（机械电子工程专业论文）离心旋流式高效油气分离器的研制及其仿真研究.pdf

离心旋流式高效油气分离器的研制及其仿真研究 孙浩玉 机械电子工程 指导老师 李增亮教授 摘要 油气分离器是潜油电泵机组的重要组成部分 鉴于当前潜油电泵 机组的油气分离器的分离效果不理想 研制了离心旋流式高效油气分 离器以解决高含气井电泵不能正常生产的难题 该油气分离器为两级 串联结构 水力旋流器为其前级 进行了优化和改造的离心旋转式分 离器作为其后级 对水力旋流器的分离机理进行了研究 详细的讨论 了空气柱与流场结构的定性关系 通过对其内流速度场的分析 推导 出了简化的气泡分离数学模型和理论分离效率的计算公式 对旋流分 离单元内的气液两相流动进行了数值模拟 流场仿真结果与理论分析 及己知的旋流器流场分布规律相一致 对旋流分离单元的主要结构及 操作参数对分离效率的影响进行了数值模拟 进而对其结构尺寸进行 了优化 以满足进行井下油气分离的要求 通过对前后两级的结构优 化设计 考虑油气分离器的工况 制造出了符合防腐 防垢 耐温和 耐磨等工艺要求的分离器样机 进行了整机的室内模拟试验 试验结 果表明分离效果较好 可将目前在用的油气分离器的分离能力由最大 可分离入口含气率的3 6 左右 提高到5 5 左右 关键词 油气分离 旋流器 研制 仿真 试验 d e v e l o p m e n t a n ds i m u l a t i o no nh i g he f f i c i e n c y c e n t r i f u g a lc y c l o n eo i l g a ss e p a r a t o r s u n h a o y u m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz e n g l i a n g a b s t r a c t a sa n i m p o r t a n tm e m b e ro f t h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p i n gu n i t o i l g a ss e p a r a t o ri st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n g t h el i f e t i m eo f t h ep u m p f o r c u r r e n ts e p a r a t o r s d i s a d v a n t a g e s h i g he f f i c i e n c yc e n t r i f u g a lc y c l o n e o i l g a ss e p a r a t o ri sd e v e l o p e df u rh i g hg o r w e l l s t h en e wo i l g a s s e p a r a t o r i sat w o s t a g et a n d e ms e p a r a t o r w h i c hi sc o m p o s e do f h y d r o c y c l o n ea n dc e n t r i f u g a lr e v o l v i n gs e p a r a t o rt h a th a s b e e no p t i m i z e d c y c l o n ei st h ef i r s ts t a g e a n do p t i m i z e dr e v o l v i n gs e p a r a t o r i st h es e c o n d o n e s e p a r a t i n gm e c h a n i s m o n c y c l o n ea n d t h eq u a l i t a t i v er e l a t i o n b e t w e e n g a s s yp o l ea n dc y c l o n ec o n f i g u r a t i o na r ea n a l y z e d m a t h e m a t i c a l m o d e l sa n de f f i c i e n c ye x p r e s s i o n so ng a sb u b b l e ss e p a r a t i o na r e a c h i e v e d t h em a i np a r a m e t e r so fw o r ka n ds t r u c t u r eo nc y c l o n ea r e s i m u l a t e dt oo p t i m i z ed e s i g na n dm a k ei t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es e p a r a t o