石油学院本科生毕业设计（论文）

摘 要主要介绍注水井洗井的现状。在油田注水井污染问题严重，同时也浪费了大量水资源和落地原油的情况下，洗井车的设计、生产起到的作用。它是应用水力旋流器处理洗井混合液是油水两相分离开，以往用的水利旋流器不能很好的分离水和原由，将采用动态水力旋流器，来达到更好的油水分离效果，提高水和原油的利用率。油田用洗井车是注水泵高压打出的混合液送入动态水力旋流器，分离出原由和水固体混合物。水固体混合物从出水口出来经过两次过滤以后进入水箱。注水泵再把处理过的水回注到井下形成循环作业，还可以利用水箱中的水清洗各设备。整体设备的动力源由汽车发动机提供，经过变速箱转换成各泵和动态水力旋流器所需要的动力。关键字：1.动态水利旋流器；2.洗井液；3.油水分离；4.注水井；5.水污染6.注水泵第1章第2章 80- . . 20 6,7 , 10 9,3 . 2,3% , 13%, , , 2020 . 40 4% . 30 1 . , . -, 2 600 . . -, - . , 2 1 . . . 60 . 1 1 300 , 5 -. 1,5 .- 8 , .：1. ;2.G ;3. ;4. ;5. ;6. 目 录 摘要 目录. 第一章 绪论.11.1 油田注水井洗井现状11.2 现有洗井装置.3第二章 洗井车方案设计5 2.1 洗井车结构组成.5 2.2 主要结构参数.6 2.3 工艺流程.7 2.4 性能7第三章 水力旋流器结构设计.8 3.1 水力旋流器介绍.8 3.2 结构及工作原理.10 3.3 结构性能设计.11 3.4 动态水力旋流器的速度场.19 3.5 影响动态水力旋流器分离特性的因素.213.6 操作参数之间的关系.23结论.28参考文献.29致谢.30第一章 绪论1.1 油田注水井洗井现状目前,油田洗井多采用将洗井污水直接排入井场土油池的做法,这种方法由于排放的污水未作任何处理,导致油、水资源浪费大,环境污染严重。洗井具有较大的污水排放量,单井可达到1303,而且排放的污水中含有大量的泥沙和原油。直接外排对大气、地表水及土壤环境造成污染,严重影响了企业和地方政府及居民的正常关系,也影响了岗位员工的身体健康。同时,由于大量的含油污水在洗井过程中直接排放,造成油田油、水资源的浪费。鉴于注水井洗井污水存在的以上问题, 给油田环境保护管理带来了诸多麻烦,急需对洗井污水进行治理。各油田充分认识到环境保护是我国的基本国策,保护生态环境是企业义不容辞的责任,是企业经济效益和社会效益的统一,更是关系到国计民生的大事。加强环境污染治理,管好环境保护设施,并使之长期正常稳定运转,发挥投资效益,是企业领导的责任。为此,采油四厂组织有关部门在大量深入细致工作的基础上,提出了采用车载式设备就地处理注水井洗井污水,并回注地层或进入注水干线,确保含油污水不落地的方案,并组织专家进行了可行性论证。油田注水井洗井主要是为了保持地层的吸水性。注水井注水一段时间后,由于水中的悬浮物、机械杂质等在井筒和炮眼附近聚集,可能造成地层吸水能力下降或注水压力升高,还可能造成注水井不能进行正常的投捞测试,严重的需要上水井调整作业。注水井洗井可以清除井筒内的聚集物,并通过油层微吐的方法,减少炮眼附近油层的污染,是注水井保持地层吸水能力有效而经济的办法,是提高注水效果、减少油层污染的重要措施之一。注水井洗井污水,是油田主要的污水和污染源,污水外排造成巨大的资源浪费和环境污染。因此,注水井洗井污水处理技术得到日益重视,并取得了一定的成果。目前对油田洗井污水的处理方法主要有四种。(1)建设单独的洗井污水回收管线。这种洗井污水处理方式基建投资大,与注水管线投资水平相等,有两种方案,可以降低基建成本,一是建临时污水回收管线,二是在主要注水井排铺设固定管线。铺设固定洗井管线的洗井污水处理方法主要在大面积的丛式井开发区块中应用,多井共用一条洗井管线,可以降低单井投资费用,提高管线利用率。目前,冀东油田采用了这种处理方式,该油田的油水井被农田和渔场包围,多采用定向井,每个采油平台上分布710口丛式井,在平台上建一条单独的洗井管线,多口井共用一条管线,提高了管线利用率,既解决了洗井问题,又保护了环境。对单独分布的井区而言,这种处理方式基建投资高,管线利用率低。(2)注水井洗井污水进附近的油井集油管线。这种洗井污水处理方式无环境污染,投资较少,但受油井管线直径的限制,部分井洗井排量达不到要求。