變距螺旋管式油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王建國(guó)

(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163000)

多相介質(zhì)流動(dòng)作為一種復(fù)雜的流體形態(tài)在化學(xué)工業(yè)、冶金工程及能源環(huán)保等諸多研究領(lǐng)域中都普遍存在[1-2]，其中的螺旋管分離器是作為一種常見(jiàn)的典型分離設(shè)備一直備受關(guān)注，它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、分離效果顯著，而且適應(yīng)流量大等優(yōu)點(diǎn)也使得其在多相分離的技術(shù)運(yùn)用中日益凸現(xiàn)出來(lái)[3-5]。龔道童等[6]通過(guò)運(yùn)用FLUENT軟件開(kāi)展了螺旋管內(nèi)油水兩相流動(dòng)及離心分離情況的數(shù)值模擬，分析得出了不同流速與油水配比工況下的螺旋管內(nèi)的油水組分、各相速度、相含率、各相流量等重要性能參數(shù)的變化。鐘秋月[7]在結(jié)合管柱式氣液旋流分離器(簡(jiǎn)稱GLCC)[8]和液-固旋流器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了可實(shí)現(xiàn)氣液固三相分離的旋流分離器，并通過(guò)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究獲得了分離器的氣體最佳操作范圍與入口含液濃度對(duì)分離效率的影響規(guī)律。趙立新等[9]針對(duì)螺旋管分離器分別進(jìn)行了無(wú)孔和開(kāi)孔的流場(chǎng)模擬，并對(duì)回轉(zhuǎn)半徑與入口流量對(duì)流場(chǎng)分布和分離性能的影響開(kāi)展分析，得出螺旋管開(kāi)孔孔徑尺寸對(duì)其分離效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且得到了該分離器的最佳回轉(zhuǎn)半徑。此后，又有學(xué)者[10-14]對(duì)螺旋管內(nèi)不同介質(zhì)相的流速、孔徑、分離性能等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了模擬研究與實(shí)驗(yàn)分析。

但上述研究大多集中于螺旋管分離器的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)的優(yōu)化模擬，而對(duì)其參數(shù)的優(yōu)化方法研究鮮有報(bào)道，本文擬在借助FLUENT軟件的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)一種新提出的變距螺旋管開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，考察建立該變距螺旋管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，并以此為基礎(chǔ)推廣到其他螺旋分離器的參數(shù)優(yōu)化中。

1 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

1.1 流體域模型

變距螺旋管的結(jié)構(gòu)主要由入口管、溢流管與底流管等組成，其流體域模型原理如圖1所示，油水混合液由入口進(jìn)入螺旋管內(nèi)，在螺旋管內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力作用下油相沿螺旋管內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，水相在螺旋管邊壁，油相沿出口管與螺旋管的連接管進(jìn)入溢流出口管內(nèi)，水相沿底流口排出，實(shí)現(xiàn)油水兩相分離。其流體域模型的尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，入口管與底流管內(nèi)徑相等為S，溢流管內(nèi)徑為d，螺旋管總長(zhǎng)為L(zhǎng)，螺距為l，螺旋管錐角為β。

圖1 變距螺旋管流體域的模型原理Fig.1 Model principle of variable pitch spiral tube fluid domain

圖2 變距螺旋管流體域的模型尺寸Fig.2 Model size of variable pitch spiral tube fluid domain

1.2 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用FLUENT前處理軟件GAMBIT對(duì)上述螺旋管的流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由于四面體網(wǎng)格具有單元疏密程度較均勻，變形能力較強(qiáng)，跟隨性較好等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用四面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)設(shè)計(jì)的變螺距螺旋管進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。變螺距螺旋管流體域模型的網(wǎng)格劃分單元數(shù)為225 860，采用網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)對(duì)流體域網(wǎng)格進(jìn)行有效性檢驗(yàn)結(jié)果顯示網(wǎng)格有效率為100%。