rc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fh i g hg o rw e l l s w h e r e a s r e q u e s to f f i e l d w o r k ap r e i n d u s t r i a lp r o t o t y p ew h i c hs a t i s f y t h e n e e d so f a n t i c o r r u p t i n g a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n da g a i n s th i g ht e m p e r a t u r e i sm a n u f a c t u r e dt oc o n f o r mi t ss e p a r a t i n gp e r f o r m a n c e t h ep r o t o t y p et e s t v e r i f i e st h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h en e ws e p a r a t o r a n dt h et e s td a t a s h o w st h a tt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h en e ws e p a r a t o rc a l lr e a c h5 5 p e r c e n t k e yw o r d s o i l g a ss e p a r a t i o n h y d r o c y c l o n e d e v e l o p m e n t s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 签名 垫 量壁 口扩参年莎月歹f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留送交论文的复印件及电子版 允许论文被查阅和借阅 学 校可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存论文 保密论文在解密后应遵守此规定 学生签名 勿 i 圭丝夕秽 年莎月 j 日 导师签名 兰蔓生篷堑 z 年歹月 1 日 中国石油大学 华东 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 引言 油田产出液中 除原油以外 往往会含有天然气 水 泥沙等物 其中的游离气会使泵的工作性能降低 严重时会造成泵的排量中断 气体越早分离 越有利于节约生产成本 提高采收效率 根据各油田 地面油气比数据的分析 随着油田的深入开发 尤其是注水滞后单元 和高油气比区块 地层能量降低 油层脱气 高含气井将不断增多 已成为制约油田开发生产的难题 从实际生产情况和现场试验来看 当含有大量游离气的井液进入 潜油电泵机组时 游离气会对潜油电泵机组的性能产生很大影响 当 游离气的含量大于离心泵的设计允许值时 会造成离心泵工作性能不 稳定 排量 扬程和效率显著下降 轴功率显著增大 地面所记录的 电流波动增大 机组出现严重欠载现象 一旦出现此种现象 往往很 快会使离心泵流道的大部分空间被气体占据而产生气锁现象 最终使 离心泵停止排液 为了消除井液中游离气对潜油电泵机组性能的影响 提高潜油电 泵机组在高含气油井中的使用性能 可在泵的入口处安装油气分离 器 尽量多地排除游离气 降低进入泵内的气量 从而提高潜油电泵 机组系统的工作寿命和可靠性 实践证明 在离心泵第一级叶轮前装 设油气分离器后 可大幅度地提高潜油电泵机组的性能指标 使潜油 电泵机组在较佳状态下运转 油气分离器作为潜油电泵机组的四大部件之一 位于保护器和多 级离心泵之间 油气分离器有两个基本作用 一是作为多级离心泵的 吸入口 二是在气液混合物进入离心泵之前 先进行气 液两相分离 中国石油大学 华东 硕士论文 第1 章前言 被分离出的气体进入油 套管环形空间 液体和未被分理出的少量气 体则进入离心泵内 这样就可以避免气蚀的产生 减少气体对泵工作 性能的影响 电港泵机组示意图如图1 1 所示n 1 1 井口 2 接线盒 3 控制屏 4 变压器 5 油管f6 泄油阀 7 单沉阀 8 多级离心泵 9 气体分离器 泵吸入口 l o 保护器 l i 潜油电机 1 2 扶芷器 1 3 电缆 1 4 电缆卡子 1 5 电缆护罩 l6 电缆头 图1 1 潜油电泵机组示意图 目前油田主要采用的井下油气分离器对于改善离心泵的吸入性 能 提高油气产量曾起到过积极的作用 但随着油田开发生产的强化 在地层油气比较高或不断增大的情况下 己不能满足较高油气比油井 的生产需要 容易造成离心泵气锁等现象的发生 使泵的特性曲线变 坏 排量降低 影响泵的寿命 甚至欠载停机 过早躺井 2 中国石油大学 华东 硕士论文第1 章前言 1 2 潜油电泵机组油气分离器研究现状 潜油电泵机组使用的油气分离器主要有沉降式和旋转式两大类 3 5 1 沉降式分离器 