管线连接工作量较大,洗井劳动强度大,洗井造成油井回压增高,对产量有影响。洗井污水成分复杂,对油处理系统产生不利影响,增加了洗井污水的处理费用。2002年以来,大庆油田在洗井污水进油井集油管线应用方面做了大量的研究工作,使该种方法日趋完善。现场试验表明,注水井外排污水进附近油井集油管线,工艺简单可靠,投入少。在保持油井生产条件下,当注水井的洗井排量为253/时,如果集油管线内径为 53,油井集油管线的长度应在305以内。采用这种洗井污水处理方式洗井的费用较低。主要应用于油水井之间视野开阔平坦、无宽或深的排水沟渠及软管不需跨公路的地区,以便于连接及观察软管有无憋压现象,该方法推荐应用于老区密井网开发的区块。(3)洗井污水罐车拉运集中处理。这种污水处理方式设备投较资少,应用范围广。目前单井洗井污水量一般在1502003左右,罐车容量为153,但洗好一口井罐车往返次数多,不安全隐患较大。冬季采用罐车洗井,污水中的油凝固后无法排放,因此冬季无法洗井,且洗井效果无法保证。集中到污水处理站的洗井污水,将影响污水处理站的处理效果,尤其是老化油对油系统的平稳运行影响最大。该种洗井污水处理方法推荐在外围低渗透油田、洗井污水量少及洗井排量较低的注水井中使用。(4)采用活动处理设备。国内注水井洗井活动处理设备在发展过程大致可划分为三个阶段:第一阶段是由吉林油田和华北油田研制的洗井车 组,由三车构成。第二阶段针对东部老油田的注水井情况研制的单车洗井车。第三阶段是2001年大庆某油田针对东北高寒地区开发研制的新型注水井洗井液就地处理设备(洗井车),由泵车和处理车构成。该套洗井装置自2001年10月投入现场试验以来,共试验应用106井次,水质检测52井次,对其中11口井进行了详细化验,处理后洗井液平均含油7 23/,悬浮物平均含量为4 18/。试验结果表明,注水井洗井液可移动处理装置对含油、含砂较高的洗井液具有很强的适应性,净化分离效果好,设备达到了洗井需要的机械动力性能,洗井液处理后达到了注入水水质要求。注水井的洗井问题一直是我国陆上油田长期未解决的问题之一,它直接影响到油田的生产和环境保护。目前采用的洗井技术可分为2类:固定式洗井流程,主要分为两管流程和三管流程,即利用注入高压水或专门敷设洗井管线进行洗井,洗井液经洗井液回收管线将污水回收到污水处理站进行处理;活动式洗井流程,即利用泵车和水罐车进行洗井。采用固定式洗井流程,通过多年的实践,暴露出许多问题,主要表现在如下几方面:)管网投资大,钢材耗量大。)利用高压注水系统的水洗井能耗高,洗井时影响注水系统效率。以双河油田为例,注水平均压力14,注水单耗8.5/3,而洗井平均压力为6,洗井流量为25303/,致使注水系统压力波动大,直接影响周边注水井的正常生产,导致产液量下降。)洗井回收液物性复杂,进入联合站污水处理系统后,增加了处理负荷和处理难度,直接影响到污水处理系统的出水水质。)洗井过程不便于控制排放量。采用固定式洗井流程,只能在配水间控制洗井流程,当遇到地层压力较高、吐水量大、返砂严重时,不便于控的制井口返出水量。以大港油田第一采油作业区为例,由于该区地层返砂严重,致使建造的洗井液回收管线全部堵死而无法使用。我国东部油田(如胜利、河南及江苏等油田)的部分边远零散注水井在建设时没有安装洗井液的处理设施。目前,这些注水井要么长期不洗井,部分边远零散注水井在建设时没有安装洗井液的处理设施。目前,这些注水井要么长期不洗井,要么洗井后洗井返出液只能排入井场污水池或用罐车回收,因此注水井的洗井水量受到限制,井筒内机杂(砂及沉淀物)及含油不能彻底排除,造成洗井质量差;加之许多边远注水井处于农作物种植区,注水井因环境状况限制,基本不能进行正常的洗井。1.2 现有的洗井装置注水井洗井主要依靠靠移动式注水井洗井污水处理设备进行处理,洗井效果既达到了洗井的技术要求,又解决了环境污染问题。该种处理方式具有环保、操作简便、工人劳动强度小和二次处理液少的优点。该种洗井污水处理方法在位于厂区、家属区内及油水井井距大等无法连接到附近油井井口的注水井中应用。解决上述洗井问题,改善井下油层堵塞污染状况,达到有效注水、保护环境的目的。 车载式装置的结构与特点洗井污水处理装置采用车载结构,主体由供液泵车、洗井污水处理车及连接管线组成。工业泵车采用11602462红岩汽车底盘,前部装有水箱,中间安装减速箱并用联轴器与卧式三缸柱塞泵连接,后部安装1、2级过滤器。整个上装部分由管汇连接,并安装有储能器、压力表、安全阀、流量计等部件。