屈丹龍，李 毅

(1.中國石化油田事業(yè)部，北京 100728 2.山東省油田采出水處理及環(huán)境污染治理重點實驗室，中國石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026)

0 前言

水力旋流器是一種高效的油水分離設(shè)備，在油田采出水處理領(lǐng)域尤其在海上采油平臺得到了廣泛應(yīng)用，埕島油田某海上平臺采用水力旋流器對三相分離器分出采出水進行油水分離，除油率在40%～50%之間。為了提高水力旋流器除油率，本文進行了旋流管優(yōu)化設(shè)計與仿真研究。

影響旋流管油水分離效率的因素主要分為外部工況因素和內(nèi)部旋流管結(jié)構(gòu)因素，其中外部工況因素主要有油滴粒徑、溫度、油水密度差、黏度等[1-3]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素主要為旋流管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸、錐角、入口形式等[4-6]。埕島油田某海上平臺水力旋流器內(nèi)旋流管為4段式結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能不同分別為旋流腔、大錐段、小錐段和平尾段(見圖1)。油水混合液在壓力作用下自進水口高速切向進入旋流腔，在旋流腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的流體，入口形式是影響旋流管的流場分布及壓力損失的重要因素[7]。錐角是影響旋流管內(nèi)流場分布、動量矩及分離效率的重要因素[8，9]。

圖1 旋流管結(jié)構(gòu)示意

本文在對入口形式初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對錐角和入口形式進行優(yōu)化，并通過FLUENT軟件對該平臺的旋流管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計與仿真。

1 基礎(chǔ)資料

1.1 水質(zhì)資料

埕島油田某海上平臺三相分離器分出采出水溫度：55 ℃，油品密度：0.919 g/cm3，水中含油量：200～400 mg/L，懸浮固體含量：35 mg/L。

1.2 旋流管尺寸

初始旋流管各部分內(nèi)徑、長度尺寸見表1，另外，大錐角25°，小錐角2°。

2 CFD模型建立

2.1 邊界條件(表2)

表1 初始旋流管結(jié)構(gòu)尺寸 mm

表2 邊界條件參數(shù)

2.2 多相流模型

選擇“Euler-Mixture”模型計算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 初始旋流管仿真與分析

首先對初始旋流管進行建模及流態(tài)模擬計算。根據(jù)旋流管內(nèi)徑檢測結(jié)果建立旋流管三維模型，對模型進行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為50萬。

3.1.1旋流管內(nèi)流場速度矢量

速度矢量指標可以用來指示流場內(nèi)流體的流動方向以及速度大小，能夠直觀地判斷流態(tài)的變化情況，由圖2可以看出，在大錐段中部截面處，局部速度矢量方向明顯出現(xiàn)不規(guī)則偏流，表明局部流態(tài)已發(fā)生變化。這可能是由于在縮頸過程中，軸向方向上局部產(chǎn)生了不均勻的回壓，造成局部流態(tài)的紊亂。

3.1.2旋流管內(nèi)流場靜壓力分布

進水口橫截面靜壓分布情況見圖3，靜壓渦核中心與速度矢量中心同樣偏向于管體幾何中心的右側(cè)，分析可能是由流場中局部壓力不均勻所導(dǎo)致。

3.1.3旋流管內(nèi)流體軌跡線追蹤

流體軌跡線指標能夠直觀地顯示出旋流管內(nèi)流體質(zhì)子的運動軌跡情況。如圖4所示，整個截面流場呈現(xiàn)出明顯的旋流狀態(tài)，但旋渦中心點偏離了旋流管的幾何中心。

圖2 初始尺寸旋流管大錐段截面速度矢量

圖3 初始尺寸旋流管進水口截面靜壓力分布

圖4 初始尺寸旋流管進水口截面流體軌跡分布

3.2 大錐角優(yōu)化仿真結(jié)果及分析

設(shè)計模型將旋流管旋流腔和大錐段長度延長，錐角縮小至15°，并通過模擬分析考察調(diào)整尺寸后旋流管的運行工況。

3.2.1旋流管內(nèi)流場速度矢量

由圖5可以看出，調(diào)整錐角后，局部流態(tài)紊亂的現(xiàn)象得到明顯改善，在大錐段中部截面處，流場仍處于明顯的旋流狀態(tài)，并沒有發(fā)生明顯的偏流現(xiàn)象。

圖5 調(diào)整錐角后旋流管大錐段截面速度矢量

3.2.2旋流管內(nèi)流場靜壓力分布

由圖6可以看出，旋流管內(nèi)壓力分布基本均勻，靜壓渦核中心與旋流管體幾何中心基本保持一致。

圖6 調(diào)整錐角后旋流管進水口截面靜壓力分布

3.2.3旋流管內(nèi)流場軌跡線追蹤

由圖7可以看出，調(diào)整錐角后，整個截面流場呈現(xiàn)出明顯的旋流狀態(tài)，而且旋渦中心點與旋流管的幾何中心軸線基本保持一致。

3.3 入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真結(jié)果與分析

在旋流管外徑相同的情況下，阿基米德螺線形入口導(dǎo)流能力強，可使混合液獲得更長的流道，在旋流腔內(nèi)形成穩(wěn)定、有序的旋流流場，降低液滴剪切破碎的可能性[4]。前期將旋流管設(shè)計為阿基米德螺線形雙入口獲得了良好的模擬效果[10]，本次同樣設(shè)計為阿基米德螺線形雙入口，考察入口形式和錐角的疊加效果。

圖7 調(diào)整錐角后旋流管進水口截面流體軌跡分布

3.3.1入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化速度矢量分布

由圖8可以看出，經(jīng)大錐角和入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，旋流管內(nèi)呈明顯的旋流速度分布，流態(tài)較理想。

圖8 旋流器中間截面的速度分布矢量

3.3.2入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓力分布

由旋流管頂部橫截面壓力云(圖9)可看出，旋流管內(nèi)壓力自外壁向中心軸線呈逐漸降低的環(huán)狀梯度分布，旋流管內(nèi)壓力隨著流場流線遞減，壓力分布合理。

3.3.3入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化油相濃度分布

旋流管橫截面油相濃度分布如圖10顯示，油相濃度分布與壓力梯度分布具有一定的相關(guān)性，旋流管內(nèi)油相濃度自中心向外壁逐漸降低，靠近管壁處油相濃度較低，靠近中心軸線油相濃度最高。

圖9 中間截面的壓力分布云圖

圖10 旋流管內(nèi)油相濃度分布

在獲得了油相濃度分布差異后，通過設(shè)置在旋流管頂部中心的出油管排出濃度較高的油相混合液，從而得到良好的油水分離效果。

4 結(jié)論

a) 埕島油田某海上平臺水力旋流器旋流管內(nèi)壓力分布不均、流場紊亂、離心力不強，造成水力旋流器除油效果不理想。

b) 旋流管優(yōu)化設(shè)計后將大錐角由原來的25°調(diào)整為15°，入口形式由單切向入口調(diào)整為阿基米德螺旋線雙入口，旋流管內(nèi)部流場、速度、壓力更為合理，離心力強、穩(wěn)定性好、渦流區(qū)域少，油水分離效果得到提升。