基于正交試驗(yàn)法的油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究*

汪 磊

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

油水混合兩相流廣泛存在于石油石化、管道運(yùn)輸、化學(xué)化工等領(lǐng)域，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)油水混合兩相流的計(jì)量在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義[1]。相關(guān)學(xué)者針對(duì)油水計(jì)量方法開(kāi)展了大量的研究工作，徐曄[2]等針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法對(duì)黏度較大且成分復(fù)雜的稠油進(jìn)行精準(zhǔn)在線測(cè)量的問(wèn)題，在傳統(tǒng)的油水計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了計(jì)量方法，形成了管式稠油在線測(cè)量技術(shù)。譚光興[3]等提出了一種新型油水質(zhì)量流量計(jì)量系統(tǒng)，并對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的工作原理、連接方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該質(zhì)量流量計(jì)量系統(tǒng)在采油廠獲得了成功應(yīng)用。李雪斌[4]等針對(duì)水力噴射泵的排液強(qiáng)度大且速度快致使采用其排液求產(chǎn)的過(guò)程中油水計(jì)量工況復(fù)雜的問(wèn)題，提出了利用水力噴射泵試產(chǎn)的油水計(jì)量方法，并在克拉瑪依油田應(yīng)用，取得較好的計(jì)量效果。也有部分研究人員針對(duì)油水計(jì)量的智能化可視化及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[5-6]。在油水自動(dòng)計(jì)量方面，黃向東[7]等根據(jù)物質(zhì)平衡原理借助油水密度差，利用高精度差壓傳感器設(shè)計(jì)出兩種油水自動(dòng)計(jì)量裝置，并對(duì)這兩種計(jì)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)際上，無(wú)論采用哪種油水計(jì)量方法及設(shè)備，在計(jì)量的過(guò)程中都離不開(kāi)油水分離，完全混合介質(zhì)的油水分別計(jì)量。因此，實(shí)現(xiàn)油水流動(dòng)過(guò)程中的高精度計(jì)量，離不開(kāi)管道內(nèi)油水高效快速分離技術(shù)[8-9]。在圓管內(nèi)油水分離研究方面，王宗勇[10]等人運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)不同流道數(shù)螺旋流道旋流分離器進(jìn)行模擬分析，得出流體能量耗散和旋流分離強(qiáng)度均與流道數(shù)呈正相關(guān)的結(jié)論。宋民航[11]借鑒常規(guī)旋流分離器結(jié)構(gòu)形式，研究設(shè)計(jì)了導(dǎo)流葉片式旋流分離器，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)流葉片式旋流分離器的分離能力進(jìn)行驗(yàn)證。聶濤[12]對(duì)導(dǎo)流葉片旋流分離器內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)開(kāi)展研究，得到導(dǎo)流葉片旋流分離器內(nèi)速度場(chǎng)分布規(guī)律，并通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加導(dǎo)流葉片旋流分離器的穩(wěn)定性。郭省學(xué)[13]研究設(shè)計(jì)了傾斜平板旋流分離器并確定其最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為管內(nèi)油水兩相流分離計(jì)量提供了一種新方法。

對(duì)于圓管內(nèi)油水快速分離器而言，介質(zhì)流速及其自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)均會(huì)對(duì)其分離性能產(chǎn)生影響，但截至目前，針對(duì)圓管內(nèi)油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究的報(bào)道相對(duì)較少。因此，本文設(shè)計(jì)了一種管道內(nèi)螺旋式油水分離器，并以此為研究對(duì)象，基于正交試驗(yàn)方法，采用CFD數(shù)值模擬對(duì)螺旋式分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選出具備最佳分離效率的旋流分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

1.1 流體域模型

本文設(shè)計(jì)的螺旋分離器主要由入口管、溢流管及底流管等組成，其流體域模型如圖1所示。油水混合液由入口進(jìn)入螺旋分離器內(nèi)，在螺旋分離器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力作用下油相沿螺旋分離器內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，水相在螺旋分離器邊壁，油相沿出口管與螺旋分離器的連接管進(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。螺旋分離器的流體域模型中，管徑R=25 mm，油管徑r=17.5 mm，本文主要針對(duì)螺旋高度h、螺旋升角β、螺距d三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)開(kāi)展優(yōu)化研究。

圖1 螺旋分離器流體域的模型原理

1.2 網(wǎng)格劃分

由于四面體網(wǎng)格具有計(jì)算速度快、精度高、收斂性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用四面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)螺旋分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。其網(wǎng)格單元總數(shù)量為162 453，網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果顯示網(wǎng)格有效率為100%。