洗井污水处理车采用红岩1261汽车底盘,上部装有旋流除砂器、液液旋流器、静态混合器、污油回收池、小型发电机组及加药泵、多相流组合式沉降器等水处理装置。为方便单井应用,适应井场道路,整套处理设备安装在两辆车上,车辆选用动力性能、越野性能较好的红岩底盘。为保证该装置在冬季施工的正常使用,在箱体和管汇上设计了保温层,减少热量散失。在仪表及加药等较细管路上安装了电加热带。同时为了避免污油回收池内原油过稠、凝固,池内采用了电加热方式,可以对油水进行加热升温。考虑到洗井液中含泥含砂较多的实际情况,在洗井液进口处进行了旋流分离除砂设计,底部设有排砂口,定期排砂,以缓解洗井污水对处理系统各种容器设施的冲击。采用了3175卧式三缸柱塞泵,最大输出压力为20,最大流量可达到303/。为了便于洗井排量的控制,掌握地层吐水量,在洗井处理装置的进口、出口处分别安装流量计,录取洗井数据直观方便。同时为了便于洗井质量监测,在进口、出口处设计了取样口。洗井污水处理工艺流程为:井口回水旋流除砂器液液旋流器静态混合器多相流组合式沉降器一级过滤器二级过滤器净化水罐洗井泵注水井井口。 第二章 洗井车方案设计 随着油井开采时间的不断增长，为保持合适的油藏能量及采油速率，油井注水及注水驱油是油田开发的必要措施。从2002年中石油水处理年会获悉，中国石油天然气股份有限公司所需各油田注水井数近30000口，年注水量67亿立方米，尤其是东部油田，平均油井综合含水达85%，年采出液中，污水总量6亿立方米，而注水质的好坏直接影响原油产量的高低。甚至对油田后续开发也起着至关重要的作用。然而由于油井油藏特性、采出液物特性及油田区块分布等的不同，油田污水处理回注并非一件容易的事情。 从2003年中石油工程技术年会获悉，2002年全国油田采出水量达，注水量达。2.1 洗井车结构组成含油污水处理车是油田含油污水净化处理的重要设备，它主要用语注水井洗井作业，在不影响注水井正常工作的情况下，可将油管返出的含油污水进行净化处理，然后通过套管注入水井，实现洗井液重复利用，避免洗井含油污水外排污染环境，保证注水井正常工作。洗井液 处理车主要包括T815汽车、变速箱、动态水利旋流器、注入泵、一级过滤器、二级过滤器、水箱、污油箱等。动力传动系统 动力传动系统为机械传动，工作动力由底盘车发动机提供，通过变速箱、取力器、传动轴、增高箱、联轴器驱动动态旋流器、柱塞泵、螺杆泵工作。动态水力旋流器 从油井中打出的含油污水带有一定的压力，进入动态水力旋流器，动态水力旋流器利用油相与污水相之间的密度差在旋转筒高速旋转的离心力作用下，把油和污水分离开。 一级过滤 从动态水力旋流器分离出的污水进入一级过滤器，把大部分的杂质过滤出，同时凝聚出油，进入污油箱。 二级过滤 一级过滤器出来的含有小颗粒杂质的水进入二级过滤器，把细微的小颗粒杂质过滤出去，得到符合要求的水。 注水泵 注水泵采用D465011泵，该泵具有结构紧凑、体积小、质量轻和效率高等特点，能够满足油田注水需要，可实现车载化。洗井液处理车结构示意图1T815汽车 2变速箱 3清洗泵 4注入泵 5水箱 6管汇 7污油箱 8动态水力旋流器 92级过滤器101级过滤器 2.2 主要结构参数汽车型号：t815载重型 额定洗井强度：2530最大洗井压力：120 连续洗井时间：介质温度： 工作环境温度：设备工作压力： 气路系统压力：介质含量：悬浮物，油处理后介质：悬浮物，油清洗泵（离心式清水泵）： 型号：40BG17 流量：11m3/h扬程：17.4m 轴功率：0.87Kw转数：2900rpm 效率：60注入泵：型号：D465011 流量：28 m3/h扬程：623.5m 轴功率：91Kw转速：2950r/min 效率：53水力旋流器：最大流量：800 m3/d 当量直径：152.4mm转数：1200r/min 压力降，油/水：0.49/0.28Mpa存留时间：510s 长度：3.05m水箱：长度：1500mm 宽度：1400mm 高度：1800mm油箱：长度：1200mm 宽度：900mm 高度：1650mm 过滤器：型号：MAF-1400 排量：38m3/h 直径：1400mm 高度：4350mm 滤速：25m/h 压力：0.6Mpa处理量：15250mg/l 滤前水质：含油100mg/l；悬浮物100mg/l滤后水质：级过滤：含油20mg/l；悬浮物10mg/l 级过滤：含油5mg/l；悬浮物3mg/l；粒径3m2.3工艺流程从井下打出的高压洗井液进入动态水力旋流器，经过动态水力旋流器转筒的高速旋转，在离心力作用下重相介质污水靠向转筒内壁，轻质油聚集在转筒轴线附近，从出油口旋出，污水进入一级过滤器。