管式離心機(jī)極限分流比及最佳操作參數(shù)研究

摘要：

在三相分離器前進(jìn)行預(yù)分水是確保老油田采出液含水體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加現(xiàn)狀下，油氣集輸系統(tǒng)穩(wěn)定的最經(jīng)濟(jì)措施。圍繞快速、多分水的目標(biāo)，采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析入口含水體積分?jǐn)?shù)對(duì)預(yù)分水用管式離心機(jī)分離性能的影響規(guī)律，確定其極限水出口分流比；探討管式離心機(jī)在極限水出口分流比工況下，分離性能崩潰點(diǎn)隨操作參數(shù)變化的分布規(guī)律，進(jìn)而確定該工況下轉(zhuǎn)速和流量的最佳匹配關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨入口含水體積分?jǐn)?shù)的增加，管式離心機(jī)水出口含油質(zhì)量濃度緩慢降低，分水率逐漸增加；當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，極限水出口分流比為70%（此時(shí)分水率為88%）；影響水出口分流比增加的關(guān)鍵原因?yàn)橛退缑骐S水出口分流比的增加而不斷向水出口方向移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致水出口含油質(zhì)量濃度持續(xù)上升；基于熵權(quán)-Topsis算法計(jì)算設(shè)計(jì)處理量下的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速為600 r/min。研究結(jié)果可為采出液預(yù)分水用管式離心機(jī)的優(yōu)化和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

油井采出液；管式離心機(jī)；預(yù)分水；極限分流比；熵權(quán)-Topsis；操作參數(shù)

中圖分類號(hào)：TE977

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

202403009

Ultimate Diversion Ratio and Optimal Operating

Parameters of Tubular Centrifuge

Ren Qiang1，2 An Shenfa3 Chen Jiaqing1，2 Ji Yipeng1，2 Luan Zhiyong3 Yu Hai1，2 Sun Fengxu1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology；2.Beijing Key Laboratory for Critical Technology and Equipment of Deep-Water Oil amp; Gas Pipeline；3.Research Institute of Petroleum Engineering，Sinopec Shengli Oilfield Company）

The water cut of produced fluid in mature fields continues to increase.In this situation，the preliminary diversion before three-phase separator is the most economical measure to ensure the stability of the oil and gas gathering and transportation systems.In this paper，for purpose of fast and more water diversion，laboratory experiment and numerical simulation were combined to analyze how the volume fraction of water at inlet affects the separation performance of preliminary diversion tubular centrifuge，and determine its ultimate water outlet diversion ratio.Then，the variation of the separation performance collapse point of tubular centrifuge with the operating parameters under the condition of ultimate water outlet diversion ratio was investigated，and the optimal matching relationship between rotation speed and flow rate under this condition was finally determined.The research results show that as the volume fraction of water at inlet increases，the oil mass concentration at water outlet of tubular centrifuge slowly decreases，and the diversion ratio gradually increases.When the volume fraction of water at inlet is 80%，the ultimate water outlet diversion ratio is 70% （at this time，the diversion ratio is 88%）.The key reason for the increase in water outlet diversion ratio is that the oil/water contact continuously moves towards the water outlet with the increase of water outlet diversion ratio，thereby leading to a continuous increase in oil mass concentration at water outlet.Based on the entropy weight -Topsis algorithm，the economic rotation speed under the designed treatment capacity is calculated to be 600 r/min.The research results provide guidance for the optimization and performance improvement of tubular centrifuges used for preliminary diversion of produced fluid.

produced fluid of oil well；tubular centrifuge；preliminary diversion；ultimate diversion ratio；entropy weight -Topsis；operating parameter

