螺旋增壓式串聯旋流器分離性能試驗研究

(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

水力旋流器因其設備體積小、分離高效、維修成本低等諸多優點，被廣泛應用于石油、化工、環保等多重領域[1-2]。在其應用過程中，為適應不同的分離介質以及工況，演變出了多種結構形式的旋流器。對處理量要求較高時，采用多組旋流單體并聯的方式，在保障處理精度的同時提高設備處理能力[3]。針對氣-液、固-液、液-液、氣-液-固等不同分離介質工況，研究人員設計出了合理的旋流分離結構，并取得了可觀的應用效果[4-6]。然而，隨著環保要求的不斷提升，對旋流分離這種非完全分離的物理方法的分離精度要求也逐漸升高。近幾年，兩級甚至多級串聯旋流器的研究及應用，因其可以在保障旋流單體處理量的同時，提高旋流分離精度受到廣泛關注[7]。趙傳偉等[8-9]提出了一種可用于井下油水分離的兩級串聯旋流器，并開展了模擬及試驗研究；李楓[10]等通過將兩根旋流單體通過管線串聯的方式，實現兩級旋流器的串聯，并開展現場試驗對其分離性能進行評估，得出串聯旋流器可大幅降低底流排出液的含油率的結論；王羕[11]提出了一種軸向進液形式的兩級串聯旋流器結構，并對其進行了結構優選及流場特性分析，模擬結果呈現出較好的分離效果。本文以螺旋增壓式串聯旋流器為研究對象，針對其分離性能及適用性開展數值模擬及試驗研究，對其分離性能及應用進行測試及評價，對螺旋增壓式串聯旋流器進一步的推廣應用起到一定的積極作用。

1 結構形式及參數

螺旋增壓式串聯旋流器的結構如圖1所示，由一級旋流器、二級旋流器以及過渡結構3部分組成。油水兩相流由入口軸向進入一級旋流分離器內部，經過螺旋增壓流道時，由軸向運動逐漸轉換成切向運動，形成旋轉流場，此時密度較輕的油相在離心的作用下向軸心運移，水相向邊壁運移；在內錐的作用下油相由溢流口排出，富水相由一級旋流器底流口運移至過渡結構后進入二級旋流器內部，實現二級的油水分離；最終水相由底流口排出，油相由二級旋流器溢流口排出，實現油水兩相的二次分離。

圖1 軸入式兩級串聯旋流器結構示意

一級旋流器結構及參數如圖2所示。二級旋流器結構及參數如圖3所示。螺旋增壓式串聯旋流器主要參數如表1。

圖2 一級旋流器結構及參數

圖3 二級旋流器結構及參數

表1 螺旋增壓式串聯旋流器主要參數

2 數值模擬

2.1 網格劃分

利用Gambit軟件創建流體域幾何模型，采用六面體網格對其進行劃分，如圖4所示。經網格獨立性檢驗后，選擇網格數為420 792時的流體域模型進行數值模擬。

圖4 幾何模型網格劃分

2.2 邊界條件

數值模擬的流體介質為油水混合液，其中水為連續相，密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 mPa·s；油為離散相，密度為889 kg/m3，黏度為1.06 mPa·s。入口邊界條件為速度入口(Velocity)，出口邊界條件為自由出口(Outflow)，含油體積分數為2%，處理量2.4～7.2 m3/h，分流比19%～34%。采用多相流混合模型(Mixture)計算油水兩相分布，選用壓力基準算法隱式求解器穩態求解，湍流計算模型為Reynolds應力方程模型(Reynolds stress model，RSM)，SIMPLEC算法用于進行速度壓力耦合，墻壁為無滑移邊界條件，動量、湍動能和湍流耗散率為二階迎風離散格式，收斂精度設為10-6，壁面為不可滲漏、無滑移邊界條件。

3 試驗設計

3.1 室內試驗

借助旋流器分離性能試驗臺，開展螺旋增壓式串聯旋流器分離性能室內試驗，對其分離效率及適用性進行評估，試驗流程如圖5所示。

圖5 室內試驗流程

試驗時，油水兩相分別置于水罐及油罐內，水相通過螺桿泵泵入試驗系統，油相通過油泵泵入，通過控制泵的轉速及閥門開度來控制進液量。油水兩相在靜態混合器內完成充分混合后，由旋流器入口進入樣機內，油相由溢流口排出樣機，水相經底流口排出裝置，油水兩相均進入廢液回收池內回收處理。其中入口及出口處均設有流量計及壓力表，通過讀取表中數值，確定入口進液量及分流比，并通過調整閥門開度，完成流量及分流比的控制。室內試驗過程中，處理量2.4～7.2 m3/h、分流比19%～34%。

3.2 現場試驗

為了進一步分析螺旋增壓式串聯旋流器對油田現場采出液的分離效果，在油井上開展分離性能測試。試驗工藝如圖6所示，主要由井口采油樹、工藝管匯及串聯旋流樣機3部分組成。工藝管匯由閥門、電磁流量計、壓力表、接樣閥及管線組成，用來連接旋流樣機及采油井口法蘭，并完成入口、溢流及底流液流量與壓力的計量及調節。旋流器入口連接井口油管，溢流口及底流口分別連接套管，完成采出液的計量、分離及回注。通過調節管匯中的閥門，控制旋流器的進液量及分流比。

