基于CFD-PBM的前置式脱气泵性能研究*

张毅 熊子杰 杨强 熊思阳 钟思鹏

(1.西南石油大学机电工程学院 2.石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台)

0 引 言

聚合物驱已成为提高油藏采收率比较成熟的三次采油技术，在陆上油田得到了广泛应用[1-4]。但在化学驱试验过程中发现聚合物溶液中存在气泡，导致注入压力偏高，以及聚合物降解、地面设备管道和地下管柱腐蚀等问题。因此迫切需要一种气液分离装置，能够将悬浮或者溶解于聚合物水溶液中的气体高效脱除。

旋流分离器能够产生高达几百倍于重力加速度的离心加速度，能够高效分离不同密度的介质，且效果优异[5]。为获得良好的分离性能，国内外学者主要通过试验和仿真分析等手段对旋流器等分离装置的气液分离过程进行结构改进。ZHU Y.F.等[6]通过试验发现，增加旋流器的旋风筒筒体高度和减小出口管长度会提高分离效率且降低压力损失；S.OBERMAIR等[7]、褚良银等[8]及ZHAO L.X.等[9]认为在旋流器底部增加内锥结构可以为相分离提供更稳定的流场，有利于径向分离的气体聚集和成长为更大的气泡，从而提高气液分离性能；张富成等[10]、梁雪琪等[11]应用Fluent软件对带有导流叶片的旋流器进行了流场分析，结果表明，合理的导流叶片会显著提高分离效率；宋玥[12]结合DPM模型对旋流器进行固液两相流场的数值模拟计算，分析了离散相颗粒浓度和粒径对分离性能的影响并对结构进行了优化改进。但上述离心分离装置均没有考虑到分离后的流体运输，且对高黏度流体的气泡分离研究较少。

本文针对渤海油田化学驱配液除气保黏的工艺过程，提出一种前置式脱气泵装置，该装置能够脱除聚合物母液中的气体，并将脱气后的溶液输送去进行下一步工艺。采用Fluent软件对脱气泵内流场进行两相流数值模拟，并探究了脱气泵的转速、抽气压力及流量参数对脱气性能的影响，在此基础上，运用Box-Behnken法设计正交试验组，生成响应面模型(RSM)，评估了在工况参数(转速、抽气压力及流量)交互作用下对脱气泵脱气性能的影响，并在因素高低水平之间寻优，找到最大脱气率下的工作参数组合。

1 前置式脱气泵工作原理

前置式脱气泵模型如图1所示。

图1 前置式脱气泵模型Fig.1 Model of front degassing pump

工作时，溶液由入口进入脱气泵内，经导流锥流入转毂流域，转毂的转动带动聚合物混合液在脱气泵内旋转，由于混合物内液相和气相密度不同，在离心力作用下分层，密度较小的气相在转毂中心区域形成气核，密度较大的液相在泵壁形成液环。气体通过外接抽气泵从抽气口排出，转毂与叶轮同轴转动，液相经叶轮增压后从排液口排出。相较于传统的脱气装置，前置式气液分离机构在运行过程中在转毂中心区域会形成负压区，该区域的稳定存在有利于脱除溶解于液体中的气体，高效实现分离性能的同时还可运输流体[13]。

2 脱气泵流体分析模型

2.1 流体力学基本方程的建立

在脱气泵内，液相流体介质可视为等温、不可压缩流体，不涉及热效应，故只考虑质量守恒及动量守恒[14]，则有：

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；ui为i方向上的速度分量，m/s。

(2)

2.2 群体平衡方法

由于气液分离装置中分散相气泡的破碎与聚集会影响其分离效率，在气液两相体系中，越来越多的学者结合群平衡方法进行流场分析。

对于气液两相流，群平衡模型为：

(3)

