油水分離水力旋流器優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

屈丹龍，李 毅

(1.中國(guó)石化油田事業(yè)部，北京 100728 2.山東省油田采出水處理及環(huán)境污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257026)

0 前言

水力旋流器是一種高效的油水分離設(shè)備，在油田采出水處理領(lǐng)域尤其在海上采油平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用，埕島油田某海上平臺(tái)采用水力旋流器對(duì)三相分離器分出采出水進(jìn)行油水分離，除油率在40%～50%之間。為了提高水力旋流器除油率，本文進(jìn)行了旋流管優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究。

影響旋流管油水分離效率的因素主要分為外部工況因素和內(nèi)部旋流管結(jié)構(gòu)因素，其中外部工況因素主要有油滴粒徑、溫度、油水密度差、黏度等[1-3]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素主要為旋流管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸、錐角、入口形式等[4-6]。埕島油田某海上平臺(tái)水力旋流器內(nèi)旋流管為4段式結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能不同分別為旋流腔、大錐段、小錐段和平尾段(見(jiàn)圖1)。油水混合液在壓力作用下自進(jìn)水口高速切向進(jìn)入旋流腔，在旋流腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的流體，入口形式是影響旋流管的流場(chǎng)分布及壓力損失的重要因素[7]。錐角是影響旋流管內(nèi)流場(chǎng)分布、動(dòng)量矩及分離效率的重要因素[8，9]。

圖1 旋流管結(jié)構(gòu)示意

本文在對(duì)入口形式初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)錐角和入口形式進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)FLUENT軟件對(duì)該平臺(tái)的旋流管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真。

1 基礎(chǔ)資料

1.1 水質(zhì)資料

埕島油田某海上平臺(tái)三相分離器分出采出水溫度：55 ℃，油品密度：0.919 g/cm3，水中含油量：200～400 mg/L，懸浮固體含量：35 mg/L。

1.2 旋流管尺寸

初始旋流管各部分內(nèi)徑、長(zhǎng)度尺寸見(jiàn)表1，另外，大錐角25°，小錐角2°。

2 CFD模型建立

2.1 邊界條件(表2)

表1 初始旋流管結(jié)構(gòu)尺寸 mm

表2 邊界條件參數(shù)

2.2 多相流模型

選擇“Euler-Mixture”模型計(jì)算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 初始旋流管仿真與分析

首先對(duì)初始旋流管進(jìn)行建模及流態(tài)模擬計(jì)算。根據(jù)旋流管內(nèi)徑檢測(cè)結(jié)果建立旋流管三維模型，對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為50萬(wàn)。

3.1.1旋流管內(nèi)流場(chǎng)速度矢量

速度矢量指標(biāo)可以用來(lái)指示流場(chǎng)內(nèi)流體的流動(dòng)方向以及速度大小，能夠直觀地判斷流態(tài)的變化情況，由圖2可以看出，在大錐段中部截面處，局部速度矢量方向明顯出現(xiàn)不規(guī)則偏流，表明局部流態(tài)已發(fā)生變化。這可能是由于在縮頸過(guò)程中，軸向方向上局部產(chǎn)生了不均勻的回壓，造成局部流態(tài)的紊亂。

3.1.2旋流管內(nèi)流場(chǎng)靜壓力分布

進(jìn)水口橫截面靜壓分布情況見(jiàn)圖3，靜壓渦核中心與速度矢量中心同樣偏向于管體幾何中心的右側(cè)，分析可能是由流場(chǎng)中局部壓力不均勻所導(dǎo)致。

3.1.3旋流管內(nèi)流體軌跡線追蹤

流體軌跡線指標(biāo)能夠直觀地顯示出旋流管內(nèi)流體質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡情況。如圖4所示，整個(gè)截面流場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的旋流狀態(tài)，但旋渦中心點(diǎn)偏離了旋流管的幾何中心。