圖2 螺旋分離器流體域的網(wǎng)格劃分

2 介質(zhì)物性參數(shù)及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬介質(zhì)為油水兩相，其中水為連續(xù)相，密度為998.2 kg·m-3，動(dòng)力粘度為1.003×10-3Pa·s；油為離散相，密度為890 kg·m-3，動(dòng)力粘度為1.03 Pa·s，油水界面張力取0.05 N/m；并設(shè)置該螺旋分離器入口邊界條件為速度入口，分散相油滴的初始速度與連續(xù)水相的速度值相同，在入口界面處的油滴均勻分布；溢流和底流均采用自由出口；油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，溢流分流比20%，入口速度6 m/s，壁面條件選擇不可滲漏，無(wú)滑移固壁?；谟邢摅w積法，將控制方程轉(zhuǎn)化為可用數(shù)值方法求解的代數(shù)方程。采用SMPLEC算法進(jìn)行壓力-速度耦合；采用雷諾應(yīng)力模型完成初始流場(chǎng)的計(jì)算，精度設(shè)置為10-5。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 表頭設(shè)計(jì)

該螺旋分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，其中螺旋升角β、螺旋高度h和螺距d對(duì)螺旋分離器的油水分離比率影響較大，所以本設(shè)計(jì)在正交設(shè)計(jì)中僅對(duì)螺旋升角β、螺旋高度h和螺距d進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，檢驗(yàn)上述不同參數(shù)的螺旋分離器對(duì)油水分離比率的影響以此來(lái)評(píng)價(jià)螺旋分離器的分離比率。選取螺旋升角β取值范圍為5°～15°，螺旋高度h取值范圍為60～100 mm，螺距d取值范圍為40～60 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)。

表1 螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平表

得到的正交表見(jiàn)表2。

表2 正交表L9

按照螺旋分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)選正交表，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同組合試驗(yàn)進(jìn)行相同工況的模擬分析，對(duì)正交表中列舉的每一號(hào)方案進(jìn)行嚴(yán)格的模擬，為了降低模擬分析過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次隨機(jī)的重復(fù)試驗(yàn)。按照分離比率公式(1)計(jì)算：

Ez=Mu/Mi

(1)

式中，Mu為溢流中油的體積分?jǐn)?shù)；Mi為圓管中油的體積分?jǐn)?shù)；Ez為分離比率。

得到9組不同匹配方案下的螺旋分離器油水兩相分離比率，分別采用直觀分析方法及方差檢驗(yàn)對(duì)正交所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。

3.2 直觀分析

模擬得出本次正交試驗(yàn)的9組匹配方案所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，指標(biāo)為螺旋分離器油水分離比率。表中K1～K3表示的是不同因素水平號(hào)分別為1～3時(shí)試驗(yàn)結(jié)果之和，而k1～k3表示的是不同因素水平號(hào)分別為1～3時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，其中極差R為各因素所對(duì)應(yīng)列上K的最大值與最小值之差。一般情況下各因素所對(duì)應(yīng)的極差值并不相同，因?yàn)椴煌蛩氐乃阶兓瘜?duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不盡相同。極差值越大，表示所在列對(duì)應(yīng)因素的水平在研究范圍內(nèi)變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值變化幅度較大。即極值最大列所對(duì)應(yīng)的因素水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言各因素對(duì)螺旋分離器油水兩相分離比率影響從主到次的順序?yàn)槁菥郿>螺旋升角β>螺旋高度h。

表3 試驗(yàn)結(jié)果及分析表

由于本設(shè)計(jì)的螺旋分離器采用油水兩相的分離比率來(lái)評(píng)價(jià)，所以在篩選最優(yōu)方案時(shí)需選取k值較大時(shí)對(duì)應(yīng)的水平數(shù)，由表3得出A因素列k2>k3>k1，B因素列k3>k2>k1，C因素列k3>k2>k1。由于k值可直接反映出所對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的好壞，對(duì)于本文研究的A、B、C三因素所對(duì)應(yīng)的最大值分別為k2、k3、k3，所以最終可確定出最優(yōu)方案為A2B3C3，即螺旋升角β為15°，螺旋高度h為100 mm，螺距d為60 mm時(shí)，螺旋分離器油水分離比率最大，且各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)镃>A>B。

3.3 方差檢驗(yàn)

為了評(píng)估正交試驗(yàn)的誤差大小及精確的估計(jì)出各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的重要程度，進(jìn)而完成顯著性檢驗(yàn)，對(duì)正交結(jié)果進(jìn)行方差檢驗(yàn)。首先需要計(jì)算可反映試驗(yàn)結(jié)果總差異的總離差平方和SST，設(shè)：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

