新型稠油水環(huán)發(fā)生器維穩(wěn)特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

蔣文明 杜仕林 劉楊 邊江

摘 要：為了改善水環(huán)在輸送稠油過程中易失穩(wěn)的問題，提出了一種新型水環(huán)輸送發(fā)生器，開展了水環(huán)維穩(wěn)特性及優(yōu)化研究.采用VOF模型進(jìn)行模擬，根據(jù)水環(huán)成型原理建立了層流水環(huán)流動(dòng)數(shù)值模型，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該數(shù)值模型的正確性，據(jù)此研究了新型水環(huán)發(fā)生器不同間隙厚度的水環(huán)維穩(wěn)特性和螺旋葉片對(duì)水環(huán)維穩(wěn)特性的強(qiáng)化效果.結(jié)果表明：間隙厚度過大過小都不利于水環(huán)的形成和穩(wěn)定，當(dāng)流速為1 m/s時(shí)，在直徑為19 mm管道中，發(fā)生器間隙為1.4 mm所產(chǎn)生的水環(huán)較穩(wěn)定，即間隙厚度與主管段直徑比為3∶20時(shí)效果最好；采用螺旋葉片結(jié)構(gòu)可以將水環(huán)穩(wěn)定長(zhǎng)度由150 mm提高到500 mm，增幅達(dá)2.3倍.

關(guān)鍵詞：稠油輸送；數(shù)值模擬；水環(huán)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to solve the unstability of the coreannular flow in the transport of high viscous oil， this paper proposed a new coreannular flow generator， and explored the stability characteristics and optimization research of generator transmission characteristics. To simulate the coreannular flow under the condition of different thickness and to improve the stability characteristics by using spiral blade， the VOF model was used to simulate the flow. A numerical model of coreannular flow according to the principle of coreannular flow forming was established， and the correctness of the numerical model was verified by comparing the experimental results. The results show that the formation and stability of coreannular flow is not conductive when the thickness of the gap is too large or too small， and when the flow rate is 1 m/s， the coreannular flow generated by the generator gap of 1.4 mm in the pipe with the diameter of 19 mm is more stable， which means that when the ratio of the gap thickness to the diameter of the main pipe is 3∶20， the most effective result is observed. The use of helical blades can increase the stable length of the coreannular flow from 150 mm to 500 mm with an increase of 2.3 times.

Key words：heavy oil transportation；numerical simulation；coreannular flow；stability

我國(guó)稠油資源豐富，然而稠油運(yùn)輸是困擾多年的難題.稠油在管道運(yùn)輸中，由于其高粘特性，不僅需要消耗大量的能量來克服沿程摩阻，而且對(duì)管道的材質(zhì)承壓要求很高，同時(shí)會(huì)增大管道的事故發(fā)生概率.加熱、稀釋和乳化是目前常用的稠油輸送方法，這些方法存在著能耗高、建設(shè)成本高、油品質(zhì)量變化大等問題.因此，稠油運(yùn)輸領(lǐng)域迫切需要一種高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方法.

試驗(yàn)和數(shù)值模擬是學(xué)者研究低粘水環(huán)輸送高粘稠油的常用方法.潘大林等[1]在專利中首次提出采用水來潤(rùn)滑管道實(shí)現(xiàn)粘性流體的輸送，該方法可以有效減少摩擦損失，適用于管道輸送高粘原油.屠大燕等[2]提出兩不相溶液體在平行板間及同心圓管中的環(huán)狀流動(dòng)理論模型，推導(dǎo)了體積流量與壓力梯度的關(guān)系方程式，并與單一液體滿管輸送工況開展對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)狀流動(dòng)壓降明顯，環(huán)狀流具有良好的節(jié)能效果，為稠油水環(huán)輸送理論奠定了基礎(chǔ).1994年，艾克森公司的Ho和Li[3]按7～11的水油比制備了油包水型乳狀液，成功運(yùn)用水膜輸送.油越稠、黏度越大（稠油密度通常小于水的密度），越適合液環(huán)輸送.油包水型乳狀液的密度與水的密度十分接近，是液環(huán)輸送適應(yīng)性較強(qiáng)的一種“稠化油”.1996年，Arney等[4]用蘇阿塔原油μ=115 Pa·s和ρ=996 kg/m3和1%鈉硅酸鹽水溶液在d=0.05 m的水泥管、鍍鋅管和碳鋼管研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，水泥管高度疏油，不易被污染，長(zhǎng)期抗污.Tripathi等[5]利用一種簡(jiǎn)單而有效的二維建模結(jié)構(gòu)模擬了一種水膜發(fā)生器結(jié)構(gòu)并研究了不同張力對(duì)水膜穩(wěn)定性的影響.屠大燕等[2]從流動(dòng)狀態(tài)、流速分布、流量大小等方面分析了水環(huán)輸送原油的流動(dòng)特性，建立了水環(huán)輸量與摩阻的函數(shù)關(guān)系.水環(huán)輸送技術(shù)目前存在的主要問題：隨著運(yùn)輸距離的增加，低粘度流體（水）包裹高粘流體（稠油）的環(huán)狀水膜會(huì)逐漸消失，即水環(huán)失穩(wěn).失穩(wěn)原因：水和油密度差的存在導(dǎo)致同心環(huán)狀流逐漸變?yōu)槠沫h(huán)狀流，進(jìn)而失去環(huán)狀流形狀，水與油混合，油流接觸管壁導(dǎo)致摩阻增加，減阻能力降低.

