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分离腔结构对井下旋流器分离性能的影响研究
张勇1,2, 曹志红1, 张爽1, 邢雷1,2     
1. 东北石油大学机械科学与工程学院;
2. 黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室
摘要: 为得到水力旋流器的最佳分离效果,采用数值模拟方法,通过改变入口进液速度和分流比,对导锥式旋流器和倒锥式旋流器的流场特性及分离性能进行了对比分析,获得了相同操作参数下两种结构的速度场、浓度场(溢流口油相体积分数)及压力场分布特性。分析结果表明:当入口进液速度为0.3~1.5 m/s时,导锥式旋流器具有较高的分离性能,此时压降比不高于1.5,溢流口油相集中,随入口进液速度增大分离效率由97.5%上升到99.2%;当进液速度为1.5~3.5 m/s时,倒锥式旋流器分离高效且稳定,此时压降比不高于1.5,溢流口油相集中,随入口进液速度增大分离效率由98.0%上升到99.7%;倒锥式旋流器的零轴向速度包络面有扩充作用,且倒锥结构可减缓流场中混合液速度;导锥式旋流器最佳分流比为20%,倒锥式旋流器最佳分流比为30%。研究结果可为同井注采工艺中油水分离器选型提供参考。
关键词: 轴入式    水力旋流器    分离性能    分流比    压降比    分离效率    数值模拟    
Influence of Separation Chamber Structure on Separation Performance of Downhole Hydrocyclone
Zhang Yong1,2, Cao Zhihong1, Zhang Shuang1, Xing Lei1,2     
1. Machinery Science and Engineering College, Northeast Petroleum University;
2. Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Treatment and Pollution Prevention
Abstract: To obtain the best separation performance of hydrocyclone, the flow field characteristics and separation performance of the starting-taper hydrocyclone and back-taper hydrocyclone are analyzed using numerical simulation method by changing the inlet velocity and the split ratio. The velocity field, concentration field and pressure field distribution of the two hydrocyclone structures under the same operating parameters are obtained. Under the inlet velocity of 0.3~1.5 m/s, the starting-taper hydrocyclone has a better separation performance. The pressure drop ratio is not higher than 1.5, and the oil phase of the overflow port is concentrated. The separation efficiency increases from 97.5% to 99.2% with the increase of the inlet velocity from 0.3 m/s to 1.5 m/s. When the inlet velocity is 1.5~3.5 m/s, the back-taper hydrocyclone separation efficiency is better and stable. The pressure drop ratio is not higher than 1.5, and the oil phase of the overflow port is concentrated. The separation efficiency increases from 98.0% to 99.7% with the inlet velocity increased from 1.5 m/s to 3.5 m/s. The back-taper structure can slow down the velocity of the mixed liquid in the flow field. The optimal split ratio of the starting-taper hydrocyclone and the back-taper hydrocyclone is 20% and 30%, respectively.
Keywords: axial type    hydrocyclone    separation performance    split ratio    pressure drop ratio    separation efficiency    numerical simulation    

0 引言

随着油田的不断开发,油田采出液的水油比大幅度增高,井下油水分离及同井注采技术可解决油田高含水带来的诸多问题[1-3]。水力旋流器[4-6]具有结构紧凑、分离快速、安装运输方便且分离效果显著等优点,被广泛应用于油田油水分离[7-8]以及城市污水处理中[9-10]。井下空间受限及连续处理的工况要求使得旋流分离器被逐渐应用到同井注采工艺,实现井下油水分离。受井下径向尺寸限制,同井注采工艺配套使用的旋流器[11-12]入口形式多采用轴入式[13-14]。赵立新等[15]通过对新型轴入式旋流器螺旋叶片的优化,得到了螺旋叶片出口角度以及螺旋圈数和叶片数量对油滴聚结、流场特性的影响。张成安等[16]将螺旋管线圈安置于旋流器不同位置,通过调节励磁电流,初步明确磁场作用下降低重质旋流器分选密度的原因。蒋明虎等[17]分析了分流比和入口进液速度对导锥式旋流器流场性能的影响,得到了轴入导锥式旋流器适用的最佳分流比及入口进液速度。盛庆娇[18]对倒锥式旋流器进行了结构优选以及流场特性研究。也有学者通过研究旋流器的分离性能得到两级串联旋流器的最佳处理量和分流比[19]

本文针对导锥式和倒锥式旋流器在相同参数下的适用性进行对比和分析,具体为改变入口进液速度和分流比,通过分析流场特性和分离效果,明确其最佳运行区间和井下适用范围。研究结果可为同井注采工艺中井下油水分离器的选型提供参考。

1 边界条件设置

对两种旋流器的流体域进行等比例建模,并采用Gambit软件对模型进行六面体单元网格划分。由于螺旋流道扭曲率较大,所以在螺旋流道处进行网格加密。图 1为两种旋流器模型网格划分图。网格检验显示两种旋流器网格有效率均为100%。