在一级过滤器中污水中少量的轻质油凝聚油滴进入油箱，水中的杂质大部分经滤网滤出，经过二次过滤器水中的杂质和轻质油都达到了回收的标准，进入水箱用注入泵进行回注，水箱中的水还可以在清洗泵的作用下清洗各个设备，完成了整个水的循环。 2.4性能本台洗井液处理车可广泛用于各油田的洗井作业。用这种洗井液处理车后,不但洗井液可多次重复利用,还可回收原油和避免环境污染。过处理的洗井液,其含油量均低于设计要求,完全可以满足油田洗井作业时对水质的要求。车采用t815型车底盘,越野性能好,适合油田现场路况,易维护保养。第三章 水力旋流器结构设计3.1 水力旋流器介绍水力旋流器的基本工作原理和基础设计的提出有一百多年了（1891年首次获得有关专利），但是直到第二次世界大战以后才被有效地应用于工业生产中。首先在选矿和采矿业中获得应用，后来又逐渐应用于化学工业、石油工业、轻工、环保、食品、医药、纺织等许多工业部门之中。现在水力旋流器已被广泛确认，而且其应用领域正在越来越广，如近来已广泛应用 到生物工程中的分离作业中。之前，水力旋流器主要用作固液两相介质的分离装置。直到20世纪60年代末期，英国南安普顿大学的Martin Thew 等人开始研究水利旋流器来分离油水两相介质的可行性。随后他们经过将近十年的研究，终于得出了肯定的结论，并设计出样机。1983年，他们设计的液液分离水利旋流器在两个公司进行了商标注册，并生产出第一个商用的高压Vortoil型水利旋流器。利用该旋流器在澳大利亚的Bass Strait油田的平台上进行试验，取得了满意的结果,从此开辟了水力旋流器应用的另一个新的领域：液液分离。目前，许多国家的油田中，尤其是海洋平台上，由于空间的限制而大量使用水力旋流器作为原油脱水或生产用水的水处理设备。水力旋流器的用途也不断扩大，已由主要进行固液分离而扩展到两种不互溶液体介质的液液分离以及气液分离、气液固三相分离等，如液体的净化、泥浆稠化、液体脱气、固体筛分、固体介质清洗、按密度或形状进行固体分类等许多方面，成为一宗多用途的高效分离装置。在核工业、船舶工业、食品加工工业、生物工程等领域也开始采用水力旋流器作为重要的分离设备。如用水力旋流器处理船舶的底舱水合油轮的压舱水，是处理后的水完全符合公海排放标准。在核工业中，可用于从均相反应堆中分离出较为粗大的颗粒，如稀土元素核裂变物质等。这种水力旋流器内部无任何运转部件，通常我们把它称为静态水力旋流器。但近几年来随着用途的不断扩大以及分离难度的加大，又出现了一种效率更高的水力旋流器，即动态水力旋流器。它是利用外壳的旋转来带动液体介质运动的，克服了静态水力旋流器中由于沿轴向液体运动速度衰减引起的液流旋转强度下降的现象，因而使分离效率大幅度提高，同时也极大地扩大了水力旋流器的应用范围。可以说，动态水力旋流器分离技术已成为旋流分离技术发展的一个新的方向。从水力旋流器出现至今，随着其不断发展已逐渐形成几种类型的产品。按中分离的介质类型可分为固液、液液、气液、气固、气液固水力旋流器等几种。按照旋流器本身的结构特点，即外壳是否旋转，又可简单分为静态和动态水力旋流器等。在本论文中,主要研究动态水力旋流器。动态水力旋流器也能有效地分离小油滴，油滴尺寸小于15Lm时效果更显著。在这些范围内，动态水力旋流器分离油效率比静态水力旋流器高25%。除了显示出极佳的分离性能外，动态水力旋流器比其它两种静态水力旋流器在较低的压力范围内也能工作。就动态水力旋流器而言，在整个旋转速度范围内，进口内压随进口流量线性增加。对静态水力旋流器来说，虽然进口压力较高，但压力与进口流量的关系曲线也呈线性关系。这里，静态旋流器A和B进口流量分别是30加仑/分(6. 813m3/h)和25加仑/分(5. 678m3/h)时最小工作压力相应地为100磅/英寸(0. 689MPa)和110磅/英寸，(0. 758MPa)。动态水力旋流器要求的工作压力范围，当转速是160。转/分，进口流量为30加仑/分(6. 813m3/h)时，所需的工作压力为55磅/英寸(0. 379MPa);当转速为3000转/分，进口流量为95加仑/分(20. 439m3/h)时，工作压力上升到190磅/英寸，(1. 314MPa)。