操作參數(shù)對脫水型旋流器性能的影響*

李楓 肖廣闊 馬志權(quán) 丁康玉

1東北石油大學(xué)2大慶油田采油十廠3大慶油田采油工程研究院4大慶油田井下作業(yè)分公司

操作參數(shù)對脫水型旋流器性能的影響*

李楓1肖廣闊2馬志權(quán)3丁康玉4

1東北石油大學(xué)2大慶油田采油十廠3大慶油田采油工程研究院4大慶油田井下作業(yè)分公司

脫水型旋流器工作時(shí)，油水混合液由切向入口進(jìn)入，因一定壓力的作用，在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流。應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT，對特定結(jié)構(gòu)的含油體積分?jǐn)?shù)為40%的脫水型旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究操作參數(shù)對脫水型旋流器的分離性能的影響。在一定流量下，隨溢流分流比的增加，旋流器的脫水率降低，脫油率提高，底流壓力損失增大，最佳分流比取決于具體需要。分流比一定時(shí)，隨入口流量的增加，底流壓力損失增大，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。

脫水型旋流器；溢流分流比；入口流量；分離效率；壓力降

脫水型油水分離旋流器是石油行業(yè)以及油類脫水等作業(yè)所迫切需要的一種高效價(jià)廉的分離設(shè)備，適用于油水混合液的含油體積分?jǐn)?shù)較高的情況[1]。增加分離效率、減小壓力損失是其最基本也是最重要的發(fā)展方向。而操作參數(shù)對脫水型旋流器的分離性能有著重要的影響，對其進(jìn)行研究，具有一定的科學(xué)實(shí)用價(jià)值。

1 脫水型旋流器的結(jié)構(gòu)原理

（1）結(jié)構(gòu)。脫水型水力旋流器由入口、溢流管、旋流腔、大錐段、小錐段及底流管各組件緊閉相連形成旋流器整體，在旋流腔的下方有兩個(gè)圓錐段，錐角分別為α和θ，且比脫油型水力旋流器中的數(shù)值要大。它與脫油型水力旋流器的區(qū)別是底流管很短或沒有，因此長度大大縮短。

（2）工作原理。脫水型旋流器工作時(shí)，油水混合液由切向入口進(jìn)入，因一定壓力的作用，在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流。在液流沿設(shè)備下行的過程中，由于離心力的作用，密度較大的水相被甩至器壁，而密度較小的油相則被擠至中心處。這樣，油從頂部的溢流管排出，水從底流管排除，從而實(shí)現(xiàn)油和水的旋流分離。

2 方案設(shè)計(jì)

盡管水力旋流器的結(jié)構(gòu)相對簡單，但其內(nèi)部流場卻十分復(fù)雜，影響其分離效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)也很多。由于數(shù)值模擬對現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，在其實(shí)際工況數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT，對特定結(jié)構(gòu)的含油體積分?jǐn)?shù)為40%的脫水型旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究操作參數(shù)對脫水型旋流器的分離性能的影響。通過改變旋流器的分流比和入口流量，得到分離效率和壓力降的變化規(guī)律。

通過前期的優(yōu)化工作，得到一組結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為脫水型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：旋流腔直徑D1=46mm，底流管長度L3=0，小錐段錐角θ=4.5°，大錐段錐角α=30°，溢流管直徑Du=8mm，溢流管伸入長度Lu=20mm，入口截面尺寸A為4.3×13mm2。

（1）改變溢流分流比。將入口流量固定在Qi= 4m3/h，依次改變分流比，從35%到55%（間隔為5%），分析分流比對分離效率及壓力降的影響。

（2）改變?nèi)肟诹髁俊⒁缌鞣至鞅裙潭ㄔ谥按_定的最佳分流比上，依次改變?nèi)肟诹髁浚瑥?.2m3/h到6.4m3/h（間隔為0.8m3/h），分析入口流量對分離效率及壓力降的影響。

3 物性參數(shù)及模型建立

（1）介質(zhì)物性參數(shù)。模擬計(jì)算中所取介質(zhì)的物性參數(shù)為：油的密度0.889×103kg/m3，動(dòng)力黏度100mPa·s（脫油型旋流器處理的混合液黏度一般小于20mPa·s）；水的密度0.9982×103kg/m3，動(dòng)力黏度1.003mPa·s。