图 1 模型网格 Fig.1 Mesh generation of the model

物性参数及边界条件:主相水的密度和离散相油的密度分别为998.2和870.0 kg/m3,水的黏度为1.03×10-3 Pa·s,油的黏度为1.06 Pa·s,油相体积分数为2%,油滴粒径为0.5 mm。

控制方程:由于雷诺应力模型能够描述复杂湍流且可根据流线曲率旋转自动调节,所以对旋流器内流场进行数值模拟时采用雷诺应力模型。

在研究入口进液速度对旋流器流场特性及分离性能的影响时,先将分流比设为20%,入口进液速度在0.3~3.5 m/s范围内变化;在研究分流比对旋流器流场特性及分离性能的影响时,将入口进液速度设为3 m/s,分流比在10%~40%范围内变化。

2 数值模拟及结果分析 2.1 速度场对比分析 2.1.1 轴向速度

水力旋流器的内部速度场分布较复杂,其中零轴向速度包络面(Locus of Zero Vertical Velocity, LZVV)将旋流器内的涡流分为内旋流及外旋流两部分。LZVV的形状、位置及尺寸将直接影响液流运动方向,从而影响旋流器的分离效率。模拟得出不同入口进液速度下两种旋流器在截面A(距入口距离300 mm)位置的轴向速度分布如图 2所示。从图 2可以看出:倒锥式旋流器内旋流尺寸约为导锥式旋流器的3倍。这说明倒锥式旋流器核心处内旋流的液体大部分流向溢流口方向。

图 2 入口进液速度对两种旋流器轴向速度分布的影响 Fig.2 Effect of inlet velocity on axial velocity distribution of the two hydrocyclones

分流比对两种旋流器在截面A位置轴向速度分布的影响如图 3所示。从图 2图 3可以看出:LZVV不随入口进液速度变化而变化,但随分流比的变化呈现不同的变化规律;当轴向速度为0时对应的径向位置范围随着分流比的增大而增大,即导锥式旋流器LZVV随着分流比的增大而增大,而倒锥式旋流器不同分流比对应的径向位置范围基本不变;当导锥式旋流器分流比为40%时,LZVV在界面处的投影基本稳定在圆心半径10 mm的圆上;当分流比为10%,LZVV急剧缩小成半径为3 mm的圆。其原因为倒锥结构以锥形结构深入流体域,增大了该截面上向溢流方向运动的液体量。

图 3 分流比对两种旋流器轴向速度分布的影响 Fig.3 Effect of split ratio on axial velocity distribution of the two hydrocyclonesc

2.1.2 切向速度

由于旋流器内的非均相介质分离主要依靠旋转产生的离心力,所以切向速度对分离性能的影响尤为显著。数值模拟得出不同入口进液速度条件下两种旋流器切向速度分布如图 4所示。

图 4 入口进液速度对两种旋流器切向速度分布的影响 Fig.4 Effect of inlet velocity on tangential velocity distribution of the two hydrocyclones

图 4可知:两种旋流器准自由涡半径均为21 mm,说明不同旋流腔结构对内旋流区大小无影响;做x=-15 mm直线与v=0.3 m/s和v=3.5 m/s图像相交,得导锥式旋流器交点切向速度之差约为倒锥式旋流器的3倍。其原因为:倒锥结构在准自由涡内与混合液体之间的相互作用力使得混合液体在切向方向上受力减小,在相同入口进液速度情况下,倒锥式旋流器旋流腔截面处切向速度小于导锥式旋流器。

不同分流比下两种旋流器截面处切向速度对比见图 5。由图 5可知,在准自由涡内,随着分流比降低,切向速度增大,准强制涡内分流比的改变对切向速度无影响。做x=-10 mm直线对比其与分流比为10%、35%交点的纵坐标可知:分流比由10%变化到35%,导锥式旋流器的切向速度降低0.9 m/s,大于倒锥式的降低幅度0.6 m/s。这再一次证明相同入口进液速度下,倒锥结构与混合液体的相互作用使得倒锥式旋流器切向速度低于导锥式旋流器切向速度。

图 5 分流比对两种旋流器切向速度分布的影响 Fig.5 Effect of split ratio on tangential velocity distribution of the two hydrocyclones

2.1.3 径向速度

入口进液速度和分流比对两种旋流器径向速度分布的影响分别如图 6图 7所示。由图 6图 7可知:倒锥式旋流器径向速度均小于导锥式旋流器,且在图 6中-15 mm位置,速度从0.3 m/s上升到3.5 m/s,导锥式径向速度上升1.02 m/s,倒锥式上升0.22 m/s,说明倒锥结构使入口进液速度对径向速度的影响减小;分流比对倒锥式旋流器取样截面径向速度的影响小于导锥式旋流器,说明倒锥结构使分流比对径向速度的影响减小。

图 6 入口进液速度对两种旋流器径向速度分布的影响 Fig.6 Effect of inlet velocity on radial velocity distribution of the two hydrocyclones