因此，静态水力旋流器在最大工作能力下所需的工作压力大约是动态水力旋流器在最大流量时所需工作压力的两倍。 这个条件在现场应用中很重要。因为现场进口压力受限制，但驱动动态水力旋流器所需的工作动力可保证。然而，在能力方面不会受到限制，因为在相同的进口压力下，通过驱动更动并联的静态水力旋流器就可获得更多的能力。但对静态水力旋流器与动态水力旋流器而言，还没有进行工作压力与能力与成本的全面比较。静态水力旋流器需要的驱动功率(泵功率)最高约20马力(15. 67kw)。而动态水力旋流器只需要12马力(8. 952kw)就可满足额定设计处理量为70加仑/分(15. 897rn3/h) o 动态水力旋流器的两个缺点是需要求高的排出体积和潜在的固相堵塞。动态水力旋流器的设计在固定的排出流量下而不考虑进口流量的大小。在这些试验选用的是规格2的型号，制造厂推荐的最佳排出流量是5.25加仑/分(1. 192m3/h)。排出比率是5%至1600，比两种静态水力旋流器的任一种分流比(排出比率)都大的多。这个结果出现很大的废水排出体积。在工作环境中，假如这个排出流体再循环到上游的原处理装置中会引起问题。我们的结果表明，动态水力旋流器在较低的排出流量下能有效地工作，而且最小的排出流量也能满足不同的特定场所所给定的系统中。在动态水力旋流器中潜在的固相堵塞比静态水力旋流器大的多，这是因为旋流器筒较低的轴向速度约等于2英尺/秒(0. 6096m/s)所致。由于涡流力的存在使一些水润湿的固相转移动旋转壁上，积累并缓慢地朝出口运移。在系统中有高的固相含量，这就会易出故障。要消除任何固相积累，旋流器必须停止旋转，以使进口流体从装置中冲洗固相。在这个试验中，该项技术得到成功的应用。但是，在现场中这种技术的实际应用仍还没有得到确认。 具体比较为：1.从性能的观点看，动态水力旋流器比两种静态水力旋流器中任一种都能更有效的从水中分离油。然而，长期工作的可靠性比较还没有进行。 2.动态水力旋流器比静态水力旋流器能从水中分离更小的油滴。当水中含油滴尺寸小于15 um时，效果事奸。 3.动态水力旋流器比静态水力旋流器在较低的进口压力下能更有效地工作。这点对工作压力低以及泵剪切降低旋流器的性能上，更为重要。 4.分析油滴尺寸的分布对于测试水力旋流器的性能是一种实用的方法。 由于动态水力旋流器的这些优点，本题所设计的洗井车就把现有洗井车的静态水力旋流器换成动态水力旋流器来研究。3.2 结构及工作原理3.2.1 主要结构动态水力旋流器是由如液口，旋流腔、出水口及出油口等部分组成，其结构设计见图1.要使转体有良好的对中性，支架采用加强筋形式来提高其刚性，减少设备运行时的振动。动态水力旋流器的旋流腔为主要分离区，旋转腔内被分离液体的高速旋转是外部动力驱动完成，分离效率的获得是靠牺牲外部动力损失来实现的，压力损失非常小，易于实现低压运行，而静态水利旋流器内液体的告诉旋转是靠液体自身的压力提供，即运行时需要有足够的入口压力，因此其分离效率的获得是通过牺牲液体自身的压力损失来完成的，其压力损失相对较大。3.2.2 油水动态水力旋流器分离的基本原理利用两种混合在一起但不互溶液体间的密度差进行离心分离。液-液分离较固-液分离困难的多，一是由于液-液间的密度差往往较小，如水-油密度差一般在0.10.2之间，而固-液密度差常常较大；二是因为液-液间混合液均以液滴的形式存在，它非但无固定形状，且受力时极易变形，甚至会破裂。因此，油水分离时及要求液流形成强旋转涡流，有要防止野地液滴因受到大剪应力而破碎成更细小的液滴。油水分离过程见图1.电机通过V带驱动旋流器的转动见做高速旋转运动，油水混合液由离心泵或螺杆泵输送到样机入口处，液流受压力作用由入液口进入旋转栅，由旋转栅的流道及其尾部导向锥进入旋流腔。液流流经旋转栅，对来液起导流与预旋转加速作用。获得高速旋转的液流靠液流与转筒内壁间的摩擦力作用形成更大、更强的涡流速度场，即所谓的“旋流”。高速旋转的外壳可使液滴获得超过1000倍重力加速度的离心加速度，由于油水间有密度差，轻质分散相油被压向转筒中心，形成油核；重质连续相水向筒周壁运移，同时液流受轴向力作用沿同向运移到旋流腔另一端，此时油核的油由溢流嘴收进，经出油口排出，而筒周壁的水经出水口排出，最终实现油水的稳定分离。3.3 结构性能设计依据日处理量的不同，将动态水力旋流器设计成单旋转体形式或多旋转体组合形式。