本文提出了一種新型水環(huán)發(fā)生器，模擬了3種不同間隙水環(huán)發(fā)生器的工作過程，通過對(duì)比形成水環(huán)的穩(wěn)定長(zhǎng)度，確定了最優(yōu)水環(huán)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸，并利用螺旋葉片強(qiáng)化了水環(huán)的維穩(wěn)特性.

1 水環(huán)理論

1.1 水環(huán)的形成原理

水環(huán)輸送中，輸送油品在管道核心流動(dòng)，用與該油品互不相溶的水充滿油品和管壁間的環(huán)形空間，形成水環(huán).該技術(shù)可以有效降低油品輸送過程中的摩阻，降低運(yùn)輸能耗.當(dāng)形成穩(wěn)定水環(huán)時(shí)，輸送稠油品的摩阻等于單獨(dú)輸送水時(shí)的摩阻，有效降低了稠油管輸能耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著.

1.2 水環(huán)的形成條件

1）兩種液體互不相溶.

2.1.3 初始條件與邊界條件

最初，管道中充滿靜止的水.水進(jìn)口和油進(jìn)口為速度入口邊界，油流速為0.53 m/s，水流速為0.3 m/s；出口為壓力出口邊界，出口壓力設(shè)為1 MPa；重力加速度g=-9.8 m/s2；稠油密度是960 kg/m3，粘度為0.2 Pa·s；水密度是1 000 kg/m3，粘度為0.001 Pa·s，表面張力[8]設(shè)置為0.3 N/m.

2.2 模擬結(jié)果

本文使用Ghosh等人[7]的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)對(duì)水環(huán)發(fā)生器進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.計(jì)算距離為管道首端到管道尾端，試驗(yàn)和模擬中測(cè)量了管道中形成水環(huán)之后的單位壓降.模擬與試驗(yàn)的稠油體積分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖2所示.由圖2可見，本文模擬結(jié)果中的水環(huán)分布均勻，油水界面清晰，重現(xiàn)了Ghosh等人[9]的試驗(yàn)和模擬現(xiàn)象.

本文模擬中測(cè)量了管道中形成水環(huán)之后的單位壓降，并與文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖3.由圖3可知，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，壓力誤差均在20%以內(nèi).這說明了本文采用的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法可靠性較高，能夠準(zhǔn)確捕捉到水環(huán)的水力特征，可以用來模擬油水兩相流中心環(huán)狀流流動(dòng)過程.

3 新型水環(huán)發(fā)生器

3.1 模 型

模擬所采用的水膜發(fā)生器主要部分包括進(jìn)水口、進(jìn)油口、導(dǎo)油管、導(dǎo)水管、間隙結(jié)構(gòu)、主管道.本文水膜發(fā)生器與之前發(fā)生器的區(qū)別之處在于[7]：減少了水入口數(shù)量，減小了發(fā)生器加工難度，簡(jiǎn)化了輸水裝置.水進(jìn)口入射角為45°，減小了入口沖擊.在管道連接處添加兩個(gè)緩沖段[10]，減少了渦流的產(chǎn)生[11]，更利于成環(huán).進(jìn)水口直徑為8 mm，進(jìn)油口直徑為15 mm，進(jìn)口面積比約為2∶8，與主管道中的水油體積比大致相同[12]，水和油可以以相同的入口流速進(jìn)入水膜發(fā)生器中.研究表明：油和水的流速相近可以增加水膜穩(wěn)定時(shí)間[13].水膜發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖4所示.進(jìn)水口直徑為8 mm，進(jìn)油口直徑為15 mm，主管道直徑為19 mm.本文研究了新型水環(huán)發(fā)生器不同間隙厚度對(duì)水環(huán)維穩(wěn)特性的影響，然后利用螺旋葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了維穩(wěn)特性.

3.2 模型參數(shù)與邊界參數(shù)

為了與將來的室內(nèi)試驗(yàn)形成對(duì)比，選用白油作為模擬對(duì)象，粘度為1.0 Pa·s.水的粘度為0.001 Pa·s.進(jìn)水口與進(jìn)油口為速度入口，入口流速為1.5 m/s.出口條件為壓力出口，出口壓力1.0 MPa.

3.3 水環(huán)模擬結(jié)果與分析

3.3.1 單位長(zhǎng)度上的壓降

從水環(huán)發(fā)生器出口A到管道末端B管段如圖5所示，AB段平均壓力[14]如表1所示.

