基于CFD-PBM的前置式脫氣泵性能研究*

2022-07-12 03:58:22張毅熊子杰楊強熊思陽鐘思鵬

石油機械 2022年7期

張毅熊子杰楊強熊思陽鐘思鵬

(1.西南石油大學機電工程學院 2.石油天然氣裝備技術四川省科技資源共享服務平臺)

0 引言

聚合物驅已成為提高油藏采收率比較成熟的三次采油技術，在陸上油田得到了廣泛應用[1-4]。但在化學驅試驗過程中發現聚合物溶液中存在氣泡，導致注入壓力偏高，以及聚合物降解、地面設備管道和地下管柱腐蝕等問題。因此迫切需要一種氣液分離裝置，能夠將懸浮或者溶解于聚合物水溶液中的氣體高效脫除。

旋流分離器能夠產生高達幾百倍于重力加速度的離心加速度，能夠高效分離不同密度的介質，且效果優異[5]。為獲得良好的分離性能，國內外學者主要通過試驗和仿真分析等手段對旋流器等分離裝置的氣液分離過程進行結構改進。ZHU Y.F.等[6]通過試驗發現，增加旋流器的旋風筒筒體高度和減小出口管長度會提高分離效率且降低壓力損失；S.OBERMAIR等[7]、褚良銀等[8]及ZHAO L.X.等[9]認為在旋流器底部增加內錐結構可以為相分離提供更穩定的流場，有利于徑向分離的氣體聚集和成長為更大的氣泡，從而提高氣液分離性能；張富成等[10]、梁雪琪等[11]應用Fluent軟件對帶有導流葉片的旋流器進行了流場分析，結果表明，合理的導流葉片會顯著提高分離效率；宋玥[12]結合DPM模型對旋流器進行固液兩相流場的數值模擬計算，分析了離散相顆粒濃度和粒徑對分離性能的影響并對結構進行了優化改進。但上述離心分離裝置均沒有考慮到分離后的流體運輸，且對高黏度流體的氣泡分離研究較少。

本文針對渤海油田化學驅配液除氣保黏的工藝過程，提出一種前置式脫氣泵裝置，該裝置能夠脫除聚合物母液中的氣體，并將脫氣后的溶液輸送去進行下一步工藝。采用Fluent軟件對脫氣泵內流場進行兩相流數值模擬，并探究了脫氣泵的轉速、抽氣壓力及流量參數對脫氣性能的影響，在此基礎上，運用Box-Behnken法設計正交試驗組，生成響應面模型(RSM)，評估了在工況參數(轉速、抽氣壓力及流量)交互作用下對脫氣泵脫氣性能的影響，并在因素高低水平之間尋優，找到最大脫氣率下的工作參數組合。

1 前置式脫氣泵工作原理

前置式脫氣泵模型如圖1所示。

圖1 前置式脫氣泵模型Fig.1 Model of front degassing pump

工作時，溶液由入口進入脫氣泵內，經導流錐流入轉轂流域，轉轂的轉動帶動聚合物混合液在脫氣泵內旋轉，由于混合物內液相和氣相密度不同，在離心力作用下分層，密度較小的氣相在轉轂中心區域形成氣核，密度較大的液相在泵壁形成液環。氣體通過外接抽氣泵從抽氣口排出，轉轂與葉輪同軸轉動，液相經葉輪增壓后從排液口排出。相較于傳統的脫氣裝置，前置式氣液分離機構在運行過程中在轉轂中心區域會形成負壓區，該區域的穩定存在有利于脫除溶解于液體中的氣體，高效實現分離性能的同時還可運輸流體[13]。

2 脫氣泵流體分析模型

2.1 流體力學基本方程的建立

在脫氣泵內，液相流體介質可視為等溫、不可壓縮流體，不涉及熱效應，故只考慮質量守恒及動量守恒[14]，則有：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為i方向上的速度分量，m/s。

(2)