为使其有良好的分离性能与运行状态，设计时重点考虑单旋转体动态水力旋流器主要结构及参数与分离效果的关系。3.3.1 转筒内径D及长度L动态水力旋流器内分离液体流场旋转的强弱与转筒的内径大小有关。若转筒与液流同速回转时，转筒内径D大，则切向速度大，分离作用的离心力也大，利用油水分离。转筒长度L影响油水分离效果，L越大，油水在腔内的驻留时间越长，轻相介质油运移越充分。为满足分离的要求，旋转腔必须有足够的长度，以保证液体在腔内分离时间。通常液体在旋转腔内的分离时间应在310秒。D和L影响动态水力旋流器的处理量，处理量越大分离时间越长。设轻相介质达到充分运移的时间为t，则处理量Q为 动态水力旋流器转筒高速旋转时在旋流腔内形成使液体离心分离的涡流。因此, 转筒运行是否平稳极大地影响动态水力旋流器的分离性能。旋转平稳有利于形成稳定的油核, 便于它从排油口排出。若转筒各段同轴度精度不高,则高速旋转时会产生较大的偏心力, 并引起激烈的振动, 将严重影响油滴向转筒中心运移, 使油核发生较大的变形, 甚至无法产生油核。各支承座孔间的同轴度也会影响转筒旋转的平稳性和密封结构的密封性能。因此转筒需作静、动平衡测试, 才能保证其运转较为平稳。密封结构的合理设计既可保证密封性能、降低功率消耗, 又能提高设备使用周期。3.3.2 旋转栅结构及参数旋转栅的作用是使被分离液能在转筒内迅速形成稳定的旋转液涡。告诉旋转的叶栅对分离液的流动形成一定的阻力，造成一定压力损失，转速越高，压力损失越大。旋转栅叶片数越多，液涡的旋转强度越大，压力损失也随之增大。优化叶片数或采用曲线流道形式的旋转栅有利于减小压力损失，增强液涡的旋转强度。为此，经过合理计算分析，优选出螺旋流道结构的旋转栅。螺旋流道越多加工越困难，故而采用双螺道结构。此外，螺旋升角的控制非常重要，有利于形成涡流和液体从旋转栅中心孔导流入转筒，同时为液体提供必要的轴向分速度。若螺旋升角过大，则流体沿流道出口处的轴向分速度增大，流体在转筒内的驻留时间也越短，分离效果越差，不利于旋转栅出口压力的提高。旋转栅位于转筒入口处, 起导流与预旋转加速作用, 使分离液在旋流腔内迅速形成强涡流。以4 叶片旋转栅为例,叶片长度l ,中心轴直径d ,叶片厚度h ,流量Q ,液体流过旋转栅的时间t ,过流面积A ,见图3 。则计算式为：若取D = 50 mm, d = 30 mm, h = 5 mm,则算得A = 1 057mm2 。取流量Q = 3 m3/ h ,则V 轴= Q/ A = 789 mm/ s。设转筒转速n = 1500r /mi n , 若按液体在栅内旋转3周, 则算出t 为0. 12 s ,此时栅长L = V 轴t = 95 mm,这满足了液流旋转的设计要求。可见, 若栅长一定, 随流量增加时, 液滴经过旋转栅的时间减少。比较8 叶片与4 叶片的实验结果,发现相同操作条件及相同叶片厚度时,叶片数越多, 分离性能越差;设备运行时的振动及与地基共振等也会影响分离。旋转栅尾端设计成椭球形导流锥,使高转速的液流流动平稳过渡, 避免产生强紊流。当处理量一定时,旋转栅中心孔直径越小, 则液体进入旋转栅的流速、压力及流体局部阻力损失也就越大。为避免过大的入口速度波动造成局部的阻力损失,一般要求旋转栅中心孔面积应稍大于旋转栅各流道面积之和; 若旋转栅流道数越多, 液流过流面积就会减小,也导致液体流动平稳性较差, 压力损失及液滴的剪切破碎程度也会增加,将不利于分离。实验发现3 叶片栅分离效果好于4 叶片。叶片式旋转栅流道数一般取3 6 个,不应超过8 个。3.3.3 溢流口结构及参数溢流嘴位于转筒尾端(图1) ,其主要作用是把已经分离出来的油收集起来并经收油杆排出,水则从收油杆周围的环形腔排出。溢流嘴与可调式收油杆通过螺纹连接,固定不转。根据实验需要可随时更换溢流嘴或改变其位置的布置。安装时应保证转筒旋转方向与溢流嘴紧固方向一致,这样不会因液流旋转冲击而使其松动。溢流嘴结构形式及参数优选设计是从其内、外表面形状及参数入手进行的3 。首先建立收油结构的直圆管模型, 该结构模型简单, 其入口在流体力学中称为Borda 孔。假如溢流嘴横截面积为过流面积,那么嘴壁入口处的流速不可能无限大。此时入液口有两部分液流在此处发生分离, 形成入口的对称收缩现象。为了能够获得较好的预期分离效率, 收油内表面特采用漏斗形锥面, 获得的速度平面为扇形区域,这可缓解入口收缩现象。根据分析,当漏斗锥角为40时, 径缩现象基本消除, 流道畅通, 有利于减小尺寸。