張婷婷

摘 要：水力旋流器是應(yīng)用離心分離原理進行油水分離的重要部件之一，在我國石油行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。該文利用RNGK-ε模型和ANSYS軟件及理論，建立了水力旋流器的結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)分析得出在操作參數(shù)變化時水力旋流器分離效率的變化規(guī)律，從而確定各影響因素的關(guān)系及適用范圍，為實際操作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水力旋流器 CFD 分離效率 參數(shù)優(yōu)選 操作參數(shù)

中圖分類號：TD454 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0070-01

近年來，隨著油田的持續(xù)開發(fā)，我國大部分油田已進入高含水開發(fā)期，采出液綜合含水量已達到或超過90%，隨之帶來的首要問題便是進行油水分離。水力旋流器作為一種分離非均勻相混合物的分級分離設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備緊湊、占地面積小和設(shè)備成本低等優(yōu)點，在石油行業(yè)中備受關(guān)注。本文基于RNGK-ε模型、ANSYS軟件及計算流體力學(xué)理論，模擬出水力旋流器內(nèi)部流體的流動狀態(tài)，進而分析得出水力旋流器個影響因素適用范圍，為實際操作提供了依據(jù)。

1 水力旋流器分離效率影響因素分析

作為旋流器性能的重要標(biāo)志，分離效率直接反映旋流器的分離效果，其受到結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)及物性參數(shù)的影響[1]。本文通過大量的模擬分析，從操作參數(shù)方面對影響水力旋流器分離效率的因素進行闡述。

1.1 建模及求解

該文采用最佳分離模型Rietema的結(jié)構(gòu)模型進行建模[2]，參數(shù)為：Di=20mm，Du=16mm，D1=150mm，D=75mm，Dd=37.5mm，L1=150mm，L4=1500mm，α=20°，θ=1.4°。

利用RNG K-ε模型和ANSYS軟件為旋流器建模。利用ANSYS求解模塊（SOLUTION）進行求解，得出結(jié)果可知溢流管入口附近區(qū)域的油相濃度高，其他區(qū)域的油相濃度相對較低，說明分離模型Rietema的分離效果越好。由此結(jié)果亦可知，溢流管入口附近區(qū)域的油相濃度越高，其他區(qū)域的油相濃度越低，旋流器的分離效果越好。

1.2 影響旋流器分離效率因素分析

具體分析影響水力旋流器分離效率的某一因素是很難實現(xiàn)的，因此在確定其他因素固定的情況下，來分析某個因素的影響大小，通過此方法來逐個分析各因素的影響。進而確定各因素對水力旋流器分離效率影響的主次關(guān)系及適用范圍。

原油含水率、介質(zhì)溫度、入口流量、分流比等操作參數(shù)的不同都會導(dǎo)致分離效率發(fā)生變化。通過多次模擬旋流器內(nèi)部流場，得到的結(jié)果是隨著入口含水率的升高，分離效率也逐漸升高；入口含水率超過80%時，分離效率達到80%以上。

由圖1可以看出，當(dāng)溫度在20～70℃時，隨著溫度的升高，分離效率逐漸升高。這是因為升高溫度使試驗介質(zhì)的粘度下降，油水界面張力下降，介質(zhì)的流動性加強，有利于分離。

由圖2可以看出，入口流量<12m3/h時，分離效率隨入口流量的升高而迅速升高；入口流量>12m3/h時，分離效率隨入口流量的增加而緩慢降低。同時因為液體在低流量、高轉(zhuǎn)速時，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時，液體在旋流腔速度加快，停留時間變短，不利于分離，而使分離效率下降，并且，流量過大會破壞靜態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場的穩(wěn)定性，使分離效率下降，所以確定旋流器合理流量區(qū)間為10～12m3/h。

由圖3可以看出，分流比<10%時水力旋流器分離效率迅速增高，分流比超過10%后，分離效率逐漸下降。分流比在8%～12%時，分離效率達82%以上。就本試驗而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保證底流含油量盡可能少的前提下，分流比越小越好。因為當(dāng)入口流量和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時，適當(dāng)減小分流比，溢流流量相應(yīng)減少，隨溢流排出的水相應(yīng)減少，因此分離效率得到提高，所以確定分流比使用區(qū)域為在8%～10%。

2 結(jié)論

本文利用RNGK-ε模型和ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD部分建立了最佳分離模型Rietema的結(jié)構(gòu)模型，通過大量模擬分析，得出以下結(jié)論。

（1）各操作參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間：原油含水率80%～90%，介質(zhì)溫度45～70℃（尤其65～70℃），入口流量10m3/h～12m3/h（最優(yōu)為12m3/h），分流比8%～10%（最優(yōu)為10%）。此時，能夠獲得較理想的分離效果。（2）經(jīng)分析得出原油含水率、入口流量對水力旋流器分離效率影響顯著；相比上述兩因素，分流比和溫度對分離效率影響不是很明顯。

參考文獻

[1] 胡國良，任繼文.ANSYS 11.0有限元分析入門與提高[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2] 任連成，梁政，鐘功祥.基于CFD的水力旋流器流場模擬研究[J].石油機械， 2005，33（11）：15-7.