水力旋流器操作参数优选

张婷婷

摘 要：水力旋流器是应用离心分离原理进行油水分离的重要部件之一，在我国石油行业中已得到广泛应用。该文利用RNGK-ε模型和ANSYS软件及理论，建立了水力旋流器的结构模型，经分析得出在操作参数变化时水力旋流器分离效率的变化规律，从而确定各影响因素的关系及适用范围，为实际操作提供理论依据。

关键词：水力旋流器 CFD 分离效率 参数优选 操作参数

中图分类号：TD454 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0070-01

近年来，随着油田的持续开发，我国大部分油田已进入高含水开发期，采出液综合含水量已达到或超过90%，随之带来的首要问题便是进行油水分离。水力旋流器作为一种分离非均匀相混合物的分级分离设备，由于结构简单、设备紧凑、占地面积小和设备成本低等优点，在石油行业中备受关注。本文基于RNGK-ε模型、ANSYS软件及计算流体力学理论，模拟出水力旋流器内部流体的流动状态，进而分析得出水力旋流器个影响因素适用范围，为实际操作提供了依据。

1 水力旋流器分离效率影响因素分析

作为旋流器性能的重要标志，分离效率直接反映旋流器的分离效果，其受到结构参数、操作参数及物性参数的影响[1]。本文通过大量的模拟分析，从操作参数方面对影响水力旋流器分离效率的因素进行阐述。

1.1 建模及求解

该文采用最佳分离模型Rietema的结构模型进行建模[2]，参数为：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软件为旋流器建模。利用ANSYS求解模块（SOLUTION）进行求解，得出结果可知溢流管入口附近区域的油相浓度高，其他区域的油相浓度相对较低，说明分离模型Rietema的分离效果越好。由此结果亦可知，溢流管入口附近区域的油相浓度越高，其他区域的油相浓度越低，旋流器的分离效果越好。

1.2 影响旋流器分离效率因素分析

具体分析影響水力旋流器分离效率的某一因素是很难实现的，因此在确定其他因素固定的情况下，来分析某个因素的影响大小，通过此方法来逐个分析各因素的影响。进而确定各因素对水力旋流器分离效率影响的主次关系及适用范围。

原油含水率、介质温度、入口流量、分流比等操作参数的不同都会导致分离效率发生变化。通过多次模拟旋流器内部流场，得到的结果是随着入口含水率的升高，分离效率也逐渐升高；入口含水率超过80%时，分离效率达到80%以上。

由图1可以看出，当温度在20～70℃时，随着温度的升高，分离效率逐渐升高。这是因为升高温度使试验介质的粘度下降，油水界面张力下降，介质的流动性加强，有利于分离。

由图2可以看出，入口流量<12m3/h时，分离效率随入口流量的升高而迅速升高；入口流量>12m3/h时，分离效率随入口流量的增加而缓慢降低。同时因为液体在低流量、高转速时，液滴剪切乳化程度增加，使分离效率下降；高流量时，液体在旋流腔速度加快，停留时间变短，不利于分离，而使分离效率下降，并且，流量过大会破坏静态水力旋流器内部流场的稳定性，使分离效率下降，所以确定旋流器合理流量区间为10～12m3/h。

由图3可以看出，分流比<10%时水力旋流器分离效率迅速增高，分流比超过10%后，分离效率逐渐下降。分流比在8%～12%时，分离效率达82%以上。就本试验而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保证底流含油量尽可能少的前提下，分流比越小越好。因为当入口流量和转筒转速一定时，适当减小分流比，溢流流量相应减少，随溢流排出的水相应减少，因此分离效率得到提高，所以确定分流比使用区域为在8%～10%。

2 结论

本文利用RNGK-ε模型和ANSYS软件中的FLOTRAN CFD部分建立了最佳分离模型Rietema的结构模型，通过大量模拟分析，得出以下结论。

（1）各操作参数的最优区间：原油含水率80%～90%，介质温度45～70℃（尤其65～70℃），入口流量10m3/h～12m3/h（最优为12m3/h），分流比8%～10%（最优为10%）。此时，能够获得较理想的分离效果。（2）经分析得出原油含水率、入口流量对水力旋流器分离效率影响显著；相比上述两因素，分流比和温度对分离效率影响不是很明显。

参考文献

[1] 胡国良，任继文.ANSYS 11.0有限元分析入门与提高[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2] 任连成，梁政，钟功祥.基于CFD的水力旋流器流场模拟研究[J].石油机械， 2005，33（11）：15-7.