總離差平方和SST的大小直接反映試驗(yàn)結(jié)果間的差異，而對(duì)于本次正交試驗(yàn)而言引起試驗(yàn)結(jié)果間差異的主要是因素水平的變化及試驗(yàn)誤差。計(jì)算得出本次正交試驗(yàn)的SST=1.273 1。

根據(jù)公式(2)～(6)可知，本試驗(yàn)中T=14.14，Q=20.942 4，P=22.215 5。所以總離差平方和SST=|Q-P|=1.273 1。

分析的不同因素引起的離差平方和SSj的計(jì)算方法如式(7)所示：

(7)

而總離差平方和又可用式(8)表示:

(8)

也就是說(shuō)，總離差平方和與各因素的離差平方和之和相等。

由上述公式可以計(jì)算得出本試驗(yàn)中各因素的離差平方和分別為：SSA=0.105 6，SSB=0.075 5，SSC=0.290 4。試驗(yàn)誤差的離差平方和，即為正交表中所有空列(誤差列)所對(duì)應(yīng)離差平方和的總和，本次試驗(yàn)中誤差的離差平方和SSe=0.271 8。

本次試驗(yàn)中各因素的平均離差平方和，MSA=0.052 8，MSB=0.037 8，MSC=0.145 2，MSe=0.135 9。

對(duì)于給定的顯著性水平α值，檢驗(yàn)各因素的顯著性可通過(guò)比較FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C與臨界F值的大小計(jì)算得出。如果FA>Fα(dfA,dfe)，則因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，通常在進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)至少要完成α=0.01、α=0.05、α=0.10三個(gè)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F0.01(2，2)=99、F0.05(2，2)=19和F0.10(2，2)=9查得臨界值，通過(guò)對(duì)比得出顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 方差分析表

由表中的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)镃>A>B，方差檢驗(yàn)結(jié)果與直觀分析結(jié)果相一致。

4 優(yōu)化方案驗(yàn)證

按照?qǐng)D1所示方式，選取油水分離零點(diǎn)軸向坐標(biāo)為z=0，則A、B、C三截面的軸向坐標(biāo)為z=100、z=350、z=600。通過(guò)對(duì)比同一種旋流分離結(jié)構(gòu)的三組截面油相體積分?jǐn)?shù)比值，以評(píng)價(jià)該旋流分離裝置產(chǎn)生油相延長(zhǎng)流的距離。通過(guò)對(duì)比不同旋流分離結(jié)構(gòu)的同一截面位置，以評(píng)價(jià)不同旋流分離裝置的油水分離比率。圖3為螺旋流道旋流分離結(jié)構(gòu)中油水分離零點(diǎn)后100 mm、350 mm、600 mm處3個(gè)截面的油相體積分?jǐn)?shù)分布圖，圖4為對(duì)應(yīng)的過(guò)中心截線油相體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線。可以看出在z=100 mm徑向截面內(nèi)中心油相體積分?jǐn)?shù)最大達(dá)到0.4，邊壁處油相體積分?jǐn)?shù)最大為0.04，此時(shí)邊壁處油相體積分?jǐn)?shù)小于入口處油相體積分?jǐn)?shù)0.05，即證明油相在z=100 mm處油相聚集明顯。在z=350 mm處徑向截面中心油相體積分?jǐn)?shù)最大為0.16，邊壁處油相體積分?jǐn)?shù)為0.04。在z=600 mm處徑向截面中心油相體積分?jǐn)?shù)為0.08，邊壁處油相體積分?jǐn)?shù)為0.04，仍低于入口油相體積分?jǐn)?shù)0.05。即證明油水混合液經(jīng)過(guò)螺旋流道的旋流分離作用后，油相的聚集效果可持續(xù)至油水分離零點(diǎn)后600 mm處。

圖3 優(yōu)化后螺旋分離器分析截面油相體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖4 優(yōu)化后螺旋分離器內(nèi)油相分布曲線

計(jì)算各徑向截面內(nèi)小圓截面平均油相體積分?jǐn)?shù)與大圓截面的平均油相濃度體積分?jǐn)?shù)之比，可以得出在此截面內(nèi)油相的聚集程度，比值越大則證明聚集效果越好。按照公式(1)所示方法，計(jì)算的優(yōu)化后螺旋分離器的分離比率為2.21，明顯高于其他試驗(yàn)組，充分說(shuō)明正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析，得出三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離比率影響顯著性由高到低分別為螺距、升角及螺旋圈數(shù)。

2)基于正交試驗(yàn)方法，以分離比率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出了螺旋分離器的最佳螺旋升角，最佳螺旋高度及最佳螺距，優(yōu)化后螺旋分離器的油水分離比可達(dá)到2.21，分離性能得到明顯提升。