圖6 現場試驗工藝

現場試驗連接方式如圖7所示，采出液進入旋流器分流后回注至油套環空。打開油管出口處閥門，使采出液進入試驗管匯內，調節旋流器入口閥門，控制入口流量、分流比與數值模擬參數相同，分別取樣，分析處理量及分流比對旋流樣機分離性能的影響。現場試驗過程中調整處理量為2.4～7.2 m3/h，分流比為19%～34%，分析該旋流器的分離效率變化情況。

圖7 現場樣機連接方式

4 試驗結果分析

4.1 數據處理

在室內試驗及現場試驗過程中，為了減少隨機誤差對結果準確性造成不良影響，每個操作參數下均取樣3組，并運用含油分析儀對入口、底流口及溢流口所接樣液的含油體積分數進行分別測量，取3組樣液含油體積分數的平均值作為最終結果，將結果帶入式(1)完成旋流器分離效率的計算。

(1)

4.2 處理量對分離性能的影響

數值模擬時，通過控制混合液在旋流器入口處的速度控制入口進液量，由式(2)計算出處理量分別為2.40、3.36、4.80、5.76、7.20 m3/h時旋流器入口處的速度值，以此來作為入口邊界條件。

Q=vi·A

(2)

模擬得到兩級旋流器內油相體積分數分布隨處理量的變化云圖如圖8所示。通過該云圖可以看出，在研究范圍內隨著入口進液量的逐漸升高，一級旋流器溢流口底部軸心位置油核位置油相體積分數逐漸增大。當處理量為2.4 m3/h時，一級旋流器最大油相體積分數為0.15，二級溢流出口截面油相體積分數為0.05。當處理量增大到7.2 m3/h時，一級旋流器最大油相體積分數達0.35，二級旋流器最大油相體積分數為0.25。在兩級分離過程中，一級旋流器對油相分離效果較為明顯，二級旋流器主要起到降低底流口含油的凈化作用。

圖8 處理量對油相體積分數分布影響

室內試驗及現場試驗得出，入口進液量在2.4～7.2 m3/h變化時，螺旋增壓式串聯旋流器的試驗效率與模擬效率對比如圖9所示。模擬結果顯示，隨著旋流器處理量的增大，分離效率呈指數型增長。處理量低于4.8 m3/h時，室內試驗結果與現場試驗結果均與模擬結果相一致，隨著入口進液量的增大，分離效率呈現出了上升趨勢。但當入口進液量大于4.8 m3/h時，室內試驗效率與現場試驗效率值均有所降低，進液量為4.8 m3/h時，達到了螺旋增壓串聯旋流器的效率最大值。其原因是數值模擬過程中忽略了液滴間的碰撞以及湍流作用對油滴的破碎，致使油品乳化的可能；而試驗時，隨著入口進液量的逐漸增大，旋流器內部湍流作用逐漸增強，致使油品乳化增大，分離難度增加從而使旋流器的分離效率降低。同時可以看出，在不同處理量時，室內試驗結果均較現場試驗效率略高，這是因為室內試驗時采用的是自來水與齒輪油的混合液，而在現場試驗時為油田采出液，采出液黏度較自來水略高，從而增大了旋流分離難度，致使分離效率較室內試驗值略低。

圖9 處理量對分離效率影響曲線

4.3 分流比對分離性能的影響

數值模擬過程中，設置溢流分流比分別為25%、30%、35%、40%、45%；室內試驗及現場試驗溢流分流比為25%～45%；固定旋流器入口進液量為最佳處理量4.8 m3/h。分流比對螺旋增壓式兩級串聯旋流器的分離效率的影響曲線如圖10所示。

圖10 分流比對分離效率的影響曲線

由圖10可以看出，無論是模擬值還是試驗值，隨著分流比的逐漸增大，旋流器的分離效率均呈現出了先升高后降低的趨勢，也就是說存在一個最佳的分流比值，使旋流器處于最佳的分離性能。試驗值及模擬值均在當分流比為32%時達到了分離效率的最大值，說明本文研究的螺旋增壓式串聯旋流器的最佳分流比為32%。試驗結果與模擬值呈現出較好的一致性。

5 結論

1) 室內試驗及現場試驗結果顯示，當處理量在2.4～7.2 m3/h變化時，隨著處理量的逐漸增大，螺旋增壓式串聯旋流器的分離效率先升高后降低，并在入口進液量為4.8 m3/h時達到效率最大值；繼續增加進液量會加重乳化，使分離效率有所降低。螺旋增壓式串聯旋流器的最佳處理量為4.8 m3/h，最佳分離效率為98.7%。

2) 隨著分流比的增大，分離效率的模擬值與試驗值均呈現出了先升高后降低的趨勢，并在分流比為32%時達到了分離效率的最大值。說明螺旋增壓式串聯旋流器的最佳溢流分流比為32%。