2.2 群體平衡方法

由于氣液分離裝置中分散相氣泡的破碎與聚集會影響其分離效率，在氣液兩相體系中，越來越多的學者結合群平衡方法進行流場分析。

對于氣液兩相流，群平衡模型為：

(3)

式中：V′為原氣泡體積，V為子氣泡體積同，n(V，t)為體積為V的氣泡數目密度函數，a(V，V′)為氣泡聚并速率，β(V|V′)表示體積為V′的氣泡破裂成體積為V及其他子氣泡尺寸的分布函數[15]，Gv為基于固相顆粒體積的增長速率，g(V′)、g(V)分別為原氣泡和子氣泡體積的破碎速率函數。

2.3 流域及網格劃分

利用Fluent軟件對脫氣泵內流場進行數值模擬，以探究離心泵內流場運動規律及脫氣效率。脫氣泵整體計算流域如圖2所示。脫氣泵內部流道共分為4個部分，分別是入口流道、抽氣流道、轉轂及葉輪流道以及蝸殼流道。考慮到脫氣泵轉轂流域及葉輪流域結構復雜，采用非結構四面體網格劃分，網格數535 872，節點數109 947。由于氣相主要集中在轉轂中心區域，所以考慮在數值模擬計算中采用Eulerian多相流模型，且在脫氣泵內流場時旋轉，湍流模型采用RNG模型[16-17]。入口邊界條件為速度入口，抽氣口及排液口均采用壓力出口，選用壓力基準算法隱式求解器求解，壓力-速度耦合選用Couple算法，壁面邊界條件為壁面不可滲漏，無滑移條件，殘差精度1×10-4。

圖2 脫氣泵計算流域Fig.2 Calculation watershed of degassing pump

2.4 脫氣泵初始模型分析結果

氣泡直徑在軸向截面的分布情況如圖3所示。氣泡在入口管處由于沿程壓力損失迅速聚并，在前置管中氣泡直徑擴大到約3 mm，進入脫氣轉轂流域后，氣泡在強旋的流場中破碎，在轉轂葉片附近的氣泡直徑約0.8 mm。由于流場旋轉，在脫氣轉轂中心形成低壓區，在離心力以及負壓的作用下氣泡從聚合物溶液中分離，在轉轂中心匯聚，從圖3可以看到，此處的氣泡直徑膨脹到1.6 mm左右。經計算，該泵脫氣率達到74.12%，揚程約15.5 m，計算結果如圖4所示。為了保證計算精度及節省計算機資源，在后續的計算中一律取氣泡直徑大小為0.8 mm。

圖3 脫氣泵軸向截面氣泡直徑分布Fig.3 Bubble diameter distribution in axial section of degassing pump

圖4 脫氣泵相分布及壓力分布Fig.4 Phase distribution and pressure distribution in degassing pump

3 前置式脫氣泵性能研究

為了探究脫氣泵合適的操作參數，本文重點研究了離心泵的流量、抽氣壓力、轉速及聚合物溶液黏度對脫氣效果、液體夾帶率的影響。聚合物溶液密度1 200 kg/m3、黏度0.275 6 Pa·s[15]，氣泡直徑0.8 mm，轉速2 700 r/min，入口流量70 m3/h，抽氣壓力80 000 Pa，通過單個參數的改變分別探討其對脫氣效果以及液體夾帶率的影響。其中，液體夾帶率指抽氣口溶液體積分數，脫氣效果可用脫氣率ηα來量化，如式(4)所示。

(4)

式中：αa、αb分別為脫氣泵液相入口和出口的含氣體積分數。

3.1 流量對脫氣泵的影響

入口流量對脫氣率以及液體夾帶率的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著流量的增加，脫氣率及液體夾帶率呈上升趨勢。這表明此脫氣泵在大流量工況下依然能夠保持較好的脫氣性能，在流量達到75 m3/h后，脫氣率增長趨勢放緩，脫氣率維持在74.6%左右，但流量的增加會導致抽氣口液體夾帶率的增加。