主要有风包型和回流型两种 结构形式分别如图 1 2 图1 3 所示 4 风包型油气分离器的油气混合物由分离壳体上的孔道转1 3 5 0 进 入分离腔时 因腔体有一定容积 混合物要在腔体内稍加停留 在重 力分离作用下 轻的气体上浮 从分离腔上部的孔道进入油套环形空 间 重的液体下沉被吸入泵内 图1 2 风包型沉降式油气分离器图l 3 回流型沉降式油气分离器 回流型油气分离器靠油气速度差异进行油气分离 在其下部装一 倒置叶轮 进液孔在叶轮上部 进入的液体由这个倒置的叶轮往下抽 在高速旋转叶轮的作用下进入分离腔 密度大的油水混合液体被甩向 分离腔外缘 并向上流进第一级叶轮 密度小的气体 聚集在分离腔 中心 沿轴向上浮动 通过放气管迸入油套环形空间 从而达到油气 3 中国石油大学 华东 硕士论文第i 章前言 分离 沉降式分离器结构比较简单 成本较低 缺点是分离器的有效行 程 大约0 4 米左右 小 并且主要依靠流体重力来实现油气分离 分离效率低 沉降式分离器只能分离占油 气 水三相总体积1 0 的 游离气 并且分离效率最高只能达到3 7 如果泵吸入口含气率超过 1 0 分离器的分离效率将会大大变差 而使泵的工作特性受到严重 影响 图l 4 离心旋转式分离器示意图 图i 5q y f l 0 1 x 涡流旋转式分离器 目前常用的旋转式油气分离器有离心式和涡流式两种 分离效果 均比沉降式油气分离器好 典型的离心旋转式分离器见图i 4 它是 利用螺旋状的诱导轮为气液混合物提供一定的压头和轴向速度 利用 紧靠其上部的径向分离叶轮 使气液混合物在径向上产生离心力 从 而使密度低的气体在近轴区 密度高的液体被甩向边缘近壁区 实现 气液分离的目的 4 中国石油大学 华东 硕士论文第1 章前言 涡流旋转式 又称漩涡流式 分离器 1 0 1 系列的q y f l 0 1 x 旋 转式分离器 如图1 5 所示 它是利用轴流叶轮和涡轮产生的涡流运 动来使气液两相分离的 与离心旋转式分离器不同的是 油气混合物 由下接头入口进入分离器后 首先被螺旋状的诱导轮举升到轴流式叶 轮中产生一定的压力和动能 而后 导壳将受压气液混合物的径向流 动变为轴向流动 并引入分离腔底部高速旋转的涡轮中 产生较强的 漩涡流 由于离心力的差异 混合物中密度大的液体被摔到分离腔圆 周外缘 进入分流壳流道 供泵抽吸 混合物中密度较小的气体及气 液乳化物聚集在转子中心部位 沿轴流到分流壳 从上接头上的排气 孔进入油套环形空间 从而完成气液分离 漩涡流在分离腔中沿轴向 向上强度是逐渐减弱的 它与离心旋转式分离器相比分离能力稍逊 上述两种旋转式分离器是主动式分离器 相对于被动式分离器一 沉降式分离器其优缺点都十分明显 其优点是可分离泵入口处3 0 左 右的含气率 且分离效率较高 可达9 0 左右 其缺点是当井液中含 砂时 砂粒会被甩向壳体的内表面 并作高速旋转 使壳体内壁受到 磨损 严重时可将壳体磨穿而断裂 使电潜泵机组掉入井内 因此 旋转式分离器只适用于含砂量小或不含砂的油井 1 3 课题的来源及目的意义 埕岛油田有潜油电泵并1 7 0 多口 占总井数的7 5 是海上油井 生产的主要方式 其潜油电泵井采用的油气分离器多为涡流旋转式分 离器 3 5 1 其对含气率 气体与三相总体积的百分比 的适应范围为 早期应用型 一级 0 3 0 其结构如图1 6 所示 现改迸在用 型 两级 双级串联式 0 3 6 左右 其结构如图l 7 所示f 4 2 1 已 难以满足海上高油气比油井生产的需要 针对埕岛油田海上生产实际需要和现有油气分离器的缺点 为改 5 中国石油大学 华东 硕士论文第1 章前言 进高含气井电潜泵机组的使用与效率问题 开展井下高效油气分离技 术研究 探索新的工作生产方式 对提高潜油电泵机组的适用性 延 长油井免修期 提高特殊油气单元的开发效益已成为必然 从而 尽 可能地解决高含气井电潜泵机组不能正常生产的难题 本课题就是在 这样的背景条件下提出的 图l 石单级旋转式分离器 图1 7 双级串联旋转式分离器 近几年国内外对井下水力旋流油气分离器进行了先导性研究 3 7 3 9 研究表明 使用旋流分离技术进行并下气液分离是可行的 合 理的几何设计与参数优化可获得比旋转式分离器更佳的分离效果 并 具有适于处理大体积流量的特点 同时 结构简单 易损元件少 易 于实现 本课题开发研制的离心旋流式高效油气分离器为两级串联结构 旋流分离单元为其前级 进行了优化和改造的离心旋转式分离器作为 后级 两级通过标准的电泵法兰连接方式对接 在井下机组的位置顺 序为前级位于后级的下方 整机的气液混合物吸入口也就是前级旋流 分离单元的入口 前级的旋流分离单元主要由特制的旋流器锥体 吸入口总成 下 6 中国石油大学 华东 项士论文第1 章前言 接头总成和外壳等组成 其主要作用是通过离心力和重力的双重作用 实现气液两相的预分离 后级的离心分离单元采用改进的离心旋转式分离器 主要由螺旋 轴流式推进器 径向破碎器 特殊流道和密封总成等组成 作用是迸 一步实现气液两相的精分离 通过上述两级分离 从而达到本课题的研究目标 即相同介质和 泵吸入口压力条件下 实现泵机组对含气率的适应范围0 5 5 的要 