2 介質(zhì)物性參數(shù)及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬中采用油水兩相為模擬介質(zhì)，其中設(shè)定水相為連續(xù)相，密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.003×10-3Pa·s；設(shè)定油相為離散相，密度為889 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.06 Pa·s，油水界面張力取0.05 N/m；并定義該螺旋管入口邊界條件為速度入口，其中分散相油滴與連續(xù)水相的速度值相同，且分散相油滴在入口界面處均勻分布；溢流與底流則均定義為自由出口；油相所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，溢流口分流比為20%，入口速度設(shè)為6 m/s，壁面條件選擇不可滲漏，無(wú)滑移固壁。通過(guò)采用有限體積法轉(zhuǎn)化控制方程為可用數(shù)值方法求解的代數(shù)方程。此外，通過(guò)SMPLEC算法完成壓力-速度耦合；并運(yùn)用雷諾應(yīng)力模型完成初始流場(chǎng)的計(jì)算，計(jì)算精度設(shè)置為10-5。

3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)上述的變螺距螺旋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到螺旋管的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)數(shù)值，進(jìn)而提高油水兩相在螺旋管內(nèi)的分離效率。該變距螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，其中螺旋管錐角β、螺旋管圈數(shù)q和溢流管徑d對(duì)螺旋管的油水分離效率影響較多，所以本設(shè)計(jì)在正交設(shè)計(jì)中僅對(duì)螺旋管錐角β、螺旋管圈數(shù)q和溢流管徑d進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，檢驗(yàn)上述不同參數(shù)的螺旋管對(duì)油水分離效率的影響以此來(lái)評(píng)價(jià)螺旋管的分離效率。 選取螺旋管錐角β取值范圍為5°～15°，螺旋管圈數(shù)q取值范圍為5～6，溢流管徑d取值范圍為50～70 mm。通過(guò)查閱正交表，最終選定本次正交試驗(yàn)選用L9(34)正交試驗(yàn)表，完成表1所示的表頭設(shè)計(jì)。

圖3 變距螺旋管流體域的網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of variable pitch spiral tube fluid domain

表1 螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平表Table 1 Table of factor levels of spiral tube structural parameters

4 正交結(jié)果分析

采用數(shù)值模擬方法按照變螺距螺旋管分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，對(duì)不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)組進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬時(shí)保障操作參數(shù)及介質(zhì)物性參數(shù)不變，嚴(yán)格控制操作參數(shù)單一變量，同時(shí)為了降低數(shù)值模擬時(shí)產(chǎn)生的分析誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行兩次同精度的數(shù)值模擬，并按照質(zhì)量效率式(1)完成指標(biāo)計(jì)算。

Ez=Mu/Mi

(1)

式中：Mu為溢流口中油的質(zhì)量；Mi為入口中油的質(zhì)量；Ez為質(zhì)量效率。

得到9組不同匹配方案下的螺旋管油水兩相分離效率，為了對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，本文在直觀分析方法的基礎(chǔ)上，輔以方差檢驗(yàn)的方法對(duì)上述正交試驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論分析。

4.1 直觀分析

采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)設(shè)計(jì)的變距螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的9組正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬，得到試驗(yàn)結(jié)果(表2)。試驗(yàn)分析指標(biāo)為變距螺旋管的油水分離效率值。表中K1、K2、K3分別表示因素水平號(hào)為1、2、3時(shí)試的不同驗(yàn)指標(biāo)總和，而k1、k2、k3則用以表示因素水平號(hào)分別為1、2、3時(shí)的不同試驗(yàn)結(jié)果平均值，極差R表示各個(gè)因素所在列上K的最大值與最小值之差。正交實(shí)驗(yàn)中極值最大列所對(duì)應(yīng)的因素水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果影響最為顯著，對(duì)于本次螺旋管正交優(yōu)化設(shè)計(jì)而言三種因素對(duì)變距螺旋管油水分離效率影響顯著性從高到低分別為螺旋管錐角β、螺旋管圈數(shù)q和溢流管徑d，空列反應(yīng)的極差是實(shí)驗(yàn)誤差的大小。