0 引 言

國內(nèi)外大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期甚至特高含水期，增加油井產(chǎn)液量是穩(wěn)定原油產(chǎn)量、降低開采成本的有效措施。生產(chǎn)水量的急劇增加給傳統(tǒng)集輸處理工程帶來了諸多新問題和新挑戰(zhàn)［1-4］，主要體現(xiàn)在：三相分離器油出口含水體積分?jǐn)?shù)和水出口含油質(zhì)量濃度雙增加［5-6］。油相含水體積分?jǐn)?shù)增加不僅會(huì)造成油氣集輸系統(tǒng)加熱能耗上升，還會(huì)導(dǎo)致電脫水設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定［7］；而水出口含油質(zhì)量濃度增加則會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)不堪重負(fù)的水系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。因此，在三相分離器前進(jìn)行預(yù)分水，恢復(fù)三相分離器到投運(yùn)時(shí)的工況，可有效降低油系統(tǒng)處理能耗，減少水系統(tǒng)負(fù)荷，在原系統(tǒng)流程不變的情況下解決高含水帶來的新問題［8］。以進(jìn)站液量3 800 m3/d為例，將含水原油升溫20 ℃，分水率每提高10%，加熱費(fèi)用每年就可節(jié)約45萬元［9］。美國FMC Technologies公司的管式預(yù)分水器的最高分水率為60%，水出口的含油質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L［10］。阿曼石油開發(fā)公司將2個(gè)切向入口水力旋流器串聯(lián)進(jìn)行預(yù)分水，當(dāng)采出液含水體積分?jǐn)?shù)為79%時(shí)，2級(jí)綜合分水率可達(dá)75%，但水出口含油質(zhì)量濃度達(dá)到5 000 mg/L［11］?？傮w而言，在保障預(yù)分水設(shè)備水出口含油質(zhì)量濃度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，現(xiàn)有預(yù)分水設(shè)備分水率很難超過75%，進(jìn)一步提高其分水率是預(yù)分水設(shè)備研究的重要方向之一。

離心機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生強(qiáng)離心力場完成油水分離，分水率遠(yuǎn)高于水力旋流器。分水率可達(dá)99%的碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)速高、故障頻繁、碟片間隙小易污堵，且碟片間清洗困難，難以滿足油田生產(chǎn)需要［12-13］。管式離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)間隔長且不會(huì)發(fā)生污堵，更適用于油田的預(yù)分水作業(yè)。美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的管式離心機(jī)預(yù)分水試驗(yàn)結(jié)果表明，其水出口的含油質(zhì)量濃度可降至200 mg/L［14-15］。歐盟Hoverspill項(xiàng)目采用管式離心機(jī)完成溢油撇出物的預(yù)分水，當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為98%時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度可降至30 mg/L；入口含水體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度可降至1 000 mg/L，分離效率達(dá)到99%［16］。然而，缺少關(guān)于預(yù)分水用管式離心機(jī)極限分流比與最佳操作參數(shù)匹配關(guān)系的研究。

圍繞提高預(yù)分水用管式離心機(jī)的分水率與最佳操作參數(shù)匹配關(guān)系，本文采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析入口含水體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離性能的影響，探究極限水出口分流比以及影響水出口分流比增加的關(guān)鍵因素；研究極限水出口分流比工況下管式離心機(jī)分離性能崩潰點(diǎn)發(fā)生時(shí)操作參數(shù)的分布規(guī)律，并利用熵權(quán)-Topsis算法確定最經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。研究結(jié)果可為采出液預(yù)分水用管式離心機(jī)的優(yōu)化和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

管式離心機(jī)由切向入口、轉(zhuǎn)筒、葉片、環(huán)形溢流堰板、切向油出口和切向水出口等組成（見圖1a）。日本廣島大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，4葉片時(shí)其分離性能最佳［17-18］。采用4葉片結(jié)構(gòu)，則轉(zhuǎn)筒內(nèi)空間被葉片分割成4個(gè)獨(dú)立腔體。工作時(shí)，油水混合物經(jīng)切向入口進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的獨(dú)立腔體，并隨之高速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)流體產(chǎn)生的離心力使高密度水相移動(dòng)到轉(zhuǎn)筒外環(huán)，低密度油相匯聚到轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)，在自下而上的流動(dòng)過程中油水兩相逐漸分離，在溢流堰板控制下從各自出口流出。轉(zhuǎn)筒內(nèi)任意徑向位置r處的壓力pr表示為：

pr=ρω22g（r2-r2o）+po（1）

式中：ρ為混合液密度，kg/m3；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；g為重力加速度，m/s2；ro為油相徑向位置，m；po為油相出口壓力，MPa。

油水兩相界面通過環(huán)形溢流堰板調(diào)控，如圖1b所示。假設(shè)油水兩相完全分離，則油水界面半徑re處的壓力pe表示為：

pe=ρoω22g（r2e-r2o）+po=ρwω22g（r2e-r2w）+pw（2）

式中：ρo為油相密度，kg/m3；ρw為水相密度，kg/m3；rw為水相徑向位置，m；pw為水相出口壓力，MPa。

2 試驗(yàn)方法與數(shù)值模擬模型

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)工藝流程

管式離心機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)工藝流程如圖2所示。利用計(jì)量泵進(jìn)行油相定量泵送，用離心泵+閥門控制水相的流量和壓力；通過安裝在管路內(nèi)的SK型靜態(tài)混合器完成油水兩相的在線混合。當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，入口油滴粒徑分布隨入口流量的變化規(guī)律如圖3所示（油滴粒徑用Mastersizer 3000型激光粒度儀測定）。由圖3可見，隨著入口流量Qi的增加，入口油滴粒徑逐漸減小，入口流量由0.6 m3/h增加到1.4 m3/h時(shí)，入口油滴粒徑減小74%。

