加气浮选器（GFU）喷嘴改造对收油率的提升

赵有龙 林建伟 刘政伟 张笑龙 韦 涛

（中海油能源发展采油服务公司，天津塘沽，邮编：300452）

1.前言

1.1 现场加气浮选器（GFU）原理

加气浮选器（GFU）是一种有效的液液分离方法，可分离颗粒密度接近于水的细小颗粒，经过隔油处理的水中尚含有一部分乳化液，由于乳化液疏水不强，需要投入化学药剂增加分离效率，采用溶气装置进行溶气回流，液流经过加气浮选循环泵加压，然后利用水射器带气的原理将柜体覆盖气吸入溶气装置，溶气装置中保持一定的压力使气体溶解到水中。溶气水在释放管中减压后，水中的气体以微小的气泡的形式释放出来，吸附悬浮颗粒的表面，上浮会面，形成浮渣层，浮渣层堰形槽流入排油管道中进入到闭排系统。如图1所示加气浮选器装置的流程图。

图1 气浮选器流程图

1.2 加气浮选器效率低原因分析

但是原有的加气浮选器的浮选效率在逐渐下降，化验值不能满足生产要求。经过清洗浮选罐、更换清洗溶气装置内的填料环、调节气浮泵泵压、流量，但是处理的水溶液始终不能达到处理要求。最终归结溶气装置内不能够产生足够量的合格的形成相对稳定的气液乳状液而不能使得水中的油颗粒不能悬浮上升而充分分离。溶气装置的核心部件就是喷射装置，喷射装置能否使得气液产生好的气液乳状液决定了加气浮选器的效率好坏。拆修喷射装置发现原喷嘴损坏严重，已经失效。

1.3 解决方案

考虑到设备老旧，喷嘴形状严重变形无法按原尺寸委托加工定制，且购买周期长，故可根据已知的喷射泵的其他结构尺寸对该喷嘴进行重新设计加工，加以改进。

2 喷射装置的原理、结构

喷射装置的原理是水在高压下以很高的流速从喷嘴中喷出，使周围的空间形成一定的负压，将低压气体带入高速的流体中，吸入的气体与水混合后进入扩大管，速率逐渐降低，静压力因而升高，最后经排出口排出。如图2所示喷射泵的结构及工作原理：

图2 喷射泵的结构及工作原理

2.1 喷射泵结构特性

1)混合室又称喉管，常做成圆柱形。随着动量交换的继续进行，流束在喉管中渐趋均匀，压力也逐渐升高。

2)喉嘴距Lc：喷嘴出口至混合室进口截面的距离喉嘴距lc对水射水泵的工作性能也有较大影响。

3)Lc太大时，由于与壁面相交前的流束太长，被引射进入混 合室的流量就太多，以致不能将其增压到足够的排出压力，混合室外周就会出现倒流现象，使能量损失增加；

4)Lc太小时，又会使混合室的有效长度缩短，不能充分进行动量交换，以使流束的流速更趋均匀，也同样会使能量损失增加。

5)最佳喉嘴距Lc、大致可选取，一般多在（0.5～2）d0范围内，也可通过试验来确定。

2.2 喷射泵的特性

1)结构简单、工作可靠、无运动部件、寿命长、无需修理；

2)自吸能力强、能造成较高的真空；

3)可输送含有杂质的污浊流体；

4)效率低 η＜25%。

3 喷嘴设计

由于现有喷射装置的吸入室，混合室及扩压管的结构尺寸已经固定，考虑改变原有的设计会导致加工量大，且不能迅速恢复生产，故只对喷嘴进行重新设计。

3.1 设计方案：

喷射泵各部件的几何尺寸直接影响喷射泵的性能，在相同的设计条件下，不同的结构尺寸参数和相对位置会得到性能出入很大的喷射泵。在喷射泵内虽然没有运动部件，但是在泵内确实两相性能差别非常大的流体，在泵内进行紊动、混合、扩散和热交换时，很难用一个完整的理论公式来进行表达，本设计方案主要采用一组简单且经过大量实践的计算公式进行设计。3.1.1已知设计条件：