式中：V′为原气泡体积，V为子气泡体积同，n(V，t)为体积为V的气泡数目密度函数，a(V，V′)为气泡聚并速率，β(V|V′)表示体积为V′的气泡破裂成体积为V及其他子气泡尺寸的分布函数[15]，Gv为基于固相颗粒体积的增长速率，g(V′)、g(V)分别为原气泡和子气泡体积的破碎速率函数。

2.3 流域及网格划分

利用Fluent软件对脱气泵内流场进行数值模拟，以探究离心泵内流场运动规律及脱气效率。脱气泵整体计算流域如图2所示。脱气泵内部流道共分为4个部分，分别是入口流道、抽气流道、转毂及叶轮流道以及蜗壳流道。考虑到脱气泵转毂流域及叶轮流域结构复杂，采用非结构四面体网格划分，网格数535 872，节点数109 947。由于气相主要集中在转毂中心区域，所以考虑在数值模拟计算中采用Eulerian多相流模型，且在脱气泵内流场时旋转，湍流模型采用RNG模型[16-17]。入口边界条件为速度入口，抽气口及排液口均采用压力出口，选用压力基准算法隐式求解器求解，压力-速度耦合选用Couple算法，壁面边界条件为壁面不可渗漏，无滑移条件，残差精度1×10-4。

图2 脱气泵计算流域Fig.2 Calculation watershed of degassing pump

2.4 脱气泵初始模型分析结果

气泡直径在轴向截面的分布情况如图3所示。气泡在入口管处由于沿程压力损失迅速聚并，在前置管中气泡直径扩大到约3 mm，进入脱气转毂流域后，气泡在强旋的流场中破碎，在转毂叶片附近的气泡直径约0.8 mm。由于流场旋转，在脱气转毂中心形成低压区，在离心力以及负压的作用下气泡从聚合物溶液中分离，在转毂中心汇聚，从图3可以看到，此处的气泡直径膨胀到1.6 mm左右。经计算，该泵脱气率达到74.12%，扬程约15.5 m，计算结果如图4所示。为了保证计算精度及节省计算机资源，在后续的计算中一律取气泡直径大小为0.8 mm。

图3 脱气泵轴向截面气泡直径分布Fig.3 Bubble diameter distribution in axial section of degassing pump

图4 脱气泵相分布及压力分布Fig.4 Phase distribution and pressure distribution in degassing pump

3 前置式脱气泵性能研究

为了探究脱气泵合适的操作参数，本文重点研究了离心泵的流量、抽气压力、转速及聚合物溶液黏度对脱气效果、液体夹带率的影响。聚合物溶液密度1 200 kg/m3、黏度0.275 6 Pa·s[15]，气泡直径0.8 mm，转速2 700 r/min，入口流量70 m3/h，抽气压力80 000 Pa，通过单个参数的改变分别探讨其对脱气效果以及液体夹带率的影响。其中，液体夹带率指抽气口溶液体积分数，脱气效果可用脱气率ηα来量化，如式(4)所示。

(4)

式中：αa、αb分别为脱气泵液相入口和出口的含气体积分数。

3.1 流量对脱气泵的影响

入口流量对脱气率以及液体夹带率的影响如图5所示。由图5可知，随着流量的增加，脱气率及液体夹带率呈上升趋势。这表明此脱气泵在大流量工况下依然能够保持较好的脱气性能，在流量达到75 m3/h后，脱气率增长趋势放缓，脱气率维持在74.6%左右，但流量的增加会导致抽气口液体夹带率的增加。

图5 流量对脱气泵的影响Fig.5 Influence of flow rate on degassing pump

脱气泵内流场压力分布如图6所示。由图6可知，随着处理量的增大，泵内部的压力随之增大，在80 m3/h时绝对压力达到了80 000 Pa左右，不利于溶解于聚合物溶液的气体析出。流量增加，脱气泵内负压区区域减小，且压力逐渐升高，根据亨利定律，负压区的稳定存在有利于气体从液体中析出，大流量工况下负压区小且压力较高，无法在转毂中心形成较大的气核团，同时在抽气泵的作用下，气体带着大量的液体从抽气口排出，导致液体夹带率升高。因此，在大流量工况下，对悬浮于聚合物溶液的气泡，离心泵能够高效脱除，但是对溶解于溶液的气体，脱除性能不如其在低流量工况下好。

