鉆井液離心機進(jìn)料腔的優(yōu)化設(shè)計

王紅霞* 李 杰 鄭彥博

（黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系）

0 引言

在石油工業(yè)中，鉆井液離心機常用于分離旋流器已經(jīng)處理過的且沒有達(dá)到API 標(biāo)準(zhǔn)的固相含量較低的鉆井液。由于待處理鉆井液黏度高，因此流動性差、在離心機內(nèi)部分布不均，導(dǎo)致離心機發(fā)生較大的振動，同時鉆井液傳送到轉(zhuǎn)鼓時其速度存在一定程度的滯后，導(dǎo)致實際分離效率下降[1]。本文通過對離心機進(jìn)料腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到可以消除切向速度滯后、減小分布不均和提高分離效率的加速型離心機。

1 計算模型

加速裝置是焊接在沉降式離心機進(jìn)料腔內(nèi)用于布料的部件，加速葉輪直接焊接在螺旋推料器內(nèi)腔，葉輪的后蓋板即為進(jìn)料腔的后蓋板，離心機結(jié)構(gòu)和鉆井液參數(shù)如表1 所示[2]。其中螺旋推料器由電機同步帶動，而轉(zhuǎn)鼓則由電機通過變速器變速再轉(zhuǎn)動。

表1 計算模型主要參數(shù)

為了簡化計算，前期篩選葉片參數(shù)時，直接對加速裝置的進(jìn)料腔流場模型進(jìn)行計算，確定葉片參數(shù)后，再使用整體離心機流場進(jìn)行分析。對常規(guī)型和加速型離心機進(jìn)行對比分析，只需考慮進(jìn)料腔葉片對流場的影響。此外，對離心機流場建模時，應(yīng)對螺旋形式的葉片進(jìn)行簡化，不考慮螺旋葉片與推料器筒體連接部分的筋板結(jié)構(gòu)，建立的流場模型如圖1 所示。

圖1 流場模型圖

2 數(shù)值分析

2.1 邊界條件設(shè)置

為了盡可能接近真實情況，將模擬離心機加速裝置內(nèi)流場液相設(shè)置為連續(xù)流體，固相設(shè)置為離散固體顆粒。在流體域設(shè)置中，流體采用RNG k-? 模型，由于鉆井液固相含量高于5%，所以曳力模型選擇WEN YU 模型[3]。進(jìn)口選擇速度進(jìn)口，出口的進(jìn)料腔流場和整體離心機流場有區(qū)別，由于無法確定出口壓力因此選擇質(zhì)量流率出口，整體離心機流場出口和大氣相通，出口均選擇壓力出口。

選取截面Z=-0.07 mm 的xy平面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，線段line 1、line2 如圖2 所示，為了確保數(shù)據(jù)精確性，在線段上共取50 point 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 。

圖2 位置示意圖

2.2 加速裝置流場分析

2.2.1 相對安裝角度

本文采用初始進(jìn)口安置角為34°，出口安置角為110°的葉片線型。得到進(jìn)料腔切向速度，并取進(jìn)料腔葉輪葉片末端面比較其最大湍流動能值來度量湍流強度。

（1）切向速度

根據(jù)設(shè)置的流場轉(zhuǎn)速可知，在無速度滯后的影響下鉆井液在自由液面（142.5 mm）處的切向速度為47.5 m/s。同時由圖3 可知，在觀測line 1 上，常規(guī)型沉降式離心機作用下的鉆井液在自由液面的切向速度為34 m/s，切向速度存在滯后。葉輪與腔體相對安裝角度不同，其截面切向速度也不同。加速型沉降式離心機作用的鉆井液在自由液面的切向速度達(dá)44～51 m/s。如圖3 所示，減小了速度滯后的差距，且每個加速裝置流場的最大切相速度均超過50 m/s。即是在加速葉輪的作用下離心機克服了鉆井液速度滯后這一缺陷。

圖3 line 1 切向速度

（2）湍流動能

圖4 所示為各模型中截面處的湍流強度。從圖4中可以看出，流場出口部位湍流區(qū)域集中。不同安裝角度下流場的最大湍流動能相近，越多葉片靠近出口兩側(cè)面的流場大湍流動面積越大。通過圖3 和圖4可知，葉輪與腔體相對安裝角度選擇葉片不靠近出口兩側(cè)面既可滿足小的湍動能又可滿足減小速度滯后。

2.2.2 出口安置角

（1）切向速度

根據(jù)圖5 數(shù)據(jù)可知，在相同進(jìn)口安置角的情況下，不同出口安置角下的各進(jìn)料腔加速流場均實現(xiàn)了縮短或者消除了與理論值的差距。根據(jù)出口面的最低切向速度、最高切向速度和平均切向速度的比較，出口安置角為120°時各切相速度值最大，且平均切向速度達(dá)到了49.38 m/s，超過了理論切向速度47.5 m/s。