表2 試驗(yàn)結(jié)果及分析表Table 2 Test results and analysis table

由于本設(shè)計(jì)的螺旋管采用油水兩相的分離效率來(lái)評(píng)價(jià)，分離效率越高說(shuō)明油水分離精度越好，即越接近結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)結(jié)構(gòu)，因此在選取k值較大者所對(duì)應(yīng)的因素水平數(shù)作為單項(xiàng)最優(yōu)采納數(shù)，由表2可知對(duì)于因素A列其順序?yàn)閗1>k2>k3，因素B列k3>k2>k1，因素C列k2>k3>k1。由于正交試驗(yàn)直觀分析表2中的k值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可直接反映出各因素的性能水平，對(duì)于因素A而言k1值最大，所以A1為因素A的最優(yōu)方案，同理可以得出因素B的最優(yōu)方案為B3，因素C的最優(yōu)方案為C2，最終可確定出試驗(yàn)優(yōu)化后的最佳方案為A1B3C2，即螺旋管錐角β為5°，螺旋管圈數(shù)q為7，溢流管徑d為60 mm時(shí)，螺旋管油水分離效率最大，由于正交試驗(yàn)的極差值R可反應(yīng)出各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，極差值越大說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)影響越顯著，因此本次試驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)锳>B>C。

4.2 方差檢驗(yàn)

為了評(píng)估正交試驗(yàn)的誤差大小并精確的估計(jì)出各個(gè)素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的重要程度，進(jìn)而開(kāi)展顯著性檢驗(yàn)，且采用方差檢驗(yàn)對(duì)結(jié)果驗(yàn)證。

4.2.1 自由度

正交試驗(yàn)中總平方和的總自由度計(jì)算公式為式(2)。

dfT=試驗(yàn)總次數(shù)-1=n-1

(2)

正交表任一列離差平方和所對(duì)應(yīng)的自由度的計(jì)算公式為式(3)。

dfi=因素水平數(shù)-1=r-1

(3)

顯然總自由度同時(shí)滿足式(4)。

(4)

而誤差的自由度按式(5)計(jì)算。

dfe=∑df空列

(5)

按照上述自由度計(jì)算方法可以得出，本次正交試驗(yàn)所涉及的自由度分別為dfT=8，dfA=dfB=dfC=2，dfe=2。

4.2.2 顯著性檢驗(yàn)

對(duì)本文正交試驗(yàn)結(jié)果顯著性分析時(shí)，采用F檢驗(yàn)方法，即可通過(guò)比較不同F(xiàn)A，F(xiàn)B，F(xiàn)C和臨界F值的差值大小而計(jì)算獲得不同因素的顯著情況。假若FA>Fα(dfA,dfe)，則說(shuō)明因素A對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)存在明顯的影響結(jié)果，通常情況下在進(jìn)行顯著性F檢驗(yàn)時(shí)一般要完成α=0.01、α=0.05、α=0.10三個(gè)不同水平的顯著性檢驗(yàn)。在本次正交試驗(yàn)中根據(jù)F分布表，即F0.01(2，2)=99、F0.05(2，2)=19和F0.10(2，2)=9查得臨界值，得出螺旋管各因素的顯著性檢驗(yàn)的方差分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

因素C平均離差平方和小于誤差項(xiàng)離差平方和，將因素C歸入到誤差項(xiàng)中。由上表中的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，上述各不同因素對(duì)本試驗(yàn)指標(biāo)的主次影響順序基本表示為因素A>因素B>因素C，即方差檢驗(yàn)與直觀分析所示結(jié)果相一致。

5 優(yōu)化方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述變距螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)中正交優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，從正交表中的9個(gè)試驗(yàn)組中按照油水分離效率從大到小的順序隨機(jī)選取兩組試驗(yàn)開(kāi)展流場(chǎng)分析，選取的試驗(yàn)組數(shù)分別為試驗(yàn)3#和試驗(yàn)7#，對(duì)上述試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進(jìn)行分離效率及油相分布對(duì)比，分析螺旋管內(nèi)部油相分布特性，驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果得出的關(guān)系。采用歐拉-歐拉方法進(jìn)行數(shù)值模擬，得出試驗(yàn)3#和試驗(yàn)7#螺旋管內(nèi)油相分布對(duì)比如圖4所示。圖4所示當(dāng)混合相從入口進(jìn)入螺旋管后，輕質(zhì)油相往螺旋管內(nèi)側(cè)運(yùn)移，且內(nèi)側(cè)油相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于外側(cè)油相體積分?jǐn)?shù)。內(nèi)側(cè)的油相經(jīng)過(guò)橫管進(jìn)入到溢流管中，在重力的作用下油相向上浮起流經(jīng)到沉降罐中，水向下沉淀流出。圖4從左至右分別是試驗(yàn)3#、試驗(yàn)7#，試驗(yàn)3#的油水分離效率明顯大于試驗(yàn)7#，尤其是在螺旋管上半部分，試驗(yàn)3#的油相分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)7#。