管式離心機(jī)由變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速范圍0～1 400 r/min。利用入口和出口閥門手動(dòng)調(diào)節(jié)分流比。水出口分流比和油出口分流比分別定義為：

Fw=QuQi×100%（3）

Fo=QoQi×100%（4）

式中：Fw為水出口分流比，%；Qu為水出口流量，m3/h；Fo為油出口分流比，%；Qo為油出口流量，m3/h。

水出口樣品經(jīng)STC-302型自動(dòng)液液萃取儀器萃取后，在CVH型TOG/TPH分析儀上測量含油質(zhì)量濃度。

2.2 數(shù)值模擬方法

2.2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks軟件繪制管式離心機(jī)流體域的物理模型，如圖4a所示。在Fluent Meshing模塊中完成多面體網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)筒中心截面定義為Z0，轉(zhuǎn)筒入口截面定義為Z1，轉(zhuǎn)筒出口截面定義為Z2。整體及Z0截面上網(wǎng)格分布如圖4b所示。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

運(yùn)用ANSYS Fluent 2020軟件開展數(shù)值模擬。管式離心機(jī)內(nèi)流場為高速旋轉(zhuǎn)流場，流動(dòng)狀態(tài)為湍流，因此采用RSM湍流模型模擬更為精準(zhǔn)［19-21］。選擇多參考系模型（MRF）對(duì)旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行計(jì)算。其中：水相為連續(xù)相，密度為998 kg/m3，黏度為1 mPa·s；根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測值，油相密度設(shè)置為850 kg/m3，黏度為40 mPa·s。選用Eulerian多相流模型進(jìn)行油水兩相分離過程的計(jì)算，該模型能夠精準(zhǔn)地研究轉(zhuǎn)筒內(nèi)兩相流動(dòng)特性及其分離性能［22-24］。設(shè)置速度入口、自由出流，采用QUICK（Quadratic upstream interpolation for convective kinetics）格式離散方程對(duì)流項(xiàng)以減小擴(kuò)散誤差；采用SIMPLE（Semi-implicit method for pressure linked equations）方法耦合壓力與速度。選用瞬態(tài)計(jì)算進(jìn)行模擬，時(shí)間步長設(shè)為0.01 s。以水出口設(shè)置含油質(zhì)量濃度趨于恒定，且誤差小于1×10-5作為收斂依據(jù)。

網(wǎng)格數(shù)量獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過43萬時(shí)，Z1截面切向速度分布隨網(wǎng)格數(shù)量增加變化的誤差率不超過1.1%，模擬中按此網(wǎng)格數(shù)量劃分物理模型。

2.3 評(píng)價(jià)方法

預(yù)分水分離器的分離效率一般超過99%，因此以水出口含油質(zhì)量濃度、油出口含水體積分?jǐn)?shù)和分水率等3個(gè)指標(biāo)作為預(yù)分水用管式離心機(jī)分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。分水率S定義為：

S=Qu（1-Wu）Qi（1-Wi）×100%（5）

式中：Wi為入口含油體積分?jǐn)?shù)，%；Wu為水出口含油體積分?jǐn)?shù)，%。

3 結(jié)果與討論

3.1 入口含水體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離性能的影響

入口流量為1.0 m3/h、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、水出口分流比為40%～80%時(shí)，管式離心機(jī)水出口含油質(zhì)量濃度和分水率隨入口含水體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見：水出口含油質(zhì)量濃度隨著入口含水體積分?jǐn)?shù)的增加緩慢降低，水出口含油質(zhì)量濃度數(shù)值模擬值和試驗(yàn)值平均誤差為12.84%；當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為70%，水出口分流比為40%時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度為1 074 mg/L，由式（5）可算出此時(shí)的分水率為57.08%；當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為90%，水出口分流比為80%時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度為479 mg/L，分水率為88%。