圖5 出口面切向速度

（2）湍流動能

對圖6 進(jìn)行分析后可知，隨著出口安置角增大，最大湍流動能整體呈現(xiàn)減小趨勢。但除了出口安置角110°的流場，其他流場的最大湍流動能值均較小。根據(jù)圖5 和圖6 綜合分析選擇葉片出口安置角為120°的加速裝置。

圖6 各模型中截面處的湍流強度

2.3 整機流場對比分析

在離心機流體分離過程中存在速度梯度，可將速度分為徑向速度、切向速度和軸向速度。軸向速度越大表示鉆井液處理能力越強，但進(jìn)料腔加速裝置對鉆井液處理量沒有明顯的影響[2]。因此文中只分析徑向速度和切向速度。

圖7 a）中顯示離心機的進(jìn)料腔出口處有大幅度的回流。line 2 線段上的50 point 上，相較于常規(guī)型離心機，加速型離心機整體徑向速度大于0 的比例更高。相較于加速型離心機，常規(guī)型離心機回流更大，更不利于物料擴散。

由圖7 b）可知，無速度滯后的影響下鉆井液在自由液面的切向速度為47.5 m/s，常規(guī)型沉降式離心機作用下的鉆井液在自由液面的切向速度為44 m/s，切向速度存在滯后。而加速型沉降式離心機作用的鉆井液在自由液面的最大切向速度為58 m/s，達(dá)到了無速度滯后影響的切向速度，即是在加速葉輪的作用下離心機克服了鉆井液速度滯后這一缺陷。在常規(guī)型離心機的進(jìn)料腔中，從徑向距離100 mm 處至鉆井液的自由液面，速度增長較快，加速度大，壓降增大，容易形成氣蝕引起振動和噪聲。

圖7 離心機整體流場速度參數(shù)

由表2 可知，常規(guī)型離心機和加速型離心機液相出口含固量均低于8%，液相出口已經(jīng)分離的鉆井液滿足對鉆井液的處理要求。根據(jù)分離效率公式可得[4-5]：

表2 出口固相體積分?jǐn)?shù)

式中：M——入口處待分離鉆井液固相質(zhì)量；

MC——固相出口的固相質(zhì)量；

Mf——液相出口的固相質(zhì)量；

ET——離心機的分離總效率亦為重晶石回收率；

C0——待分離鉆井液固相重量百分比濃度；

Cf——液相出口端鉆井液固相含量；

W0——固相出口端固相含濕量。

由上述公式可計算出：加速型鉆井液離心機的重晶石回收率為89.87%，常規(guī)型鉆井液離心機的重晶石回收率為88.27%。

由圖8 可得，在鉆井液離心機錐段截面，其最大固相含量較常規(guī)型離心機的固相含量更高。同時分別比較常規(guī)型和加速型離心機的同截面可以得到，加速型相較常規(guī)型離心機在測試環(huán)面的固相分布更加均勻。因此，加速型離心機在物料均勻分布上更加有利。

圖8 測試面固相體積分?jǐn)?shù)

由于大粒徑顆粒在旋流器分離階段已經(jīng)被分離，通過作用不同粒徑鉆井液來分析離心機的分離效果。由圖9 可知，當(dāng)粒徑為0.04 mm 時，常規(guī)型離心機分離回收的得到鉆井液固相含量超過8%，無法滿足要求，而加速型離心機分離鉆屑粒徑為0.03 mm 的鉆井液時，液相出口得到的鉆井液是滿足回收要求的。

圖9 不同粒徑下出口固相的體積分?jǐn)?shù)

3 結(jié)語

對加速流場、整體離心機流場進(jìn)行分析后知：

（1）加速流場和整體離心機流場數(shù)據(jù)趨勢一致，但是由于只分析加速流場時未考慮離心機對流場的影響，出口邊界未考慮其他影響因素，因此數(shù)值存在差異，設(shè)計時適當(dāng)簡化模型是可以作為參考的。為了得到較精確的數(shù)據(jù)，需要后期做整體流場分析驗證前期數(shù)據(jù)的有效性。

（2）加速裝置葉片可選擇雙曲線圓柱葉片，進(jìn)口安置角為34°，出口安置角為120°時，可以克服葉型參數(shù)速度滯后，減小內(nèi)部流場的湍流動能，改善內(nèi)部流動性差、分布不均等問題。

（3）在分離相同參數(shù)鉆井液的情況下，加速型臥螺離心機能夠分離粒徑更小的鉆屑，同時，固相出口的鉆井液含固量高于常規(guī)型離心機，更有利于回收重晶體。