圖5 流量對脫氣泵的影響Fig.5 Influence of flow rate on degassing pump

脫氣泵內流場壓力分布如圖6所示。由圖6可知，隨著處理量的增大，泵內部的壓力隨之增大，在80 m3/h時絕對壓力達到了80 000 Pa左右，不利于溶解于聚合物溶液的氣體析出。流量增加，脫氣泵內負壓區區域減小，且壓力逐漸升高，根據亨利定律，負壓區的穩定存在有利于氣體從液體中析出，大流量工況下負壓區小且壓力較高，無法在轉轂中心形成較大的氣核團，同時在抽氣泵的作用下，氣體帶著大量的液體從抽氣口排出，導致液體夾帶率升高。因此，在大流量工況下，對懸浮于聚合物溶液的氣泡，離心泵能夠高效脫除，但是對溶解于溶液的氣體，脫除性能不如其在低流量工況下好。

圖6 脫氣泵內流場壓力分布Fig.6 Pressure distribution of flow field in degassing pump

3.2 抽氣壓力對脫氣泵的影響

抽氣口的抽氣壓力對脫氣率及液體夾帶率的影響如圖7所示。

圖7 抽氣壓力對脫氣泵的影響Fig.7 Influence of pumping pressure on degassing pump

由圖7可以看出，隨著抽氣壓力的增加，脫氣率及液體夾帶率也增大。這是由于較大的抽氣壓力會及時抽走脫離出的氣體，有利于脫氣過程的進行。然而，抽氣壓力過大會使氣體攜帶著液體被抽出，使液體夾帶率增加。因此需要合適的抽氣壓力，過大或過小都不利于脫氣過程的進行。

3.3 轉速對脫氣泵的影響

轉轂轉速對脫氣泵的影響如圖8所示。

圖8 轉速對脫氣泵的影響Fig.8 Influence of rotating speed on degassing pump

從圖8可見，隨著轉轂轉速的增加，脫氣率呈先上升再下降的趨勢，在2 500 r/min時達到最高，大約74.65%，在低轉速下，離心力較低，脫氣性能不佳，而轉速越高，轉轂中心形成區域較大的氣核與負壓區，使抽氣變困難，阻礙了脫氣過程的進行，因而脫氣率下降。同時較大的負壓區能夠使氣體源源不斷地從溶液中析出，降低液體夾帶率。

4 響應面優化

在單因素分析的基礎上，本文基于響應面法(RSM)對脫氣泵的最優工況參數進行探究。主要分析的參數為流量、轉速和抽氣壓力。脫氣率為脫氣泵最重要的性能參數，因此選擇脫氣率為響應目標值。選擇Box-Behnken法設計正交試驗組。設計因素水平如表1所示。工況參數對脫氣率的影響如圖9所示。從圖9a可見，脫氣率隨著流量的增加而上升，隨著轉速的升高呈先上升后下降的趨勢，較高的脫氣率出現在高水平的流量及中間水平的轉速附近。從圖9b可見，脫氣率隨著流量的增加而增加，隨著抽氣壓力的升高，呈先上升后下降的趨勢。從圖9c可見，脫氣率隨著轉速和抽氣壓力的升高先上升后下降，在中間水平附近的轉速和抽氣壓力取得最大值。

圖9 工況參數對脫氣率的影響Fig.9 Influence of interaction between operating parameters on degassing rate

表1 設計因素水平Table 1 Design factor level

脫氣泵優化前、后的相分布云圖對比分析如圖10所示。從圖10可以看出，優化后模型在抽氣壓力的作用下，泵內氣體更容易被抽出，有利于脫氣過程的進行，從而提高脫氣率。優化前、后工況參數對比如表2所示。表2中設計值為脫氣泵初始工況參數，優化值為響應面優化后得到的值，計算值為通過數值模擬計算得到的值。優化值與計算值得到的脫氣率相差0.218%，表明響應面模型擬合較好，能夠運用響應面法對脫氣泵工況參數進行優化。