夏宏澤 白健華 趙宇 孫超 馬駿 何亞其

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

0 引 言

目前渤海大部分主力油田進(jìn)入高含水階段，雖然很多平臺(tái)具有較大的提液空間，但是平臺(tái)產(chǎn)液處理能力的不足制約了油田的提液增產(chǎn)，且平臺(tái)空間有限，故有必要開(kāi)展高效油水處理技術(shù)研究[1-2]。水力旋流器是一種利用離心力來(lái)完成互不溶且存在密度差的兩相或多相流體分離的設(shè)備，其占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足平臺(tái)對(duì)油水處理設(shè)備的需求[3-4]，但是由于井口采出液乳化嚴(yán)重，小粒徑油滴所受離心力較小，水力旋流器對(duì)小粒徑油滴分離效果較差。

近年來(lái)，已有學(xué)者研究了如何提高水力旋流器對(duì)小粒徑油滴的分離效率。呂鳳霞等[5]研究了單錐和雙錐結(jié)構(gòu)的旋流器對(duì)油水分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)雙錐結(jié)構(gòu)對(duì)小粒徑油滴具有較好分離效果；劉培坤等[6]研究了單溢流管和雙溢流管結(jié)構(gòu)旋流器對(duì)油水的分離效率，得出雙溢流管結(jié)構(gòu)內(nèi)流體切向速度大，有利于對(duì)細(xì)小油滴的分離；應(yīng)銳等[7]設(shè)計(jì)了復(fù)合型水力旋流器，與傳統(tǒng)靜態(tài)水力旋流器相比，其內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性與離心力場(chǎng)的強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，更適用于微小顆粒的分級(jí)作業(yè)；劉培坤等[8]模擬了?8 mm的雙錐角微型旋流器，發(fā)現(xiàn)雙錐角微型旋流器可明顯改善底流夾細(xì)和溢流跑粗現(xiàn)象;袁惠新等[9]對(duì)3種不同錐段長(zhǎng)度的微型旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出適當(dāng)增大旋流器錐段長(zhǎng)度對(duì)提高旋流器的分離效率有利。上述研究均通過(guò)優(yōu)化旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)增大內(nèi)部流體的切向速度與離心力場(chǎng)強(qiáng)度的方式，來(lái)提升其對(duì)細(xì)微顆粒的分離效果，但是不同粒徑的顆粒均在同一結(jié)構(gòu)中分離，不能對(duì)大、小粒徑同時(shí)進(jìn)行針對(duì)性的分離。馬駿等[10-11]提出一種粒徑重構(gòu)旋流器，通過(guò)入口結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大、小粒徑油滴的重新排列，再通過(guò)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)對(duì)大、小粒徑的油滴進(jìn)行高效分離，通過(guò)數(shù)值模擬研究了入口彎管角與操作參數(shù)對(duì)旋流器分離效率的影響，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

本文在前人優(yōu)化粒徑重構(gòu)旋流器入口彎管角的基礎(chǔ)上，研究切向入口高度、內(nèi)層溢流管直徑及內(nèi)錐段長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)粒徑重構(gòu)旋流器內(nèi)部油滴粒徑分布、油相體積分?jǐn)?shù)與分離效率的影響，以進(jìn)一步提高旋流器的分離效率，并利用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)展不同處理量和分流比的油水分離試驗(yàn)，以驗(yàn)證旋流器的分離效果與數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。所得結(jié)論可為粒徑重構(gòu)旋流器的進(jìn)一步優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多相流模型

多相流模型多用于解決各相速度不相同的多相流問(wèn)題。任何流體的流動(dòng)過(guò)程都要受質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒的制約。連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別如式(1)及式(2)所示[12-13]。

(1)

(2)

式中：下標(biāo)i表示水相或油相；t為時(shí)間，s；α為體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度，kg/m3；?為拉普拉斯算子；u為速度矢量，m/s；τ為應(yīng)力張量，Pa；p為壓力，Pa；Mi為相間動(dòng)量交換項(xiàng)，kg/(m·s)2；g為重力加速度，m/s2。

1.2 群體平衡模型

在旋流器內(nèi)油滴由于剪切力的作用會(huì)發(fā)生的聚結(jié)與破碎，所以不可忽視粒徑變化對(duì)旋流器分離效果造成的影響，需在多相流體系中添加群體平衡方程。群體平衡方程如下[14-15]：

S(V,t)=BC(V,t)-DC(V,t)+BB(V,t)-DB(V,t)

(3)

