自循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器壓力性能和分離性能實(shí)驗(yàn)研究

高飛 周志海 劉杰

本文研究將離心機(jī)與水利旋流器特點(diǎn)結(jié)合，采用合理的中心進(jìn)料方式，加工實(shí)驗(yàn)樣機(jī)后，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)優(yōu)化壓力性能，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的工業(yè)機(jī)。利用流體力學(xué)軟件對(duì)工業(yè)機(jī)單相流場數(shù)值模擬，對(duì)旋流發(fā)生部件進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，以供參考。

自循環(huán)式;動(dòng)態(tài)水力旋流器;壓力性能;分離性能

隨著油田開發(fā)深入，石油采出液含沙量不斷增加。水力旋流器表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，某些地層膠結(jié)疏松，含沙量增加導(dǎo)致管閥設(shè)備磨損嚴(yán)重，減少管道流通面積造成管道堵塞。水力旋流器將非均勻相混合物分離，90年代初國際開始采用選分流分離技術(shù)進(jìn)行原油除砂。水力旋流器可用于非均相混合物分離，如固液氣三相分離等，處理細(xì)顆粒雜質(zhì)表現(xiàn)良好分離性能，石油工業(yè)采用旋流分離技術(shù)，可取代龐大低效重力分層流程。旋流分離器結(jié)構(gòu)簡單，分離中受壓力波動(dòng)等操作參數(shù)影響大，分離性能有限。開發(fā)受操作參數(shù)影響小，卸料方便的新型除砂設(shè)備非常必要。

水力旋流器基于離心沉降作用，由靜態(tài)水力旋流器由溢流管、進(jìn)料管等部件組成，分離兩相混合液從進(jìn)料管沿切向進(jìn)入旋流器，輕重兩相密度差使所受離心力與流體阻力不同，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，單個(gè)水力旋流器直徑10～2500mm，較小的水力旋流器以高壓操作。旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。離心機(jī)主要靠轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場使混合物分離，目前廣泛使用的有螺旋卸料沉降離心機(jī)等。

離心機(jī)與旋流器各有適用場合，離心機(jī)靠轉(zhuǎn)速產(chǎn)生強(qiáng)離心力場分離，高轉(zhuǎn)速動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高。工程中大量采用靜態(tài)旋流器用于原油油砂分離。通過開發(fā)高效旋流器是主要趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)水力旋流器增加旋轉(zhuǎn)部件，其發(fā)展經(jīng)歷total型，預(yù)旋流型與復(fù)合型階段。目前動(dòng)態(tài)旋流器主要針對(duì)復(fù)合型研究，動(dòng)態(tài)旋流器具有操縱彈性大、進(jìn)料壓力低、分流能力強(qiáng)等特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)旋流器需電能驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。動(dòng)態(tài)旋流器主要向深度分離方向發(fā)展，旋流強(qiáng)度與液滴乳化相互矛盾，固液分離方面向技術(shù)控制自動(dòng)化方向發(fā)展，如進(jìn)口壓力、分離精度等參數(shù)在給定范圍內(nèi)可自動(dòng)控制設(shè)計(jì)滿足工藝要求。

動(dòng)態(tài)水力旋流器依靠旋轉(zhuǎn)葉輪旋流，設(shè)計(jì)葉輪式動(dòng)態(tài)旋流器采用切向進(jìn)料式，入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大。表明切向進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器進(jìn)料方式不合理，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)料結(jié)構(gòu)，使進(jìn)料位置位于葉輪正中心，由于進(jìn)料口位于壓力最低葉輪中心低壓真空區(qū)，動(dòng)態(tài)水力旋流器具有自吸性。旋流器入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大降低，葉輪轉(zhuǎn)速一定，底流流體可回到入口形成循環(huán)。

葉輪是旋流發(fā)生部件，常用葉輪有渦流板式與直板式，直板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，葉片長度較大，可在葉輪邊上產(chǎn)生較大切向速度。渦流板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心泵葉輪結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)升壓與升速關(guān)系。壓力性能為循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器的重要研究指標(biāo)，研究通過實(shí)驗(yàn)比較直板式葉輪旋流發(fā)生器性能，發(fā)現(xiàn)直板式葉輪自吸性差。渦流板式葉輪是旋流發(fā)生部件，要求葉輪具有良好自吸性。葉輪理論壓頭由動(dòng)靜壓頭組成，前彎葉片動(dòng)壓頭提高大于靜壓頭，渦流板式旋流發(fā)生器葉片采用后彎式。依據(jù)離心泵葉片參數(shù)改變?nèi)~輪參數(shù)設(shè)計(jì)葉輪，高度為20-120mm，入口安放角為0-90°。