（2）計(jì)算域網(wǎng)格生成及邊界條件設(shè)置。模型采用規(guī)格網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為10萬，并對旋流器入口、出口的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，來增加計(jì)算精度。本模擬湍流模型選取雷諾應(yīng)力模型（RSM），計(jì)算中利用多相流模型，方程中對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力—速度耦合使用SIMPLEC算法。在FLUENT計(jì)算中，邊界條件設(shè)置如下：入口油相體積分?jǐn)?shù)為40%，溢流分流比按實(shí)驗(yàn)方案變化；入口法向速度分量按實(shí)驗(yàn)方案中入口流量變化，其他兩個(gè)方向速度分量為零；溢流口和底流口設(shè)定為自由出流。

4 操作參數(shù)的影響

水力旋流器在實(shí)際應(yīng)用中，一般關(guān)心分離效率和壓力損失兩個(gè)指標(biāo)，增加分離效率、減小壓力損失是研究旋流器最基本、最重要的方向[2]。脫水型旋流器的分離效率分為溢流的脫水率和底流的脫油率。在數(shù)值模擬中，含油體積分?jǐn)?shù)由FLUENT軟件中的各相質(zhì)量流率（MassFlowRate）報(bào)告換算得到。提高脫水率可在溢流口處得到較高濃度的油相；而提高脫油率可以降低底流水相中油的濃度，即增加底流水相的純凈度。

（1）溢流分流比的影響。從圖1可以看出，將入口流量固定在Qi=4m3/h，隨著溢流分流比的增加，旋流器的脫水率減小，脫油率增加。溢流分流比在50%時(shí)，從兩方面綜合來看，分離效率最高。這是因?yàn)殡S著溢流分流比的增大，從溢流排出的流量增大，部分油水混合液未完全分離即由溢流口排出，溢流的含水量增加，使脫水率降低；溢流流量增大的同時(shí)，底流流量減小，脫油率增加。底流壓力降隨著溢流分流比的增加而增加。

圖1 入口流量一定時(shí)的分離效率曲線

（2）入口流量的影響。入口流量是旋流器最為重要的一個(gè)操作參數(shù)，它不僅直接決定了旋流器的處理量，而且影響著旋流器內(nèi)部的湍流程度和停留時(shí)間，同時(shí)它也是旋流器壓力降重要組成要素[3]。從溢流分流比一定時(shí)的分離效率曲線可看出，溢流分流比固定在最佳分流比50%時(shí)，隨著入口流量的增加，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。入口流量在4m3/h時(shí)，綜合分離效率最高。從溢流分流比一定時(shí)的底流壓力降曲線看出，隨著入口流量的增加，底流壓力降增加。在入口截面不變情況下，入口流量的變化會(huì)引起入口液流速度的改變。入口液流速度過小會(huì)導(dǎo)致分離過程所需的離心力較小，分離效率降低；入口液流速度過大，液滴由于剪切作用而發(fā)生的分裂也隨之增多，而且由于水滴的表面張力比油滴小，也會(huì)使分離效率下降。

5 結(jié)語

（1）在一定流量下，隨溢流分流比的增加，旋流器的脫水率降低，脫油率提高，底流壓力損失增大，最佳分流比取決于具體需要。

（2）分流比一定時(shí)，隨入口流量的增加，底流壓力損失增大，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。

（3）本次研究脫水型旋流器的研究結(jié)果對脫水型旋流器的設(shè)計(jì)和流場分析提供一定理論依據(jù)。

[1]褚良銀，劉培坤．除水型油水分離旋流器試驗(yàn)研究[J]．石油機(jī)械，1998，26（8）：10-14.

[2]賀杰，劉安生．水力旋流器用于高含油油水混合液分離的試驗(yàn)[J]．石油機(jī)械，1996，24（5）：22-25.

[3]白志山，汪華林．油脫水型水力旋流器壓力特性和分離性能[J]．華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（4）：488-491.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.016