溢流口有效直径常取3 14 (mm) ,实际应用中最多不应超过12 mm,内锥面入口直径约取10 18 (mm) 。本样机溢流嘴内表面形状及参数见图6 。研究发现,其外表面同样有径缩现象,下面介绍解决的设计办法。溢流嘴外表面主要作用是把油水从分界面分开并引导液流平稳过渡,避免产生剧烈的旋涡, 以致破坏局部的流场稳定。研究此问题时,应考虑液流的分离现象。基于该思想, 优选设计得到溢流嘴内外表面结构形式,见图7 。此方案的外锥面设计在稳定局部涡流方面较为理想。实践表明, 其加工方便、经济合算,室内试验及现场应用效果很好。利用流体动力学知识,也可算出液流离开外锥面后形成的曲线方程。经过理论推导计算,得到它的流线方程为:对于 = 0 的流线, c = 0 ,则有: 由此可知, = 0 的流线是由x 轴与对称于x 轴的一条曲线构成。此曲线为外椭锥体壁面。在x = 0 处, y = 0 ;在x = d 处,y = b2 ;在x = + 处, y = b。该表面轮廓比较符合收油口处的流线形状。可见,溢流嘴设计成漏斗形内锥面和椭锥体外表面, 是为了减小液流分离时形成的入口对称收缩现象。排油口直径大小不仅与入液含油浓度有关,而且会直接影响处理后油中含水或水中含油的分离指标。选取合适的溢流嘴结构形式、确定溢流嘴伸入到转筒内的收油位置、使排油口直径与腔内油核直径大小相适应等问题很值得深入研究, 而这又常与操作参数的控制、来液含油浓度及装置的振动等有关。目前解决该问题的办法是除了合理选取结构形式外, 还需有效地控制操作参数, 保证排油区与排水区间有较高的压力降差值, 以便油相介质能够顺利排 3.3.4过渡锥及排出口动态水力旋流器按其出水端结构形式分为有过渡锥和无过渡锥两种. 对较大处理量通常D 也较大,考虑支承及密封结构的可能性和合理性,在出水端采用渐缩式的结构方式,此方式对收油处流场起一定的稳定作用,也可使溢流口的位置有一定的灵活性. 因此,为使腔内流场不因这种结构的变化而产生较大破坏,应在变径处放置过渡锥,且过渡锥角应尽可能小. 对处理量较小的旋流器,可不采用过渡锥,因为这种直通式结构有利于旋转腔内流场的稳定.3.3.5 转筒与支承座孔间同轴度转筒旋转的平稳性是影响动态水力旋流器分离效果的一个主要因素. 旋转平稳有利于在腔内形成一个稳定的、直径较小的油核,便于从排油口排出. 若各段的同轴度精度不高,高速旋转时将产生较大的偏心力,并产生激烈的振动,这将严重影响向转筒中心的运转精度,使油核直径变粗,甚至无法产生油核. 支承座孔之间的同轴度不仅影响转筒旋转的平稳性,也影响动态水力旋流器密封结构的密封性能. 因此,采用合理的密封结构,可保证密封性能,降低功率消耗,提高使用寿命.3.3.6 动力传动系统拟采用同步带或齿轮作动力传动系统, 以保证运动平稳、可靠。考虑到齿轮传动制造及运行成本高, 而目前国产同步带又难以满足长时期运行的要求, 故在样机中采用三角带传动。此传动虽有丢转现象, 但只要合理调整主、被动带轮尺寸, 完全可满足传动精度要求。此传动方式在运行中仍有较大的振动, 但改用同轴驱动则无明显的自振及共振现象, 此改进大大提高了样机的分离性能。动态水力旋流器属于动力设备, 运转过程中会遇到许多问题。通过试验分析总结出需解决的问题如下: (1) 改进结构以减小振动, 尽量避免在有效分离的转速范围内产生与地基共振的现象, 这需要改善传动结构、提高制造精度及改进底座形式, 合理选用材质。(2) 部分结构参数需要调整, 如溢流嘴的优化设计及其位置的合理布置, 优化旋转栅结构形式及参数等。(3) 改变入口、出口管线以减少压力损失, 合理控制溢流口压力并尽量降低溢流压力损失。3.3.7 单旋转体 单旋体由转筒、旋转栅、入液及出液支承轴段等组成。单旋体高速度旋转, 其轴向尺寸较大, 因而保证旋体各段内、外旋转表面的同轴度极为关键。由于单旋体各部分多用焊接结构, 因而制造难度大。首台样机制造时没能较好地解决这一加工工艺问题, 导致了设备不能正常运行。第二台样机制造时, 先计算出转筒结构参数, 再合理制定出单旋体制造工艺, 采取转筒加工内外表面互为基准、各件在机床上用顶尖顶起、组焊等措施, 减少加工中的变形,提高了制造精度。通过静、动平衡测试, 保证转筒高速旋转时所必需的回转精度, 减少设备自振。旋转栅叶片与导流锥、叶片轴(空心) 做成一体, 并将叶片与旋转栅定位盘通过两个十字矩形定位槽组焊起来, 再手工修理焊接边缝,此时导流对中性增强、过流充分、流动阻力降低, 使预旋转的旋流强度增加, 提高了样机的分离性能。