循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器旋流腔尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，靜態(tài)旋流腔重要結(jié)構(gòu)參數(shù)有溢流口與底流口直徑。柱段高度影響旋流器分離粒度，增大柱段高度可減小分離粒度，標(biāo)準(zhǔn)旋流器選用較短的筒體。溢流口直徑影響旋流器生產(chǎn)能力與產(chǎn)物分配。溢流口直徑增大造成細(xì)顆粒進(jìn)入溢流管。設(shè)計(jì)選用溢流口直徑大小不同的溢流管實(shí)驗(yàn)。底流口直徑減小導(dǎo)致溢流顆粒變粗，底流口直徑影響壓力分布，設(shè)計(jì)選用不同底流口直徑實(shí)驗(yàn)。進(jìn)料結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)旋流器最大特點(diǎn)，有效減小入口壓力才能提高入口壓差，使底流口部分流體進(jìn)入入口產(chǎn)生循環(huán)。

為研究循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器性能，建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)由供液單元、實(shí)驗(yàn)機(jī)單元等組成。系統(tǒng)流程圖案工業(yè)使用流程設(shè)計(jì)，大部分砂水從底流口進(jìn)入集砂罐，葉輪轉(zhuǎn)速一定使底流壓力大于入口壓力，集砂罐內(nèi)循環(huán)水帶動(dòng)砂子流動(dòng)，集砂罐內(nèi)聚集砂會(huì)進(jìn)行排砂。公冶丹元由水箱、離心管道泵等組成，采用兩個(gè)離心泵并聯(lián)方式，供液流量變化范圍為0-45m3/h，實(shí)驗(yàn)中料液晶旋流器后回到水箱。

研究動(dòng)態(tài)水力旋流器性能需測(cè)量相關(guān)流量，轉(zhuǎn)子流量計(jì)安裝在溢流管控制閥后，壓力表安裝在水力旋流器入口處，測(cè)量壓力值研究旋流器壓力性能。分離與壓力性能是動(dòng)態(tài)旋流器的重要指標(biāo)，研究性能需進(jìn)行壓力性能試驗(yàn)。用清水進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋流器壓力性能實(shí)驗(yàn)，找到壓力差與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系;研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力性能的影響，找到滿足壓力性能合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。綜合壓力性能試驗(yàn)，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)旋流器改造優(yōu)化。動(dòng)態(tài)水力旋流器現(xiàn)場正常工作，需保證旋流器在分流比工況下工作。研究溢流壓差為減少旋流器能量損失，旋流器除砂增大溢流壓差為后續(xù)工藝提供能量。

旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力與分離性能有很大影響。通過改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加底流壓差，增大底流壓差為保證旋流器在分流比工況下工作，底流壓差大于0產(chǎn)生底流回流滿足工藝要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)是找到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在25Hz產(chǎn)生回流，頻率過高增大葉輪摩擦。調(diào)節(jié)流量在30，40m3/h時(shí)分析底流壓差與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。葉輪高度是重要的參數(shù)值，葉輪高度增大加大流體能量損失。葉輪高度為60，80，100mm考察對(duì)變流的影響。葉輪高度為100mm，底流壓差隨頻率先減小后不變。底流壓差應(yīng)隨頻率增大，表明葉輪高度為80mm不合理。

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器分離性能產(chǎn)生影響，通過改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加分離效率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)目的使旋流器分離性能在電機(jī)轉(zhuǎn)速為25Hz時(shí)保持高效。電機(jī)頻率過高增大葉輪摩擦，調(diào)節(jié)流量在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分析分離效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。確定工業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)要綜合考慮壓力分離性能的影響，必須根據(jù)實(shí)際需要取舍，溢流管入口直徑為109mm，不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)要求。葉輪直徑增大到160mm底流壓差減小。后期匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片入口安放角為90度葉輪壓力性能與16度相當(dāng)，葉輪入口安放角增大可改善壓力性能。

研究操作參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，將工業(yè)機(jī)用于材油混合物分離?？疾煨髌鞯琢鲏翰铍S電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，電機(jī)工作頻率取20，30，40Hz。不同流量下溢流壓差隨頻率增大，原因是葉輪轉(zhuǎn)速增大，中心進(jìn)料口處壓力降低，葉輪對(duì)流體做功增多，使得葉輪出口處揚(yáng)程損失增大。底流壓力值增大，頻率在30Hz以上，溢流壓差大于0。

選取分流比10%，流量為20，30，40m3/h考察電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響。繪制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)修正分離效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。分離效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，原因是葉輪出口處流體切向速度增大，頻率增大到35Hz，分離效率曲線斜率較大。頻率增大到45Hz分離效率曲線變化緩慢。原因是電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，葉輪離心力滿足固液兩相分離。提高電機(jī)轉(zhuǎn)速流體湍度增加，分離效率增長緩慢。頻率35Hz是合理的電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率，頻率增大到40Hz分離效率增加到98%。電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率25Hz合適。選取分流比為10%，流量為20，30，40m3/h，繪制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下分離效率變化曲線。不同電機(jī)轉(zhuǎn)速及流量下的回流量表1所示：

分離效率隨流量增大減小，流量決定分離物料在旋流器內(nèi)停留時(shí)間，有效分離沉降時(shí)間變短，流量增大增加流體湍流度。流量增大到40m3/h分離效率曲線變化緩慢。電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為35Hz分離效率降低不到2%。表明分離效率隨流量變化不大。實(shí)驗(yàn)中選取30Hz電機(jī)頻率考察分流比對(duì)分離效率的影響，繪制分離效率與分流比變化關(guān)系曲線。分離效率隨分流比增大，溢流口排走流量減小，減小溢流口排出砂增大分離效率。旋流器在一定分流比變化內(nèi)保持高效，有的工藝不能僅靠增大分流比提高分離效率，可增大分流比提高分離效率。