表3 方差分析表Table 3 Analysis table of variance

圖4 試驗(yàn)3#和試驗(yàn)7#半剖油相分布云圖Fig.4 3# and 7# test half profile oil phase distribution cloud diagram

圖5所示為螺旋管流體域外觀油相分布，螺旋管外側(cè)為水相，內(nèi)側(cè)為油相。很明顯地可以看出油水兩相在螺旋管中得到分離，輕質(zhì)油相從溢流管上部分流出，重質(zhì)水相從溢流管下部分流出。試驗(yàn)3#內(nèi)側(cè)的油相分布大于試驗(yàn)7#，所以試驗(yàn)3#有著更高的分離效率，即與正交試驗(yàn)分析結(jié)論有著一致性。

通過(guò)對(duì)螺旋管正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析，可以得出變距螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的最佳方案為A1B3C2，參照表1表頭設(shè)計(jì)的參數(shù)配比，按照A1B3C2參數(shù)完成最優(yōu)方案螺旋管分離器流體域結(jié)構(gòu)模型建立，并在操作參數(shù)相同的邊界條件下開(kāi)展螺旋管油水分離性能的數(shù)值模擬分析，得出分離效率為57.94%，分離效率略高于3#試驗(yàn)。

如圖6所示，分別選取優(yōu)化前尺寸參數(shù)與優(yōu)化后尺寸參數(shù)的模型分離效率進(jìn)行對(duì)比，得出其分離效率隨入口處理量的變化對(duì)比圖。 由圖可知，隨著處理量的不斷增大，其分離效率都逐漸增大，但是優(yōu)化后尺寸參數(shù)的模型在任意相同流量情況下，優(yōu)化后的變距螺旋管油水分離效率較優(yōu)化前有明顯提升。

圖5 試驗(yàn)3#和試驗(yàn)7#外部油相分布云圖Fig.5 External oil phase distribution cloud diagrams for 3# test and 7# test

圖6 處理量對(duì)分離性能的影響Fig.6 Effect of processing capacity on separation performance

進(jìn)一步選取不同分流比，進(jìn)行優(yōu)化前尺寸參數(shù)與優(yōu)化后尺寸參數(shù)的螺旋管油水分離效率對(duì)比分析，得出不同分流比條件下優(yōu)化前后螺旋管分離性能對(duì)比曲線如圖7所示。由圖7可以分析出，隨著分流比的不斷增大，其分離效率都表現(xiàn)為先增大后減小，但是優(yōu)化后尺寸參數(shù)的模型在任意相同分流比情況下，分離效率明顯高于優(yōu)化前的模型，且在其最大效率為66%時(shí)，達(dá)到最佳分流比20%。

圖7 分流比對(duì)分離性能的影響Fig.7 Influence of split ratio on separation performance

6 結(jié) 論

1) 變距螺旋分離器的螺旋管錐角、螺旋管圈數(shù)、溢流管直徑都會(huì)對(duì)其分離性能產(chǎn)生影響，且對(duì)分離性能的影響顯著性由大到小分別為螺旋錐角、螺旋管圈數(shù)及溢流管直徑。

2) 通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化，得出設(shè)計(jì)的變距螺旋管最佳螺旋錐角為5°、最佳螺旋管圈數(shù)為7圈、最佳溢流管直徑為70 mm，優(yōu)化后分離器結(jié)構(gòu)的油水分離效率為57.34%，較初始結(jié)構(gòu)提高了7.24%。

3) 其他條件相同的情況下，優(yōu)化后的變距螺旋管結(jié)構(gòu)分離效率隨入口處理量的增大呈升高趨勢(shì)，由2.0 m3/h升高到5.0 m3/h時(shí)，分離效率由40%提高到69.5%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)最佳分流比為20%。