操作参数对脱水型旋流器性能的影响*

2014-03-23李枫肖广阔马志权丁康玉

油气田地面工程 2014年4期

关键词：油率压力降底流

李枫肖广阔马志权丁康玉

1东北石油大学2大庆油田采油十厂3大庆油田采油工程研究院4大庆油田井下作业分公司

操作参数对脱水型旋流器性能的影响*

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1东北石油大学2大庆油田采油十厂3大庆油田采油工程研究院4大庆油田井下作业分公司

脱水型旋流器工作时，油水混合液由切向入口进入，因一定压力的作用，在设备内部进行高速旋转，形成高速旋转的涡流。应用计算流体动力学软件FLUENT，对特定结构的含油体积分数为40%的脱水型旋流器进行数值模拟分析，研究操作参数对脱水型旋流器的分离性能的影响。在一定流量下，随溢流分流比的增加，旋流器的脱水率降低，脱油率提高，底流压力损失增大，最佳分流比取决于具体需要。分流比一定时，随入口流量的增加，底流压力损失增大，脱水率和脱油率均有先增大后减小趋势。

脱水型旋流器；溢流分流比；入口流量；分离效率；压力降

脱水型油水分离旋流器是石油行业以及油类脱水等作业所迫切需要的一种高效价廉的分离设备，适用于油水混合液的含油体积分数较高的情况[1]。增加分离效率、减小压力损失是其最基本也是最重要的发展方向。而操作参数对脱水型旋流器的分离性能有着重要的影响，对其进行研究，具有一定的科学实用价值。

1 脱水型旋流器的结构原理

（1）结构。脱水型水力旋流器由入口、溢流管、旋流腔、大锥段、小锥段及底流管各组件紧闭相连形成旋流器整体，在旋流腔的下方有两个圆锥段，锥角分别为α和θ，且比脱油型水力旋流器中的数值要大。它与脱油型水力旋流器的区别是底流管很短或没有，因此长度大大缩短。

（2）工作原理。脱水型旋流器工作时，油水混合液由切向入口进入，因一定压力的作用，在设备内部进行高速旋转，形成高速旋转的涡流。在液流沿设备下行的过程中，由于离心力的作用，密度较大的水相被甩至器壁，而密度较小的油相则被挤至中心处。这样，油从顶部的溢流管排出，水从底流管排除，从而实现油和水的旋流分离。

2 方案设计

尽管水力旋流器的结构相对简单，但其内部流场却十分复杂，影响其分离效率的结构参数和操作参数也很多。由于数值模拟对现场实际应用具有指导意义，在其实际工况数据的基础上，应用计算流体动力学软件FLUENT，对特定结构的含油体积分数为40%的脱水型旋流器进行数值模拟分析，研究操作参数对脱水型旋流器的分离性能的影响。通过改变旋流器的分流比和入口流量，得到分离效率和压力降的变化规律。

通过前期的优化工作，得到一组结构数据作为脱水型旋流器的结构参数：旋流腔直径D1=46mm，底流管长度L3=0，小锥段锥角θ=4.5°，大锥段锥角α=30°，溢流管直径Du=8mm，溢流管伸入长度Lu=20mm，入口截面尺寸A为4.3×13mm2。

（1）改变溢流分流比。将入口流量固定在Qi= 4m3/h，依次改变分流比，从35%到55%（间隔为5%），分析分流比对分离效率及压力降的影响。

（2）改变入口流量。将溢流分流比固定在之前确定的最佳分流比上，依次改变入口流量，从3.2m3/h到6.4m3/h（间隔为0.8m3/h），分析入口流量对分离效率及压力降的影响。

3 物性参数及模型建立

（1）介质物性参数。模拟计算中所取介质的物性参数为：油的密度0.889×103kg/m3，动力黏度100mPa·s（脱油型旋流器处理的混合液黏度一般小于20mPa·s）；水的密度0.9982×103kg/m3，动力黏度1.003mPa·s。

（2）计算域网格生成及边界条件设置。模型采用规格网格，计算网格数约为10万，并对旋流器入口、出口的网格进行局部加密，来增加计算精度。本模拟湍流模型选取雷诺应力模型（RSM），计算中利用多相流模型，方程中对流项和扩散项的离散采用二阶迎风差分格式，压力—速度耦合使用SIMPLEC算法。在FLUENT计算中，边界条件设置如下：入口油相体积分数为40%，溢流分流比按实验方案变化；入口法向速度分量按实验方案中入口流量变化，其他两个方向速度分量为零；溢流口和底流口设定为自由出流。

4 操作参数的影响

水力旋流器在实际应用中，一般关心分离效率和压力损失两个指标，增加分离效率、减小压力损失是研究旋流器最基本、最重要的方向[2]。脱水型旋流器的分离效率分为溢流的脱水率和底流的脱油率。在数值模拟中，含油体积分数由FLUENT软件中的各相质量流率（MassFlowRate）报告换算得到。提高脱水率可在溢流口处得到较高浓度的油相；而提高脱油率可以降低底流水相中油的浓度，即增加底流水相的纯净度。

（1）溢流分流比的影响。从图1可以看出，将入口流量固定在Qi=4m3/h，随着溢流分流比的增加，旋流器的脱水率减小，脱油率增加。溢流分流比在50%时，从两方面综合来看，分离效率最高。这是因为随着溢流分流比的增大，从溢流排出的流量增大，部分油水混合液未完全分离即由溢流口排出，溢流的含水量增加，使脱水率降低；溢流流量增大的同时，底流流量减小，脱油率增加。底流压力降随着溢流分流比的增加而增加。

图1 入口流量一定时的分离效率曲线

（2）入口流量的影响。入口流量是旋流器最为重要的一个操作参数，它不仅直接决定了旋流器的处理量，而且影响着旋流器内部的湍流程度和停留时间，同时它也是旋流器压力降重要组成要素[3]。从溢流分流比一定时的分离效率曲线可看出，溢流分流比固定在最佳分流比50%时，随着入口流量的增加，脱水率和脱油率均有先增大后减小趋势。入口流量在4m3/h时，综合分离效率最高。从溢流分流比一定时的底流压力降曲线看出，随着入口流量的增加，底流压力降增加。在入口截面不变情况下，入口流量的变化会引起入口液流速度的改变。入口液流速度过小会导致分离过程所需的离心力较小，分离效率降低；入口液流速度过大，液滴由于剪切作用而发生的分裂也随之增多，而且由于水滴的表面张力比油滴小，也会使分离效率下降。