圖2 初始尺寸旋流管大錐段截面速度矢量

圖3 初始尺寸旋流管進(jìn)水口截面靜壓力分布

圖4 初始尺寸旋流管進(jìn)水口截面流體軌跡分布

3.2 大錐角優(yōu)化仿真結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)模型將旋流管旋流腔和大錐段長(zhǎng)度延長(zhǎng)，錐角縮小至15°，并通過(guò)模擬分析考察調(diào)整尺寸后旋流管的運(yùn)行工況。

3.2.1旋流管內(nèi)流場(chǎng)速度矢量

由圖5可以看出，調(diào)整錐角后，局部流態(tài)紊亂的現(xiàn)象得到明顯改善，在大錐段中部截面處，流場(chǎng)仍處于明顯的旋流狀態(tài)，并沒(méi)有發(fā)生明顯的偏流現(xiàn)象。

圖5 調(diào)整錐角后旋流管大錐段截面速度矢量

3.2.2旋流管內(nèi)流場(chǎng)靜壓力分布

由圖6可以看出，旋流管內(nèi)壓力分布基本均勻，靜壓渦核中心與旋流管體幾何中心基本保持一致。

圖6 調(diào)整錐角后旋流管進(jìn)水口截面靜壓力分布

3.2.3旋流管內(nèi)流場(chǎng)軌跡線追蹤

由圖7可以看出，調(diào)整錐角后，整個(gè)截面流場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的旋流狀態(tài)，而且旋渦中心點(diǎn)與旋流管的幾何中心軸線基本保持一致。

3.3 入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真結(jié)果與分析

在旋流管外徑相同的情況下，阿基米德螺線形入口導(dǎo)流能力強(qiáng)，可使混合液獲得更長(zhǎng)的流道，在旋流腔內(nèi)形成穩(wěn)定、有序的旋流流場(chǎng)，降低液滴剪切破碎的可能性[4]。前期將旋流管設(shè)計(jì)為阿基米德螺線形雙入口獲得了良好的模擬效果[10]，本次同樣設(shè)計(jì)為阿基米德螺線形雙入口，考察入口形式和錐角的疊加效果。

圖7 調(diào)整錐角后旋流管進(jìn)水口截面流體軌跡分布

3.3.1入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化速度矢量分布

由圖8可以看出，經(jīng)大錐角和入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，旋流管內(nèi)呈明顯的旋流速度分布，流態(tài)較理想。

圖8 旋流器中間截面的速度分布矢量

3.3.2入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓力分布

由旋流管頂部橫截面壓力云(圖9)可看出，旋流管內(nèi)壓力自外壁向中心軸線呈逐漸降低的環(huán)狀梯度分布，旋流管內(nèi)壓力隨著流場(chǎng)流線遞減，壓力分布合理。

3.3.3入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化油相濃度分布

旋流管橫截面油相濃度分布如圖10顯示，油相濃度分布與壓力梯度分布具有一定的相關(guān)性，旋流管內(nèi)油相濃度自中心向外壁逐漸降低，靠近管壁處油相濃度較低，靠近中心軸線油相濃度最高。

圖9 中間截面的壓力分布云圖

圖10 旋流管內(nèi)油相濃度分布

在獲得了油相濃度分布差異后，通過(guò)設(shè)置在旋流管頂部中心的出油管排出濃度較高的油相混合液，從而得到良好的油水分離效果。

4 結(jié)論

a) 埕島油田某海上平臺(tái)水力旋流器旋流管內(nèi)壓力分布不均、流場(chǎng)紊亂、離心力不強(qiáng)，造成水力旋流器除油效果不理想。

b) 旋流管優(yōu)化設(shè)計(jì)后將大錐角由原來(lái)的25°調(diào)整為15°，入口形式由單切向入口調(diào)整為阿基米德螺旋線雙入口，旋流管內(nèi)部流場(chǎng)、速度、壓力更為合理，離心力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、渦流區(qū)域少，油水分離效果得到提升。