3.2 水出口分流比對(duì)分離性能的影響

由式（5）可知，當(dāng)入口流量和入口含水體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，分水率主要受水出口含油體積分?jǐn)?shù)和水出口流量影響，高分水率實(shí)現(xiàn)的方法就是在保證水出口含油質(zhì)量濃度的同時(shí)，提高水出口分流比。因此，通過探討極限水出口分流比確定管式離心機(jī)的最高分水率。選擇水出口含油質(zhì)量濃度拐點(diǎn)處（入口含水體積分?jǐn)?shù)為80%）工況進(jìn)行極限水出口分流比分析。當(dāng)入口流量設(shè)置為1.0 m3/h、轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min時(shí)，管式離心機(jī)分離性能隨水出口分流比變化規(guī)律的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見：水出口含油質(zhì)量濃度隨著水出口分流比的增加先緩慢增加，拐點(diǎn)出現(xiàn)在水出口分流比為70%（分水率達(dá)88%）時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度為1 145 mg/L；當(dāng)水出口分流比為75%時(shí)，水出口含油質(zhì)量濃度迅速增加至85 000 mg/L；油出口含水體積分?jǐn)?shù)隨著水出口分流比的增加先快速降低后急速增加，油出口含水體積分?jǐn)?shù)最低值亦出現(xiàn)在水出口分流比為70%時(shí)，最低為37%；當(dāng)水出口分流比增加至75%時(shí)，油出口含水體積分?jǐn)?shù)急速增加到55%，由式（5）可算出分水率反而有所降低，降至85%，油出口含水體積分?jǐn)?shù)數(shù)值模擬值和試驗(yàn)值平均誤差為5.1%。

由模擬得到的不同水出口分流比下，轉(zhuǎn)筒出口處Z2截面上油相分布如圖7所示。由圖7可見，隨著水出口分流比的增加，油水界面逐漸外移。忽略重力影響，水出口流體的伯努利方程可表示為：

pw+12ρv2w=c（6）

式中：vw為水相切向速度，m/s；c為常量。

由式（6）可知，水出口流速增加，溢流堰板處水相快速排出，水出口壓力pw降低。而由式（2）可知，隨水出口壓力降低油水界面半徑re增加。當(dāng)水出口分流比增加至75%時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)油水界面外移至水出口附近，導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場紊亂，油水界面失控，分離效率下降。由此可見，水出口分流比增加導(dǎo)致油水界面外移是阻礙水出口分流比無法進(jìn)一步提高的關(guān)鍵。

3.3 極限分流比下轉(zhuǎn)速和流量的最佳匹配

3.3.1 正交試驗(yàn)分析

由試驗(yàn)和數(shù)值模擬可知，當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，極限水出口分流比為70%，此時(shí)分水率最大，達(dá)到88%。根據(jù)《海上油氣處理系統(tǒng)規(guī)范》［25］，預(yù)分水器應(yīng)盡可能地除去油中游離水，同時(shí)使分出的游離水中含油質(zhì)量濃度降至2 000 mg/L以下。以水出口含油質(zhì)量濃度高于2 000 mg/L為崩潰點(diǎn)的判斷依據(jù)，繪制極限水出口分流比下的崩潰點(diǎn)分布，如圖8所示。

對(duì)正常運(yùn)行區(qū)各點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到轉(zhuǎn)速（y）與入口流量（x）匹配關(guān)系的表達(dá)式為：

y=67+666x（7）

3.3.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

為獲得最佳轉(zhuǎn)速流量組合，采用熵權(quán)-Topsis算法，以降低轉(zhuǎn)速、水出口含油質(zhì)量濃度和提高入口流量為目標(biāo)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速和入口流量的優(yōu)選。熵權(quán)-Topsis算法是在Topsis法中利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析［26-27］。

熵權(quán)-Topsis計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速600 r/min、入口流量1.2 m3/h為最佳的轉(zhuǎn)速流量組合，在該工況下，分水率為88%，水出口含油質(zhì)量濃度為1 546 mg/L。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)油出口分流比和入口含油比值不變時(shí)，隨著入口含水體積分?jǐn)?shù)的增加，水出口含油質(zhì)量濃度逐漸降低，油出口含水體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，分水率逐漸增加；當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為90%時(shí)，分水率達(dá)88%。

（2）當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)油水界面隨水出口分流比的增加而逐漸向水出口移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致水出口含油質(zhì)量濃度隨分水率的增加而增加；當(dāng)入口含水體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，極限水出口分流比為70%，水出口含油質(zhì)量濃度為1 145 mg/L，分水率達(dá)88%，油出口含水體積分?jǐn)?shù)為37%。

（3）繪制了極限水出口分流比工況下性能崩潰點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和入口流量分布圖譜，確定了極限水出口分流比工況下操作參數(shù)的匹配關(guān)系；并用熵權(quán)-Topsis算法確定的經(jīng)濟(jì)入口流量和轉(zhuǎn)速分別為1.2 m3/h和600 r/min。

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第一任強(qiáng)，生于1997年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛退幚砑夹g(shù)。地址：（102617）北京市大興區(qū)。email：583722240@qq.com。

通信作者：姬宜朋。email：jiyipeng@bipt.edu.cn。2024-03-032024-08-09王剛慶