式中：S(V,t)為液滴聚并和破碎的源相；BC(V,t)和DC(V,t)分別為聚并導(dǎo)致的液滴生成和破滅；BB(V,t)和DB(V,t)分別為破碎導(dǎo)致的液滴生成和破滅；V為液滴體積，m3。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

圖1為旋流器研究截面示意圖。本文采用SolidWorks軟件對(duì)粒徑重構(gòu)旋流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，以旋流器頂部中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，軸向?yàn)閦軸正向，徑向?yàn)閤、y軸，并選取截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ作為研究截面。旋流器工作原理為：油水混合液從入口進(jìn)入，先經(jīng)過(guò)彎管，由于小粒徑油滴與大粒徑油滴所受慣性力不同，分別集中在彎管的內(nèi)側(cè)與外側(cè)流動(dòng)并被擋板隔開(kāi)，隨混合液進(jìn)入嵌套式的內(nèi)層及外層旋流器，內(nèi)層旋流腔直徑小，使流體所受的離心力增大，促進(jìn)對(duì)小粒徑油滴分離，經(jīng)過(guò)2層旋流分離后，內(nèi)、外層溢流管流出的油相匯集后，由底部沿著軸向向下排出，內(nèi)、外層底流管流出的水相匯集后由底部切向出口排出。

圖1 粒徑重構(gòu)旋流器研究截面示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Gambit軟件對(duì)粒徑重構(gòu)旋流器的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分以保證模型計(jì)算精度[16]，網(wǎng)格劃分如圖2所示。為了進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性檢驗(yàn)，本文對(duì)不同網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量(390 339、497 514、594 514與710 109)下的旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，以旋流器的油水分離效率為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示：分離效率隨著網(wǎng)格數(shù)量的逐漸增大而升高，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在594 514后，分離效率隨網(wǎng)格數(shù)的增加幾乎不變，即模擬結(jié)果不再受網(wǎng)格數(shù)的影響。為保證計(jì)算精度并節(jié)約時(shí)間，本文的數(shù)值模擬在旋流器的網(wǎng)格數(shù)為594 514時(shí)開(kāi)展。

圖2 旋流器流體域網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件與數(shù)值解法

模擬計(jì)算采用多相流Mixture模型，入口流量為2.3 m3/h，含油體積分?jǐn)?shù)為3%，主相水的密度與動(dòng)力黏度分別為998.2 kg/m3與1.003×10-3Pa·s，離散相油的密度與動(dòng)力黏度分別為889 kg/m3與1.006 Pa·s，溢流總分流比為30%。為考慮旋流過(guò)程中油滴粒徑的變化，采用群體平衡模型，湍流計(jì)算模型選擇雷諾應(yīng)力模型，入口為速度入口，出口為自由出口，選用壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，壓力速度耦合選用Simple算法，選用二階迎風(fēng)差分離散格式，壁面不可滲漏，無(wú)滑移條件，殘差精度為10-6。

根據(jù)旋流場(chǎng)中流體的特性，考慮旋流過(guò)程中油滴粒徑的變化，對(duì)群體平衡模型中的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。模擬時(shí)表面張力系數(shù)取0.04，油滴粒徑取0.05、0.10、0.20、0.40及0.80 mm，各粒徑體積分?jǐn)?shù)取20%。

3 結(jié)果分析

3.1 初始結(jié)構(gòu)

圖3為不同粒徑油滴流線圖(用油滴粒徑表示)。由圖3可知，大粒徑油滴集中在外層旋流器，而小粒徑油滴大部分集中在內(nèi)層旋流器。通過(guò)初步模擬，得出粒徑重構(gòu)旋流器達(dá)到了粒徑分離的預(yù)想效果。

圖3 不同粒徑油滴流線圖

在確定粒徑重構(gòu)旋流器入口位置最佳彎管角為180°的基礎(chǔ)上，結(jié)合旋流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，優(yōu)化方案如表1所示。通過(guò)單一變量法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的旋流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入研究，得出旋流器內(nèi)部粒徑分布、油相體積分?jǐn)?shù)以及分離效率的變化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)選出旋流器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選方案 mm