工作水压力由一台离心泵（ZA80-2250）提供，设计流量 V1=91m3/h，杨程：67m

①正常工况中工作水流量控制在V1=30m3/h

②正常工况工作水的压力P1=5.5bar

③工作水温度t1=76℃

④正常工况下吸入气体的压力P2=0.025bar

⑤正常工况下排出气体的压力P3=1.0bar

图3 喷射泵图

已知的喷射泵外形尺寸如图3所示：根据已知的数据要计算喷嘴的直径d0、喷嘴接管直径D2以及喷嘴出口距离混合管的距离Lc，喷嘴的总长度 L。

3.1.2 由经验计算公式得出：

①工作液体通过喷嘴前后的压力降：

②被吸气体经过喷射泵后的压力提升

③流量比K C=0.85为真空度系数

④ 工作水在喷嘴处的流速：φ为流速系数，φ=0.93～0.80，根据水力学原理推出流速公式：

⑤d0为喷嘴的直径，根据流量=流速X横截面积得：

由上公式可见；喷嘴的出口速度，出口流量受工作压降的影响很大，当结构尺寸定下来后，工作流体流经喷嘴的速度和流量就取决于压降的大小了，工作压降越大，喷嘴流速和流量就越大，反之则越小。

⑥D2工作水在喷嘴前的接管直径。

经验公式ω′一般取5-9m/s

⑦喷嘴出口距离混合管的距离Lc，取Lc=0.5～2d0

Lc=1.0d0=1.0x20=20mm，

因此确定喷嘴结构的总长度L=203-20=183mm

⑧ 喷嘴收缩全角ɑ取15～25，这里取ɑ=20

从而最终得出，

d0=20mm，D2=46mm,L=183mm，

新设计喷嘴尺寸如图4所示。

图4 新设计喷嘴结构图

3.2 新喷嘴在实际中的应用

根据设计已知条件的进口压力和进口流量是取自该加气浮选器正常工作时的工况值，并不是采用的该设备的最大工况值是出于设备寿命的考虑，说是由于该设备老化严重，部分结构腐蚀严重，故采用一般工况进行设计改造。

考虑到介质的高温并含有硫化氢等腐蚀性气体，喷嘴的材质选用不锈钢材质，且有意增加了喷管的壁厚。由于喷嘴结构流速均属于亚音速流动，其截面积由大到小变化，最小尺寸在出口处。为了避免流速磨损导致喷嘴直径扩大影响使用效果，故在最小尺寸处设计成圆柱形，且不得有锥度、椭圆、腰鼓等现象。且要保证喷嘴处与前端保持一定的同心度，内部采用机加工保证工件的表面粗糙度。

表1 实验数据对照表

安装喷射泵之后的调试数据

4 结论

新设计喷嘴安装后经过近两周的不断调试，每天进行取样化验连续监测。GFU实验数据如表1所示：

通过图表可以看出在安装喷射泵之前除油效果极差，原因是因为气体没有充分与水混合而且气泡的直径较大，没有携油能力，几乎起不到除油作用，所以核桃壳滤器污染较重再生能力降低。长此以往就形成恶性循环，即浪费资源又给地层造成污染，通过图表对比在安装完喷射泵后很明显的可以看出除油效果达到50%以上，入口水质较差时除油率甚至达到70%。2011年总共更换4次核桃壳滤料，平均每季度更换一次，2012年半年才更换一次，以上充分说明在安装完喷射泵后大大改善了整个生产水的处理状况，提高了生产水水质。

由上述实验数据对比可以看出新设计喷嘴在实际生产中对加气浮选器（GFU）的收油率有了很大的提升，从而达到了改造效果。

[1]吴无恙.水喷射泵设计及应用.上海：上海海峰出版社，1983

[2]机械工程手册，第一版北京，机械工业出版社2007

[3]催桂香.流体力学[M].北京，清华大学出版社.1998