3.3.8支承板根据结构需要, 动态水力旋流器采用两支承或三支承方式。两支承中各旋体支承轴孔系间同轴度及位置度要比三支承相对容易保证。支承的对中精度是动态水力旋流器制造与安装技术的关键之一。为此, 在镗床上两支承板一次装夹, 同一旋体支承孔一次加工, 以确保达到加工精度要求。同时将旋体支承安装在对中精度较好的机床式导轨上, 能满足对中精度要求。若用三支承方式, 尽管提高了安装及对中性调节的难度, 但通过采用与两支承相同的加工工艺, 作动、静平衡测试, 借助于磁力表安装, 能保证正常工作。增加一个支承会产生一定的内应力, 也会影响装置运行的稳定性及可靠性, 进而影响分离性能。3.3.9 装配设备性能常与零部件的制造及其装配精度密切相关。动态水力旋流器单旋体采用的机械密封要求与其配合轴段的径向跳动不得大于011mm。组合式动态水力旋流器有多根旋体,为三支承结构, 在装配时要保证各旋体同时达到此精度, 难度很大。为保证装配精度要求, 取了基准统一原则, 即以支承板孔系的加工基准为装配基准, 在支承板安装在底座之前先加工出相应的定位基准面, 从而可保证精度要求,同时安装也方便。拆卸维修后若需重新安装, 须按照一定的方法、步骤进行, 决不能随意操作,否则会大大影响机器的使用寿命, 同时也会影响装置的分离性能。3.4 动态水力旋流器的速度场3.4.1 切向速度场利用激光测速仪通过透明有机玻璃单旋转体测量动态水力旋流器的流态, 测出的切向速度分布如图2 所示。可以看出, 其最大切图2 动态水力旋流器切向速度分布向速度vmax在主直径方向半径Ro 的三分之一处。以vmax为界, 分为两个涡流区, 外部为自由涡, 内部为强制涡, 是一种组合涡的结构。这一点与静态旋流器相似2 ,3 , 但又有所不同。图3 是静态水力旋流器与动态水力旋流器切向速度场的比较。图3 切向速度场的比较从图3 可看出, 动态水力旋流器的最大切向速度峰值更高, 即涡流场的强度增强; 强制涡区域加大, rm rm ; 边界切向速度不为零。另外, 当沿轴向变化时, 切向速度分布基本不变, 如图4 所示。这说明外壳旋转改善了涡流场的强度分布, 没有出现切向速度衰减现象。3.4.2 轴向速度场动态水力旋流器的轴向速度分布如图5 所示。可以看出, 它与静态旋流器4 ,5 相比有如下特点:液体在器壁附近有一个高速的轴向速度区,而在器壁上存在一个轴向速度很小的薄边界层;在核心处也存在着一个高速的轴向速度区,但由于这种旋流器入液流与排出液流的方向一致,所以核心处液体的轴向速度与外壁附近液体的轴向速度方向一致;在二分之一半径附近存在一个很低的轴向速度区, 类似一般静态水力旋流器的零轴向速度轨迹面(LZVV) 。从图上还可看出, 与静态水力旋流器相比, 核心处在半径相对较大的范围内有较高的轴向速度,使核心处的液体较为迅速地沿轴向运动。从以上的分析可以看出, 动态水力旋流器的分离效率显然比静态水力旋流器的高。3.5 影响动态水力旋流器分离特性的因素3.5.1 内在因素的影响限定水力旋流器的存留时间时, 斯托克定律数学表达式为：式中：v 分离速度Qw 水密度Qo 油密度L水溶液粘度d 油滴粒径g 重力加速度上式说明油滴在水中的分离速率主要取决于油水间密度差、油滴粒径值及水溶液粘度。温度可以间接影响分离, 因为它可改变水溶液粘度。随温度增加, 水溶液粘度降低, 会适当提高旋流器分离性能; 温度对油水密度差值影响较小。若其它参数不变, 增加油水间密度差、油滴粒径值及降低溶液粘度值中的任何一个, 则有利于分离。实际测试时, 要改变这些内在因素有较大的困难。试验表明, 处理液性质的变化常会引起分离效率发生相应改变。3.5.2外在条件的影响为了与现场实际应用更好地结合, 试验所采用的工作介质是与现场原油2水的密度差相近的90# 机油2水混合液, 其密度为0185gmL ,且不含聚合物, 室温条件。（1）泵增压方式的影响离心泵有高剪切作用, 会造成油滴乳化程度加大, 分离难度增加。在相同操作条件下用低剪切泵(如单螺杆泵、转子泵等) 增压比用离心泵增压分离效率高。利用离心泵增压可将含油浓度从1500m gL 左右处理到400m gL 左右, 分离效率达75% 左右; 单螺杆泵增压可将含油浓度从1500m gL 左右处理到30m gL ,甚至更小, 分