3.2 切向入口高度

旋流器的總切向入口高度為20 mm，擋板厚1 mm。保持總切向入口高度不變，改變內(nèi)層切向入口高度，外層切向入口高度隨之改變。圖4為不同內(nèi)層切向入口高度L1下油滴粒徑分布云圖。旋流器的切向入口高度對(duì)旋流器入口不同粒徑油滴分布影響較大。由圖4可知：內(nèi)層切向入口高度越小，內(nèi)層油滴粒徑越小，粒徑分離越明顯；內(nèi)層切向入口高度為5.1 mm時(shí)，內(nèi)外層油滴粒徑相差0.09 mm，隨著內(nèi)層切向入口高度逐漸增大，粒徑重構(gòu)效果逐漸減弱；當(dāng)內(nèi)層切向入口高度大于外層切向入口高度時(shí)，部分大粒徑油滴跟隨小粒徑油滴進(jìn)入內(nèi)層旋流器，嚴(yán)重影響粒徑重構(gòu)效果。

圖4 不同切向入口高度下油滴粒徑分布云圖

在截面Ⅰ上選取y=-32.7 mm處的一條直線(圖4中直線A)，研究其上油滴粒徑分布，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著內(nèi)層切向入口高度的增大，擋板上下油滴粒徑差值減小，且當(dāng)內(nèi)層切向入口高度大于7.6 mm時(shí)，在直線A處內(nèi)層切向入口中的油滴粒徑反而大于外層切向入口中的油滴粒徑。由此可見(jiàn)，內(nèi)層切向入口高度為5.1和7.6 mm時(shí)，油滴粒徑的選擇分離效果較好，但內(nèi)層切向入口高度過(guò)小，流體速度快，不利于油滴的聚集與分離，故內(nèi)層切向入口高度選為7.6 mm。

圖5 不同內(nèi)層切向入口高度下油滴粒徑分布曲線

3.3 內(nèi)層溢流管直徑

在入口彎管結(jié)構(gòu)的作用下，小油滴由內(nèi)層切向入口進(jìn)入內(nèi)層旋流器。該旋流器的高效分離體現(xiàn)在對(duì)小油滴的分離，旋流器的內(nèi)層結(jié)構(gòu)對(duì)旋流器的分離性能影響較大[17]。圖6為不同內(nèi)層溢流管直徑d的旋流器的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖6 不同內(nèi)層溢流管直徑旋流器的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖6可以看出，隨著內(nèi)層溢流管直徑增大，溢流管中心處的油相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，但所形成的中心油核面積越來(lái)越小。觀察縱剖面油相分布云圖發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層溢流管直徑越大，內(nèi)層旋流器中的油相分布越不均勻。這表明內(nèi)層溢流管直徑較大時(shí)，旋流腔內(nèi)部流場(chǎng)不穩(wěn)定，分離效果較差。

圖7為不同內(nèi)層溢流管直徑旋流器的油水分離效率對(duì)比曲線。由圖7可知：隨著內(nèi)層溢流管直徑的增大，旋流器的分離效率先升高后降低，在研究范圍內(nèi)，旋流分離器的分離效率最大變化值為0.99%；在內(nèi)層溢流管直徑為4.5 mm時(shí)，分離效率達(dá)到最大值98.12%。綜合油相分布及效率分析，內(nèi)層溢流管直徑為4.5 mm時(shí)，分離效果最好。

圖7 不同內(nèi)層溢流管直徑旋流器的油水分離效率對(duì)比曲線

3.4 內(nèi)層錐段長(zhǎng)度

圖8為不同內(nèi)層錐段長(zhǎng)度L2時(shí)旋流器在截面Ⅲ上的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖8 不同內(nèi)層錐段長(zhǎng)度時(shí)旋流器的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

對(duì)比出口管內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)分布可知：內(nèi)層錐段長(zhǎng)度對(duì)底流管和溢流管油相分布影響明顯，隨著內(nèi)層錐段長(zhǎng)度的增大，油水兩相在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，內(nèi)層溢流口內(nèi)中心油核面積逐漸減小，對(duì)應(yīng)的內(nèi)層底流口內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)也隨之改變；在內(nèi)層錐段長(zhǎng)度為108 mm時(shí)，內(nèi)層溢流口內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)較高，中心處含油體積分?jǐn)?shù)為0.75，且內(nèi)層底流口中含油體積分?jǐn)?shù)最小，為0.01。

圖9為不同內(nèi)層錐段長(zhǎng)度旋流器分離效率的對(duì)比曲線。由圖9可知：內(nèi)層錐段長(zhǎng)度對(duì)旋流器的分離效率影響較大，在研究范圍內(nèi)，旋流分離器的分離效率最大變化值為3.98%；隨著內(nèi)層錐段長(zhǎng)度的增大，旋流器的分離效率先升高后降低，在內(nèi)層錐段長(zhǎng)度為108 mm時(shí)，達(dá)到最大值98.12%。