图6 脱气泵内流场压力分布Fig.6 Pressure distribution of flow field in degassing pump

3.2 抽气压力对脱气泵的影响

抽气口的抽气压力对脱气率及液体夹带率的影响如图7所示。

图7 抽气压力对脱气泵的影响Fig.7 Influence of pumping pressure on degassing pump

由图7可以看出，随着抽气压力的增加，脱气率及液体夹带率也增大。这是由于较大的抽气压力会及时抽走脱离出的气体，有利于脱气过程的进行。然而，抽气压力过大会使气体携带着液体被抽出，使液体夹带率增加。因此需要合适的抽气压力，过大或过小都不利于脱气过程的进行。

3.3 转速对脱气泵的影响

转毂转速对脱气泵的影响如图8所示。

图8 转速对脱气泵的影响Fig.8 Influence of rotating speed on degassing pump

从图8可见，随着转毂转速的增加，脱气率呈先上升再下降的趋势，在2 500 r/min时达到最高，大约74.65%，在低转速下，离心力较低，脱气性能不佳，而转速越高，转毂中心形成区域较大的气核与负压区，使抽气变困难，阻碍了脱气过程的进行，因而脱气率下降。同时较大的负压区能够使气体源源不断地从溶液中析出，降低液体夹带率。

4 响应面优化

在单因素分析的基础上，本文基于响应面法(RSM)对脱气泵的最优工况参数进行探究。主要分析的参数为流量、转速和抽气压力。脱气率为脱气泵最重要的性能参数，因此选择脱气率为响应目标值。选择Box-Behnken法设计正交试验组。设计因素水平如表1所示。工况参数对脱气率的影响如图9所示。从图9a可见，脱气率随着流量的增加而上升，随着转速的升高呈先上升后下降的趋势，较高的脱气率出现在高水平的流量及中间水平的转速附近。从图9b可见，脱气率随着流量的增加而增加，随着抽气压力的升高，呈先上升后下降的趋势。从图9c可见，脱气率随着转速和抽气压力的升高先上升后下降，在中间水平附近的转速和抽气压力取得最大值。

图9 工况参数对脱气率的影响Fig.9 Influence of interaction between operating parameters on degassing rate

表1 设计因素水平Table 1 Design factor level

脱气泵优化前、后的相分布云图对比分析如图10所示。从图10可以看出，优化后模型在抽气压力的作用下，泵内气体更容易被抽出，有利于脱气过程的进行，从而提高脱气率。优化前、后工况参数对比如表2所示。表2中设计值为脱气泵初始工况参数，优化值为响应面优化后得到的值，计算值为通过数值模拟计算得到的值。优化值与计算值得到的脱气率相差0.218%，表明响应面模型拟合较好，能够运用响应面法对脱气泵工况参数进行优化。

图10 脱气泵优化前、后相分布云图对比Fig.10 Cloud charts of phase distribution in degassing pump before optimization and after optimization

表2 优化结果Table 2 Optimization results

5 结 论

(1)结合群体平衡模型(PBM)得到了脱气泵内流场气泡直径分布。结果表明，转毂叶片区域气泡直径约为0.8 mm，可作为后续采用均一气泡直径法进行计算的气泡直径参考依据。

(2)在其余参数不变时，脱气率随着流量及抽气压力的增大而升高，随着转速的升高呈先升后降的趋势，在2 500 r/min时，最大约为74.65%。经对比分析，抽气压力对脱气率的影响最为显著。

(3)运用Box-Behnken设计方法对前置式脱气泵工况参数进行试验设计，建立了脱气率的多元回归模型，反映出脱气泵各设计变量与优化目标间的复杂的非线性关系及交互性影响结果，找到了最大脱气率工况时的参数组合。经计算，最大脱气率达到了76.17%。