图 7 分流比对两种旋流器径向速度分布的影响 Fig.7 Effect of split ratio on radial velocity distribution of the two hydrocyclones

2.2 压力损失对比

水力旋流器利用不同介质的密度不同而进行离心分离,并在其内部形成准自由涡和准强制涡的组合涡结构,因此要实现旋流分离,必须有压力损失,但过大的压力降不利于旋流器的实际应用。由于用溢流压降和底流压降无法评估水力旋流器整体压降,所以采用压降比(溢流压降与底流压降之比)评估压力损失。不同入口进液速度下压降比如图 8所示。由图 8可知:随着入口进液速度不断增大,压降比也不断增大;相同入口进液速度下导锥式旋流器压降比大于倒锥式,且入口进液速度越大,两种旋流器压降相差越大。为保证旋流器的推广使用,应保证旋流器压力损失较小,即压降比较小,因而推荐导锥式旋流器入口进液速度为0.0~1.5 m/s。

图 8 入口进液速度对两种旋流器压降的影响 Fig.8 Effect of inlet velocity on pressure drop of the two hydrocyclones

2.3 浓度场(溢流口油相体积分数)对比

模拟得出入口进液速度对两种旋流器溢流口油相体积分数的影响如图 9所示。从图 9可见:当速度为1.5~3.5 m/s,不同入口进液速度下导锥式旋流器溢流口油相体积分数图像重合且体积分数最大,即溢流口油相最集中;速度3.5 m/s时倒锥式旋流器溢流口油相体积分数最大,溢流口油相最集中。

图 9 入口进液速度对两种旋流器溢流口油相体积分数的影响 Fig.9 Effect of inlet velocity on oil phase volume fraction distribution of the overflow port of the two cyclone overflows

数值模拟得出分流比对两种旋流器溢流口油相体积分数的影响如图 10所示。由图 10可知:分流比为10%~20%时,导锥式旋流器溢流口油相体积分数随分流比的增大而增大;分流比20%~40%时,随分流比增大,溢流口油相体积分数下降;分流比为10%~30%时,倒锥式旋流器溢流口油相体积分数随分流比的增大而增大;分流比30%~40%时,随分流比的增大,溢流口油相体积分数下降;分流比为30%时,溢流口油相体积分数最大,即油相最集中。

图 10 分流比对两种旋流器溢流口油相体积分数的影响 Fig.10 Effect of split ratio on oil phase volume fraction of the overflow port of the two cyclone overflows

2.4 分离效率对比

水力旋流器与许多工业用分离设备一样,为不完全分离,因此必须引进分离效率来进一步评估其分离性能。本文采用综合效率E来评估,其具体计算公式为:

(1)

式中:K为常数,CiCd分别为入口及底流口油相体积分数;QiQd分别为入口及底流口流量;F为分流比;Ej为简化效率。

通过计算得到不同入口进液速度下两种旋流器分离效率的对比如图 11所示。从图 11可知,入口进液速度在0.3~1.5 m/s范围内,导锥式旋流器分离效率从97.5%上升为99.2%,倒锥式旋流器分离效率从91.4%上升为98.1%。由此可知:当入口进液速度在0.3~1.5 m/s范围内时,导锥式旋流器受速度影响小,倒锥式旋流器受速度影响大且分离效率较导锥式旋流器低; 入口进液速度在1.5~3.5 m/s范围内,导锥式与倒锥式旋流器分离效率基本稳定,导锥式旋流器分离效率稳定在99.7%附近; 倒锥式旋流器随着入口进液速度升高分离效率从98.0%上升到99.7%。

图 11 入口进液速度对两种旋流器效率的影响 Fig.11 Effect of inlet velocity on the efficiency of the two hydrocyclones

不同分流比下旋流器分离效率如图 12所示。

图 12 分流比对两种旋流器分离效率的影响 Fig.12 Effect of split ratio on the efficiency of the two hydrocyclones

图 12可知:分流比20%时,导锥式旋流器达到最佳分离效率;分流比为30%时,倒锥式旋流器分离效率达到最佳。

3 结论

(1) 当入口进液速度在0.3~1.5 m/s范围内时,推荐使用导锥式旋流器,此时压降比不高于1.5,溢流口油相集中,随入口进液速度增大,分离效率由97.5%上升到99.2%。

(2) 当入口进液速度在1.5~3.5 m/s范围内时,推荐使用倒锥式旋流器,此时压降比不高于1.5,溢流口油相集中,随入口进液速度增大,分离效率由98.0%上升到99.7%。

(3) 倒锥结构对零轴向速度包络面有扩充作用,相同入口进液速度情况下,倒锥结构可减缓流场中混合液速度。

(4) 当分流比为20%时,导锥式旋流器分离效率达到最佳且溢流口油相最集中,当分流比为30%时,倒锥式旋流器分离效率达到最佳且溢流口油相最集中。

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文章信息

张勇, 曹志红, 张爽, 邢雷
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收稿日期: 2019-03-07

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