圖9 不同內(nèi)層錐段長(zhǎng)度旋流器分離效率的對(duì)比曲線

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 工藝流程

圖10為室內(nèi)試驗(yàn)工藝流程圖。

1—油罐；2—流量計(jì)；3—靜態(tài)混合器；4—壓力計(jì)；5—取樣閥；6—排液閥；7—廢液池；8—旋流器；9—變頻器；10—流量控制閥；11—螺桿泵；12—計(jì)量泵；13—水罐。

工藝流程原理為：在油罐中加入GL5-85W-90重負(fù)載型齒輪油，水罐中加入常溫自來(lái)水；油罐中的油相在柱塞式計(jì)量泵的作用下，水箱中的水相在螺桿泵的作用下，共同流入靜態(tài)混合器內(nèi)進(jìn)行充分混合，再進(jìn)入粒徑重構(gòu)旋流器進(jìn)行油水分離；分離出的油相與水相分別從溢流管線和底流管線經(jīng)過(guò)各自的流量計(jì)和排液閥進(jìn)入廢液池中；每種工況下在旋流器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)對(duì)入口、溢流口與底流口進(jìn)行取樣，利用紅外分光測(cè)油儀化驗(yàn)樣液含油體積分?jǐn)?shù)，并計(jì)算分離效率。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)海上油田某井實(shí)際含水體積分?jǐn)?shù)，將油水混合液的含油體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為5%(含水體積分?jǐn)?shù)為95%)，旋流器溢流分流比設(shè)定為29%，處理量設(shè)定為2.5、2.9、3.3、3.7和4.1 m3/h。

圖11為不同處理量下旋流器分離效率模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比曲線。從圖11可以發(fā)現(xiàn)：入口流量在2.5～4.1 m3/h時(shí)，旋流器模擬和試驗(yàn)的分離效率都隨處理量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，試驗(yàn)值均低于模擬值，這是因?yàn)樵诹髁窟^(guò)大與試驗(yàn)工況下都容易導(dǎo)致油滴乳化破碎，降低分離效率；在入口流量為3.3 m3/h時(shí)，旋流器分離效率的模擬值和試驗(yàn)值均取得最大值，分別為97.6%與96.62%；在處理量為2.5 m3/h時(shí)，試驗(yàn)值與模擬值相差較大，可能是取樣時(shí)旋流器內(nèi)流場(chǎng)波動(dòng)導(dǎo)致的，其他數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出較好的一致性，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

圖11 不同處理量下旋流器分離效率試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比曲線

設(shè)定入口流量為3.3 m3/h，旋流器入口含油體積分?jǐn)?shù)為5%，溢流分流比設(shè)定為24%、29%、34%、39%和44%，分析不同分流比下旋流器的分離效果，結(jié)果如圖12所示。從圖12可以發(fā)現(xiàn)：分流比在24%～44%時(shí)，兩曲線變化規(guī)律及重合度均較好，分離效率模擬值與試驗(yàn)值的最大誤差為1.64%，試驗(yàn)值均略低于模擬值；隨著分流比的增加，分離效率均先升高后降低，分流比為39%時(shí)，分離效率模擬值與試驗(yàn)值最高，分別為97.73%與97.01%。

圖12 不同分流比下旋流器分離效率試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比曲線

5 結(jié) 論

(1)本文對(duì)粒徑重構(gòu)旋流器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選，對(duì)其油水分離的基本原理、流場(chǎng)特性、粒徑分布及分離性能等進(jìn)行了較為全面的分析，分析結(jié)果顯示，該旋流器相對(duì)于常規(guī)旋流器可提升細(xì)小油滴的分離效率，證明了粒徑重構(gòu)旋流器對(duì)解決海上部分油田因油水處理瓶頸導(dǎo)致的提液困難問(wèn)題的可行性。

(2)對(duì)粒徑重構(gòu)旋流器的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬與對(duì)比分析，優(yōu)選出的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)層切向入口高度7.6 mm，外層切向入口高度11.6 mm，內(nèi)層溢流管直徑4.5 mm，內(nèi)層錐段長(zhǎng)度108 mm。優(yōu)化后旋流器的分離效率由97.31%提高至98.12%。

(3)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比，不同流量和分離比下旋流器的油水分離效率的變化規(guī)律及重合度均較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在流量為3.3 m3/h、分流比為39%時(shí)，旋流器油水分離效率模擬值與試驗(yàn)值最高，分別為97.73%與97.01%。