高飞 周志海 刘杰

本文研究將离心机与水利旋流器特点结合，采用合理的中心进料方式，加工实验样机后，通过结构参数对比实验优化压力性能，确定结构参数合理的工业机。利用流体力学软件对工业机单相流场数值模拟，对旋流发生部件进行数值优化，以供参考。

自循环式;动态水力旋流器;压力性能;分离性能

随着油田开发深入，石油采出液含沙量不断增加。水力旋流器表现出优越的性能，某些地层胶结疏松，含沙量增加导致管阀设备磨损严重，减少管道流通面积造成管道堵塞。水力旋流器将非均匀相混合物分离，90年代初国际开始采用选分流分离技术进行原油除砂。水力旋流器可用于非均相混合物分离，如固液气三相分离等，处理细颗粒杂质表现良好分离性能，石油工业采用旋流分离技术，可取代庞大低效重力分层流程。旋流分离器结构简单，分离中受压力波动等操作参数影响大，分离性能有限。开发受操作参数影响小，卸料方便的新型除砂设备非常必要。

水力旋流器基于离心沉降作用，由静态水力旋流器由溢流管、进料管等部件组成，分离两相混合液从进料管沿切向进入旋流器，轻重两相密度差使所受离心力与流体阻力不同，大部分重相经旋流器底流口排出，单个水力旋流器直径10～2500mm，较小的水力旋流器以高压操作。旋流器具有结构简单、使用方便等优点。离心机主要靠转鼓高速旋转产生离心力场使混合物分离，目前广泛使用的有螺旋卸料沉降离心机等。

离心机与旋流器各有适用场合，离心机靠转速产生强离心力场分离，高转速动设备结构复杂，维护成本较高。工程中大量采用静态旋流器用于原油油砂分离。通过开发高效旋流器是主要趋势。动态水力旋流器增加旋转部件，其发展经历total型，预旋流型与复合型阶段。目前动态旋流器主要针对复合型研究，动态旋流器具有操纵弹性大、进料压力低、分流能力强等特点。动态旋流器需电能驱动，结构较为复杂。动态旋流器主要向深度分离方向发展，旋流强度与液滴乳化相互矛盾，固液分离方面向技术控制自动化方向发展，如进口压力、分离精度等参数在给定范围内可自动控制设计满足工艺要求。

动态水力旋流器依靠旋转叶轮旋流，设计叶轮式动态旋流器采用切向进料式，入口压力随叶轮转速增大。表明切向进料式动态水力旋流器进料方式不合理，设计合理的进料结构，使进料位置位于叶轮正中心，由于进料口位于压力最低叶轮中心低压真空区，动态水力旋流器具有自吸性。旋流器入口压力随叶轮转速增大降低，叶轮转速一定，底流流体可回到入口形成循环。

叶轮是旋流发生部件，常用叶轮有涡流板式与直板式，直板式叶轮结构源于离心机叶轮结构，叶片长度较大，可在叶轮边上产生较大切向速度。涡流板式叶轮结构源于离心泵叶轮结构，可根据实际工况调节升压与升速关系。压力性能为循环式动态水力旋流器的重要研究指标，研究通过实验比较直板式叶轮旋流发生器性能，发现直板式叶轮自吸性差。涡流板式叶轮是旋流发生部件，要求叶轮具有良好自吸性。叶轮理论压头由动静压头组成，前弯叶片动压头提高大于静压头，涡流板式旋流发生器叶片采用后弯式。依据离心泵叶片参数改变叶轮参数设计叶轮，高度为20-120mm，入口安放角为0-90°。

循环式动态水力旋流器旋流腔尺寸采用标准尺寸，静态旋流腔重要结构参数有溢流口与底流口直径。柱段高度影响旋流器分离粒度，增大柱段高度可减小分离粒度，标准旋流器选用较短的筒体。溢流口直径影响旋流器生产能力与产物分配。溢流口直径增大造成细颗粒进入溢流管。设计选用溢流口直径大小不同的溢流管实验。底流口直径减小导致溢流颗粒变粗，底流口直径影响压力分布，设计选用不同底流口直径实验。进料结构是动态旋流器最大特点，有效减小入口压力才能提高入口压差，使底流口部分流体进入入口产生循环。

