基于CFD-PBM的前置式脫氣泵性能研究*

張毅 熊子杰 楊強 熊思陽 鐘思鵬

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

0 引 言

聚合物驅(qū)已成為提高油藏采收率比較成熟的三次采油技術(shù)，在陸上油田得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。但在化學(xué)驅(qū)試驗過程中發(fā)現(xiàn)聚合物溶液中存在氣泡，導(dǎo)致注入壓力偏高，以及聚合物降解、地面設(shè)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?qū)腋』蛘呷芙庥诰酆衔锼芤褐械臍怏w高效脫除。

旋流分離器能夠產(chǎn)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(zhì)，且效果優(yōu)異[5]。為獲得良好的分離性能，國內(nèi)外學(xué)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(jié)構(gòu)改進。ZHU Y.F.等[6]通過試驗發(fā)現(xiàn)，增加旋流器的旋風(fēng)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(rèn)為在旋流器底部增加內(nèi)錐結(jié)構(gòu)可以為相分離提供更穩(wěn)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(yīng)用Fluent軟件對帶有導(dǎo)流葉片的旋流器進行了流場分析，結(jié)果表明，合理的導(dǎo)流葉片會顯著提高分離效率；宋玥[12]結(jié)合DPM模型對旋流器進行固液兩相流場的數(shù)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(jié)構(gòu)進行了優(yōu)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(xué)驅(qū)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(nèi)流場進行兩相流數(shù)值模擬，并探究了脫氣泵的轉(zhuǎn)速、抽氣壓力及流量參數(shù)對脫氣性能的影響，在此基礎(chǔ)上，運用Box-Behnken法設(shè)計正交試驗組，生成響應(yīng)面模型(RSM)，評估了在工況參數(shù)(轉(zhuǎn)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(yōu)，找到最大脫氣率下的工作參數(shù)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(nèi)，經(jīng)導(dǎo)流錐流入轉(zhuǎn)轂流域，轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)動帶動聚合物混合液在脫氣泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于混合物內(nèi)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(zhuǎn)轂中心區(qū)域形成氣核，密度較大的液相在泵壁形成液環(huán)。氣體通過外接抽氣泵從抽氣口排出，轉(zhuǎn)轂與葉輪同軸轉(zhuǎn)動，液相經(jīng)葉輪增壓后從排液口排出。相較于傳統(tǒng)的脫氣裝置，前置式氣液分離機構(gòu)在運行過程中在轉(zhuǎn)轂中心區(qū)域會形成負壓區(qū)，該區(qū)域的穩(wěn)定存在有利于脫除溶解于液體中的氣體，高效實現(xiàn)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(xué)基本方程的建立

在脫氣泵內(nèi)，液相流體介質(zhì)可視為等溫、不可壓縮流體，不涉及熱效應(yīng)，故只考慮質(zhì)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(xué)者結(jié)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(shù)目密度函數(shù)，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(shù)[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(shù)。

2.3 流域及網(wǎng)格劃分

利用Fluent軟件對脫氣泵內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，以探究離心泵內(nèi)流場運動規(guī)律及脫氣效率。脫氣泵整體計算流域如圖2所示。脫氣泵內(nèi)部流道共分為4個部分，分別是入口流道、抽氣流道、轉(zhuǎn)轂及葉輪流道以及蝸殼流道。考慮到脫氣泵轉(zhuǎn)轂流域及葉輪流域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)535 872，節(jié)點數(shù)109 947。由于氣相主要集中在轉(zhuǎn)轂中心區(qū)域，所以考慮在數(shù)值模擬計算中采用Eulerian多相流模型，且在脫氣泵內(nèi)流場時旋轉(zhuǎn)，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(zhǔn)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(jié)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(zhuǎn)轂流域后，氣泡在強旋的流場中破碎，在轉(zhuǎn)轂葉片附近的氣泡直徑約0.8 mm。由于流場旋轉(zhuǎn)，在脫氣轉(zhuǎn)轂中心形成低壓區(qū)，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(zhuǎn)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(jīng)計算，該泵脫氣率達到74.12%，揚程約15.5 m，計算結(jié)果如圖4所示。為了保證計算精度及節(jié)省計算機資源，在后續(xù)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(shù)，本文重點研究了離心泵的流量、抽氣壓力、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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?jǐn)?shù)，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?jǐn)?shù)。

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(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(nèi)負壓區(qū)區(qū)域減小，且壓力逐漸升高，根據(jù)亨利定律，負壓區(qū)的穩(wěn)定存在有利于氣體從液體中析出，大流量工況下負壓區(qū)小且壓力較高，無法在轉(zhuǎn)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(dǎo)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(nèi)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(zhuǎn)速對脫氣泵的影響

轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速對脫氣泵的影響如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，離心力較低，脫氣性能不佳，而轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)轂中心形成區(qū)域較大的氣核與負壓區(qū)，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(qū)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(yīng)面優(yōu)化

在單因素分析的基礎(chǔ)上，本文基于響應(yīng)面法(RSM)對脫氣泵的最優(yōu)工況參數(shù)進行探究。主要分析的參數(shù)為流量、轉(zhuǎn)速和抽氣壓力。脫氣率為脫氣泵最重要的性能參數(shù)，因此選擇脫氣率為響應(yīng)目標(biāo)值。選擇Box-Behnken法設(shè)計正交試驗組。設(shè)計因素水平如表1所示。工況參數(shù)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(zhuǎn)速的升高呈先上升后下降的趨勢，較高的脫氣率出現(xiàn)在高水平的流量及中間水平的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和抽氣壓力的升高先上升后下降，在中間水平附近的轉(zhuǎn)速和抽氣壓力取得最大值。

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

表1 設(shè)計因素水平Table 1 Design factor level

脫氣泵優(yōu)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(yōu)化后模型在抽氣壓力的作用下，泵內(nèi)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(yōu)化前、后工況參數(shù)對比如表2所示。表2中設(shè)計值為脫氣泵初始工況參數(shù)，優(yōu)化值為響應(yīng)面優(yōu)化后得到的值，計算值為通過數(shù)值模擬計算得到的值。優(yōu)化值與計算值得到的脫氣率相差0.218%，表明響應(yīng)面模型擬合較好，能夠運用響應(yīng)面法對脫氣泵工況參數(shù)進行優(yōu)化。

圖10 脫氣泵優(yōu)化前、后相分布云圖對比Fig.10 Cloud charts of phase distribution in degassing pump before optimization and after optimization

表2 優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合群體平衡模型(PBM)得到了脫氣泵內(nèi)流場氣泡直徑分布。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)轂葉片區(qū)域氣泡直徑約為0.8 mm，可作為后續(xù)采用均一氣泡直徑法進行計算的氣泡直徑參考依據(jù)。

(2)在其余參數(shù)不變時，脫氣率隨著流量及抽氣壓力的增大而升高，隨著轉(zhuǎn)速的升高呈先升后降的趨勢，在2 500 r/min時，最大約為74.65%。經(jīng)對比分析，抽氣壓力對脫氣率的影響最為顯著。

(3)運用Box-Behnken設(shè)計方法對前置式脫氣泵工況參數(shù)進行試驗設(shè)計，建立了脫氣率的多元回歸模型，反映出脫氣泵各設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)間的復(fù)雜的非線性關(guān)系及交互性影響結(jié)果，找到了最大脫氣率工況時的參數(shù)組合。經(jīng)計算，最大脫氣率達到了76.17%。