

3.2.2 不同開口情況下的砂相分布對比

為了了解該旋流裝置在連續(xù)運轉(zhuǎn)下的運動規(guī)律，對不同開口情況下的砂相分布進行研究。如圖5所示，依次為不開排砂口、只開排砂口、開排砂口和側(cè)向排液口3種情況下砂相的體積分數(shù)分布云圖，比較發(fā)現(xiàn)，隨著開口數(shù)量的逐漸增多，重力沉降的效果在逐漸減弱，旋流分離的效果在開口情況下更加明顯；3種情況下的最大砂相體積分數(shù)分別為100%、85%和42%，這是因為在開口情況下，沒有了底部沉降的效果，而由于開側(cè)向排液口時，有一部分較小顆粒的砂也會從側(cè)向排液口流出，從而導(dǎo)致只開排砂口的情況比開排砂口和側(cè)向排液口情況下的最大砂相體積分數(shù)要大。

圖4 不同時間步長下砂相體積分數(shù)分布云圖

圖5 不同開口情況下的砂相體積分數(shù)分布云圖

3.2.3 開口情況下不同截面砂相體積分數(shù)對比

圖6為開口情況下不同截面處砂相的體積分數(shù)分布云圖，截面在由上到下的漸變過程中，內(nèi)部的流場比較對稱，截面從旋流腔的-50mm漸變到旋流器錐段底部的-700mm處的過程中可以發(fā)現(xiàn)砂相在邊壁處的體積分數(shù)在逐漸增大，達到了旋流分離的目的；從儲砂箱頂部-850mm到儲砂箱底部-1 400mm的過程中，砂相的體積分數(shù)也在逐漸增加，在靠近邊壁處砂相的體積分數(shù)相對較大。

圖6 不同截面下砂相體積分數(shù)分布云圖

3.3 開口情況下不同固相粒徑下的軌跡對比

為了更好地分析該裝置的除砂效果，分別進行了5、10、15、20μm 4種粒徑下的顆粒運動軌跡模擬，圖7所示是從旋流器入口同一位置入射的4種不同粒徑大小的粒子軌跡示意圖，并以固相體積分數(shù)進行標(biāo)識。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑為5μm時，一部分顆粒從溢流口流出，而隨著粒徑的增加，10、15、20μm的粒徑都沒有從溢流口流出；但4種粒徑下都有顆粒從側(cè)向排液口流出，而且粒子軌跡極不規(guī)則，這可能是由于在該區(qū)域流場比較紊亂所致，但這種現(xiàn)象在實際中可以通過關(guān)閉側(cè)向排液口來避免；另外隨著粒徑的增加，從側(cè)向排液口排出的粒子逐漸減少，而垂直落下的粒子數(shù)量在逐漸增加。

圖7 不同固相粒徑下的運動軌跡

3.4 開口情況下不同截面的切向速度對比

切向速度反映流體在旋流器內(nèi)旋轉(zhuǎn)的快慢，決定離心力大小，從而影響顆粒的分離[28,29]。圖8為4個不同截面的切向速度對比圖，在z=-50mm和z=-200mm時，符合旋流器內(nèi)的基本規(guī)律，而在z=-850mm、z=-1300mm時，切向速度已很小，而且在砂相半徑40～60mm這一環(huán)形區(qū)域切向速度幾乎為零，在中心還有一定強度的旋轉(zhuǎn)運動，但已經(jīng)明顯減弱，而且流場比較紊亂，已經(jīng)失去對稱關(guān)系，這也從側(cè)面說明了在砂箱內(nèi)部粒子不規(guī)則運動的現(xiàn)象。

圖8 不同截面的切向速度對比

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果云圖分析，該旋流除砂裝置的壓力損失隨著軸向位置由上到下的變化，壓力損失在逐漸增加，而在同時開排砂口和側(cè)向排液口的情況下，側(cè)向排液口的壓力損失最大，壓力損失為45kPa。

4.2 通過比較開口和不開口情況下砂相體積分數(shù)云圖，在旋流器錐段z=-700mm處，開口情況下壁面處砂相的最大體積分數(shù)為37%，在不開口的情況下壁面砂相的最大體積分數(shù)為15%。開口情況下旋流分離的效果更好；而在儲砂箱底部z=-1400mm處，開口情況下砂相的最大體積分數(shù)為42%。

4.3 通過比較4種不同粒徑的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的增大，從底部排砂口流出的粒子逐漸增多，利于分離；另外在砂相上半部分內(nèi)部流場比較紊亂，而且有一部分粒子從側(cè)向排液口流出，這為砂相結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化提供了一定的依據(jù)，今后從理論、實驗等方面對此旋流器進行系統(tǒng)深入的分析研究。

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NumericalSimulationStudyofCycloneDesander

WANG Yue-wen, ZHAO Li-xin, XU Bao-rui, JIANG Ming-hu, WANG Yuan
(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

The composition of produced liquid in the oil field was introduced and the necessity of desanding it was illustrated. Through having cyclone separation technology and gravitational sedimentation technique considered, a type of cyclone desander was designed which has a closed bottom flow and single exit. Making use of Fluent software to calculate internal flow field of the cyclone desander, both initial cloud image of pressure loss and sand distributions were obtained. Simulating and analyzing internal cyclone separation and gravitational sedimentation within the cyclone desander can provided a design basis for optimizing the cyclone and sand box structure.

cyclone separation, gravitational sedimentation, desanding, numerical simulation

國家“863”計劃課題(2012AA061303)。

王月文(1991-)，碩士研究生，從事旋流分離技術(shù)研究。

聯(lián)系人趙立新(1972-)，教授，從事旋流分離技術(shù)、流體機械和工程技術(shù)研究，lx_zhao@126.com。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)03-0334-06

2016-07-14，

2016-12-19)

(Continued from Page 321)

(1.CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,LanzhouInstituteofTechnology;2.LanzhouSpaceTechnologyInstituteofPhysics; 3.XinjiangShenhuoCoalPowerCo.,Ltd.)

AbstractThe cooling assembly for the rubidium-bubble control process was introduced where a 2-way cooling circulation system was adopted in the circulation cooling system and its cooling core has porous channel cooling adopted to increase cooling areas, including making use of position-regulating mechanism to have rubidium-bubble contacted with ZnO medium so that the quantitative rubidium stored in glass integrator can deposit in rubidium bubbles. This tooling equipment can improve the qualified rate of rubidium-bubble product because of its compact structure and stable operation.

Keywordsrubidium-bubble filling, rubidium control, position regulating, cooling assembly