为研究循环式动态水力旋流器性能，建立实验测试系统。系统由供液单元、实验机单元等组成。系统流程图案工业使用流程设计，大部分砂水从底流口进入集砂罐，叶轮转速一定使底流压力大于入口压力，集砂罐内循环水带动砂子流动，集砂罐内聚集砂会进行排砂。公冶丹元由水箱、离心管道泵等组成，采用两个离心泵并联方式，供液流量变化范围为0-45m³/h，实验中料液晶旋流器后回到水箱。

研究动态水力旋流器性能需测量相关流量，转子流量计安装在溢流管控制阀后，压力表安装在水力旋流器入口处，测量压力值研究旋流器压力性能。分离与压力性能是动态旋流器的重要指标，研究性能需进行压力性能试验。用清水进行动态旋流器压力性能实验，找到压力差与电机转速的关系;研究结构参数对压力性能的影响，找到满足压力性能合适的结构参数值。综合压力性能试验，调整结构参数实验。根据实验结果对旋流器改造优化。动态水力旋流器现场正常工作，需保证旋流器在分流比工况下工作。研究溢流压差为减少旋流器能量损失，旋流器除砂增大溢流压差为后续工艺提供能量。

旋流器结构参数对压力与分离性能有很大影响。通过改变旋流器结构参数增加底流压差，增大底流压差为保证旋流器在分流比工况下工作，底流压差大于0产生底流回流满足工艺要求。结构参数优化目标是找到合理的结构参数值，叶轮转动频率在25Hz产生回流，频率过高增大叶轮摩擦。调节流量在30，40m³/h时分析底流压差与电机转速变化关系曲线，确定合理的结构参数值。叶轮高度是重要的参数值，叶轮高度增大加大流体能量损失。叶轮高度为60，80，100mm考察对变流的影响。叶轮高度为100mm，底流压差随频率先减小后不变。底流压差应随频率增大，表明叶轮高度为80mm不合理。

不同结构参数对旋流器分离性能产生影响，通过改变旋流器结构参数增加分离效率。优化结构参数目的使旋流器分离性能在电机转速为25Hz时保持高效。电机频率过高增大叶轮摩擦，调节流量在不同结构参数下分析分离效率与电机转速的变化关系曲线，确定合理的结构参数值。确定工业机结构参数要综合考虑压力分离性能的影响，必须根据实际需要取舍，溢流管入口直径为109mm，不能满足实际工业生产要求。叶轮直径增大到160mm底流压差减小。后期匹配结构参数实验，发现叶片入口安放角为90度叶轮压力性能与16度相当，叶轮入口安放角增大可改善压力性能。

研究操作参数对电机性能的影响，将工业机用于材油混合物分离。考察旋流器底流压差随电机转速变化规律，电机工作频率取20，30，40Hz。不同流量下溢流压差随频率增大，原因是叶轮转速增大，中心进料口处压力降低，叶轮对流体做功增多，使得叶轮出口处扬程损失增大。底流压力值增大，频率在30Hz以上，溢流压差大于0。

选取分流比10%，流量为20，30，40m³/h考察电机转速对分离效率的影响。绘制实验样机修正分离效率与电机转速的关系曲线。分离效率随电机转速增大，原因是叶轮出口处流体切向速度增大，频率增大到35Hz，分离效率曲线斜率较大。频率增大到45Hz分离效率曲线变化缓慢。原因是电机转速一定，叶轮离心力满足固液两相分离。提高电机转速流体湍度增加，分离效率增长缓慢。频率35Hz是合理的电机转速频率，频率增大到40Hz分离效率增加到98%。电机转速频率25Hz合适。选取分流比为10%，流量为20，30，40m³/h，绘制电机转动频率下分离效率变化曲线。不同电机转速及流量下的回流量表1所示：