由表1可知，當(dāng)間隙厚度為1.4 mm時(shí)，壓力降低幅度較小，從50 mm處的773 Pa逐漸變化到6 Pa.當(dāng)間隙厚度為1.9 mm時(shí)，主管道首端壓降急劇下降，從16 162 Pa急劇下降到33 Pa.當(dāng)間隙厚度為2.4 mm時(shí)，壓降趨勢(shì)在主管道首端壓降急劇下降，從15 683 Pa急劇下降到19 Pa.由于出口條件限制，主管道末端的壓力總是相同的.當(dāng)間隙厚度為1.4 mm時(shí)，水環(huán)壓降變化最小，因此管道摩阻最小，在管道運(yùn)輸需求泵壓力最小.

3.3.2 維穩(wěn)長(zhǎng)度

稠油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示.

當(dāng)管道直徑為19 mm，水油粘度比為1∶1 000時(shí)，1.4 mm間隙厚度可以形成維穩(wěn)特性較好的水環(huán).間隙厚度與管道半徑的比例為3∶20.

由圖5可知，間隙厚度為1.4 mm時(shí)，維穩(wěn)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為500 mm；間隙厚度為1.9 mm時(shí)，維穩(wěn)長(zhǎng)度次之，為150 mm；間隙厚度為2.4 mm時(shí)，維穩(wěn)長(zhǎng)度最短，為100 mm.

單位長(zhǎng)度壓降如表2所示.由表2可知，間隙厚度為1.4 mm時(shí)，單位長(zhǎng)度壓降呈平穩(wěn)趨勢(shì)，一直保持在100 Pa左右；間隙厚度為1.9 mm時(shí)，單位長(zhǎng)度壓降在150 mm處升高，從84 Pa增長(zhǎng)至3 159 Pa；間隙厚度為2.4 mm時(shí)，單位長(zhǎng)度壓降在100 mm處升高，從108 Pa增長(zhǎng)至2 959 Pa. 可見，水環(huán)失穩(wěn)之前，無(wú)論間隙大小，單位長(zhǎng)度壓降在100 Pa左右，減阻效果明顯；但水環(huán)失穩(wěn)后，減阻能力急劇降低，單位長(zhǎng)度壓降急劇上升至3 000 Pa左右.

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.4.1 螺旋葉片結(jié)構(gòu)

螺旋葉片位于發(fā)生器的導(dǎo)水管，在進(jìn)水口后方、間隙前方，水流經(jīng)過螺旋葉片后，在葉片的引導(dǎo)作用下，水層螺旋前進(jìn)，具有一定的離心力，水相在離心力的作用下接近管壁，油相在離心力的作用下向管道中心靠攏，更利于水環(huán)的形成，能夠更穩(wěn)定水膜.帶有螺旋葉片裝置的水環(huán)發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖7所示.

3.4.2 壓力與維穩(wěn)長(zhǎng)度

稠油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示.當(dāng)水環(huán)間隙厚度為1.4 mm時(shí)，維穩(wěn)長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到管道模型主管道的最大尺寸即500 mm，由于管道模型長(zhǎng)度所限，為了驗(yàn)證螺旋葉片對(duì)水環(huán)維穩(wěn)特性的改善效果，選用1.9 mm間隙厚度的水環(huán)發(fā)生器繼續(xù)下一步的模擬.由3.3節(jié)可知，在間隙寬度為1.9 mm時(shí)，水環(huán)維穩(wěn)長(zhǎng)度為150 mm，在此基礎(chǔ)上添加螺旋葉片裝置后，其模擬結(jié)果如表3和表4所示.

由表3和表4可知，當(dāng)間隙厚度為1.9 mm時(shí)，總壓降從15 901 Pa急劇降到33 Pa，水環(huán)維穩(wěn)長(zhǎng)度150 mm.添加螺旋葉片裝置后，總壓降從670 Pa變化到70 Pa，單位壓降始終維持在100 Pa左右，水環(huán)的維穩(wěn)長(zhǎng)度達(dá)到了500 mm，與優(yōu)化前相比提高了2.3倍.

4 結(jié) 論

1）水環(huán)輸送高粘油技術(shù)在輸送過程中并不能一直保持環(huán)狀流狀態(tài)，在運(yùn)行一段距離后會(huì)逐漸失去環(huán)狀流包裹核心油流向前流動(dòng)的狀態(tài)，減阻效果也隨之消失.當(dāng)流速為1 m/s時(shí)，在直徑為19 mm管道中，發(fā)生器間隙為1.4 mm所產(chǎn)生的水環(huán)較穩(wěn)定，在模擬管道長(zhǎng)度范圍內(nèi)未失穩(wěn)；發(fā)生器間隙分別為1.9 mm、2.4 mm所產(chǎn)生的水環(huán)容易失穩(wěn)，在發(fā)生器出口運(yùn)行不久后就失去穩(wěn)定環(huán)狀流形狀.

2）保持間隙結(jié)構(gòu)不變，在水環(huán)發(fā)生器結(jié)構(gòu)上添加螺旋葉片裝置，發(fā)現(xiàn)維穩(wěn)長(zhǎng)度提高了2.3倍，驗(yàn)證了螺旋葉片裝置可以有效強(qiáng)化水環(huán)穩(wěn)定性.

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