油田現(xiàn)場要求對(duì)不同比例水砂混合分離，按生產(chǎn)要求配置三相混合物進(jìn)行分離效率實(shí)驗(yàn)。油水相界面張力影響分離效率。材油為加油站00號(hào)，砂濃度為3g/L，實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組為200L水與100L材油;第二組為200L水與200L材油。測(cè)定頻率為30Hz混合物分離效率。兩張濾紙上為入口130ml取樣含沙量。油水混合物經(jīng)離心泵高強(qiáng)度剪切后乳化，油水混合物在旋流器內(nèi)，油水相旋流器中心通過溢流管排出。溢流口取樣濾紙無砂，分離效果明顯。工業(yè)機(jī)對(duì)油水砂混合物分離效果滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

CFD是建立在經(jīng)典流體力學(xué)基礎(chǔ)上的學(xué)科，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬，模型試驗(yàn)是研究流體力學(xué)的主要手段，研究方法相互補(bǔ)充推動(dòng)流體力學(xué)學(xué)科發(fā)展。數(shù)值模擬優(yōu)點(diǎn)是高效性，采用CFD法對(duì)工業(yè)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行研究。目前廣泛采用時(shí)間平均法考察湍流脈動(dòng)的影響。計(jì)算流體力學(xué)常用湍流數(shù)值模型有大渦模擬、直接數(shù)值模擬與Reynolds時(shí)均方程模擬法。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)特點(diǎn)，選用RNGk-ε湍流模型，由于中心進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器帶有旋轉(zhuǎn)葉輪，動(dòng)態(tài)水力旋流器模擬是計(jì)算區(qū)中包含可動(dòng)部件，F(xiàn)LUENT計(jì)算軟件中可動(dòng)區(qū)域模型包括混合平面模型、多參考系模型。動(dòng)態(tài)水力旋流器模擬是流動(dòng)過程穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用MRF模型。FLUENT多參考系特征執(zhí)行，每個(gè)子域相對(duì)慣性可能是旋轉(zhuǎn)或平移，子域的控制方程擴(kuò)散相所需鄰子域速度值，向所考慮子域提供相鄰區(qū)域正確值。采用前處理軟件Pro/E建立模擬物理模型，由于動(dòng)態(tài)水旋流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則，需對(duì)流體域內(nèi)有效劃分，每個(gè)區(qū)域間界面設(shè)定interior邊界條件。

旋流分離器內(nèi)含砂量低于2%，通過連續(xù)單相流場模擬反映流場情況，整機(jī)迭代計(jì)算監(jiān)測(cè)迭代殘差，流場穩(wěn)定時(shí)可進(jìn)行分析。葉輪是動(dòng)態(tài)旋流器旋流發(fā)生部件，葉輪處流體壓力場影響旋流器壓力性能。葉輪出口旋流器壁面區(qū)域有大的壓力梯度，葉輪中心位于絕對(duì)低壓區(qū)，使葉輪具有良好自吸性。葉輪出口到旋流器壁面區(qū)域速度分布均勻，葉片中心處看不到箭頭方向，原因是空心進(jìn)料軸內(nèi)流體方向?yàn)榇怪比~片輪橫截面。葉輪中心流體速度最小為2.7m/s，壁面附近流體速度為12m/s，旋流流速可提供足夠離心強(qiáng)度。通過改變有葉輪入口安放角參數(shù)模擬，發(fā)現(xiàn)增大到90度后減小入口壓力。

綜上所述，研究通過對(duì)工業(yè)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)其壓力分離性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究得出：（1）通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的壓力性能進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減小葉輪的直徑、增大溢流管徑可有效增大底流壓差。（2）工業(yè)機(jī)壓力性能良好，電機(jī)速動(dòng)頻率為20Hz時(shí)產(chǎn)生底流回流，電機(jī)轉(zhuǎn)速為25Hz時(shí)回流量為2.6m3/h，工業(yè)機(jī)分能性能保持高效，旋流器分離效率在93%以上。（3）設(shè)計(jì)循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本吻合，說明該數(shù)值模擬結(jié)果基本可以指導(dǎo)實(shí)際離心機(jī)與水利旋流器的工作，進(jìn)而優(yōu)化工業(yè)機(jī)性能。

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GAO Fei， ZHOU Zhihai， LIU Jie

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei? 065000）

In this paper the characteristics of centrifuge and hydrocyclone are combined， reasonable central feeding mode is adopted， after processing the experimental prototype， the pressure performance was optimized through the comparison experiment of structural parameters， determine the industrial machine with reasonable structural parameters. The numerical simulation of single-phase flow field of industrial machine is carried out by using hydrodynamics software， and the numerical optimization of swirl generating parts is carried out， for reference.

Self circulation; Dynamic hydrocyclone; Pressure performance; Separation performance