分离效率随流量增大减小，流量决定分离物料在旋流器内停留时间，有效分离沉降时间变短，流量增大增加流体湍流度。流量增大到40m³/h分離效率曲线变化缓慢。电机转速频率为35Hz分离效率降低不到2%。表明分离效率随流量变化不大。实验中选取30Hz电机频率考察分流比对分离效率的影响，绘制分离效率与分流比变化关系曲线。分离效率随分流比增大，溢流口排走流量减小，减小溢流口排出砂增大分离效率。旋流器在一定分流比变化内保持高效，有的工艺不能仅靠增大分流比提高分离效率，可增大分流比提高分离效率。

油田现场要求对不同比例水砂混合分离，按生产要求配置三相混合物进行分离效率实验。油水相界面张力影响分离效率。材油为加油站00号，砂浓度为3g/L，实验分两组进行，第一组为200L水与100L材油;第二组为200L水与200L材油。测定频率为30Hz混合物分离效率。两张滤纸上为入口130ml取样含沙量。油水混合物经离心泵高强度剪切后乳化，油水混合物在旋流器内，油水相旋流器中心通过溢流管排出。溢流口取样滤纸无砂，分离效果明显。工业机对油水砂混合物分离效果满足工业生产要求。

CFD是建立在经典流体力学基础上的学科，计算流体动力学数值模拟得到广泛应用，数值模拟，模型试验是研究流体力学的主要手段，研究方法相互补充推动流体力学学科发展。数值模拟优点是高效性，采用CFD法对工业机内部流场进行研究。目前广泛采用时间平均法考察湍流脉动的影响。计算流体力学常用湍流数值模型有大涡模拟、直接数值模拟与Reynolds时均方程模拟法。

根据实验样机特点，选用RNGk-ε湍流模型，由于中心进料式动态水力旋流器带有旋转叶轮，动态水力旋流器模拟是计算区中包含可动部件，FLUENT计算软件中可动区域模型包括混合平面模型、多参考系模型。动态水力旋流器模拟是流动过程稳态流动，采用MRF模型。FLUENT多参考系特征执行，每个子域相对惯性可能是旋转或平移，子域的控制方程扩散相所需邻子域速度值，向所考虑子域提供相邻区域正确值。采用前处理软件Pro/E建立模拟物理模型，由于动态水旋流器结构复杂不规则，需对流体域内有效划分，每个区域间界面设定interior边界条件。

旋流分离器内含砂量低于2%，通过连续单相流场模拟反映流场情况，整机迭代计算监测迭代残差，流场稳定时可进行分析。叶轮是动态旋流器旋流发生部件，叶轮处流体压力场影响旋流器压力性能。叶轮出口旋流器壁面区域有大的压力梯度，叶轮中心位于绝对低压区，使叶轮具有良好自吸性。叶轮出口到旋流器壁面区域速度分布均匀，叶片中心处看不到箭头方向，原因是空心进料轴内流体方向为垂直叶片轮横截面。叶轮中心流体速度最小为2.7m/s，壁面附近流体速度为12m/s，旋流流速可提供足够离心强度。通过改变有叶轮入口安放角参数模拟，发现增大到90度后减小入口压力。

综上所述，研究通过对工业机进行性能试验，对其压力分离性能进行实验研究，确定结构参数。研究得出：（1）通过改变结构参数对实验样机的压力性能进行优化，发现减小叶轮的直径、增大溢流管径可有效增大底流压差。（2）工业机压力性能良好，电机速动频率为20Hz时产生底流回流，电机转速为25Hz时回流量为2.6m³/h，工业机分能性能保持高效，旋流器分离效率在93%以上。（3）设计循环式动态水力旋流器结构简单，易于实现。通过实验验证，也发现数值模拟结果与实际结果基本吻合，说明该数值模拟结果基本可以指导实际离心机与水利旋流器的工作，进而优化工业机性能。

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GAO Fei， ZHOU Zhihai， LIU Jie

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei  065000）

In this paper the characteristics of centrifuge and hydrocyclone are combined， reasonable central feeding mode is adopted， after processing the experimental prototype， the pressure performance was optimized through the comparison experiment of structural parameters， determine the industrial machine with reasonable structural parameters. The numerical simulation of single-phase flow field of industrial machine is carried out by using hydrodynamics software， and the numerical optimization of swirl generating parts is carried out， for reference.

Self circulation; Dynamic hydrocyclone; Pressure performance; Separation performance