求 同时 经过优化设计 防腐和防磨材料的选用 使新研制的油气 分离器不仅具有较强的分离能力 同时具有较强的防腐性能和在高含 砂油井中寿命长的特点 1 4 本文的主要研究内容 在对水力旋流器进行分离机理研究的基础上 对研究的介质对象 进行数值模拟研究 得出结构参数 操作参数等与分离效率之间的关 系曲线 确立出旋流分离单元的结构设计方案 通过对前后两级的结 构优化设计 设计并加工一套符合防腐 防垢 耐温和耐磨等工艺要 求的分离器样机 进行室内整机模拟实验 验证前期机理研究 数值 模拟和优化设计的合理性 为进一步完善设计和现场下井试验提供技 术支持 主要研究内容如下 1 水力旋流器分离机理研究 在分析总结前人对水力旋流器分离理论的基础上 详细的讨论了 空气柱与流场结构的定性关系 通过对其内流速度场的分析 推导出 简化的气泡分离数学模型和理论分离效率的计算公式 为下一步旋流 分离单元的数值模拟研究和结构优化设计奠定基础 2 旋流分离单元的仿真研究 7 中国石油大学 华东 硕士论文第1 章前言 针对并下气液分离水力旋流器的工作特点 选取合适的湍流模型 和多相流模型 对旋流分离单元内的气液两相流动进行数值模拟 通 过对模拟结果的分析 得出旋流分离单元的结构参数 操作参数等对 流场结构及分离性能的影响规律 为旋流分离单元的结构优化设计提 供依据 3 分离器整机结构优化设计和样机加工 在对旋流器进行分离机理研究和数值模拟的基础上 根据现场工 艺技术要求 优化设计出前级旋流分离单元的结构装配图 在借鉴现 有离心旋转式油气分离器结构的基础上 对其结构进行优化和改造 给出优化后的离心分离单元结构装配图 样机加工时 考虑井下油气 分离的工况 所加工的各零部件在满足强度要求的条件下 必须满足 防腐 防垢 耐温和耐磨等技术要求 4 室内整机模拟试验 为了充分掌握新研制的油气分离器的分离性能 分离效率 验 证理论研究 数值模拟和结构优化设计的可行性 进行室内整机的模 拟试验研究 为进一步完善设计和现场下井试验提供技术支持 8 中国石油大学 华东 硕士论文第2 章水力旋流器分离机理研究 第2 章水力旋流器分离机理研究 2 1 水力旋流器简述 水力旋流器是一种用途非常广泛的分离 分级 分选设备 具有 结构简单 成本低廉 体积小 处理能力大 分离粒径小的特点 2 其历史可追溯到1 8 9 1 年 典型的常规水力旋流器结构如图2 i 所示 盯 矿剐 j 么 图2 一l 典型的常规水力旋流器结构示意图 按照b r a d l e y l a 的定x 水力旋流器是一种 俐用流体压力产生旋 转运动的装置 这一定义也许不够全面 但确实揭示了水力旋流器 的工作原理的本质特征 若流体以静压力p o 初速度v 0 沿切向进入 旋流器 且为分析简便起见不计压头损失 则在入口处与螺旋形流线 上的另一点列出的伯努利方程为 旦p 竖2 寺堡2p 2 1 式中 p 为流体密度 k g m 3 p 为流体在流线上某一点的压力 p a 9 中国石油大学 华东 硕士论文第2 章水力旋流器分离机理研究 矿为流体在流线上某一点的速度 m l s 按照通常的研究方法 在柱坐标系内 水力旋流器内的流体速度 矿可分解为径向速度甜 切向速度 和轴向速度 v 2 2 2 沿切向输入的流体在不计损失的情况下 其旋转动量矩将保持不变 即 u a r 常数 2 3 可见 随回转半径 的减小 切向速度增大 而在进口处 u o r r 为旋流器简体半径 这样 在式 2 1 中 必有v u o 从而p 2 0 0 删 水力旋流器内的流体阻力随着锥角的增大而变大 在同一进口压 力下由于流体阻力增大 其生产能力要减小 大锥角的水力旋流器中 流体的切向速度比小锥角的要高一些 但由于颗粒的停留时间较短 所以其分离粒度随锥角的增大而增大 总分离效率降低 而底流中混 入的细颗粒较少 实践证明 一般用于分级或脱泥的水力旋流器的最 佳锥角接近于2 0 0 亦即在这种条件下一般采用标准型水力旋流器 当用于浓缩 澄清和细粒分级时 多采用长锥形水力旋流器 甚至采 用锥角为5 0 以下的水力旋流器 2 1 一般情况下 水力旋流器的锥段为直锥 而且锥段器壁的内表面 为光滑状 即为连续性无奇异点的内表面 研究结果表明 采用普通 型光滑直锥时水力旋流器分离粒度最小 随着光滑内壁型锥段体积的 增大 水力旋流器分离修正总效率呈线性提高 而旋流器分流比则呈 线性下降 1 6 1 4 底流管结构 3 0 中国石油大学 华东 硕士论文第2 章水力旋流器分离机理研究 在设计水力旋流器时 当溢流管直径确定后 则底流口直径的变 化直接决定分流比的变化 分流比对水力旋流器几乎所有的工艺指标 均有极大影响 一般情况下 在设计底流口的大小时可按 0 0 7 o 1 0 d 来确 定 也可以先确定好溢流管内径 然后按分流比的范围计算得到 分 流比一般在0 1 5 l 范围内变化 水力旋流器的底流管一般为直圆管 而且一般均与大气直接相通 底流产品通常情况下直接排出 通过研 究发现 采用传统的直圆管结构时水力旋流器分离精度最高 5 柱段结构 正 奄 拦 l 斟 旋滋器直径 r a m 图2 9 水力旋流器直径对其生产能力和分离粒度的影响 水力旋流器柱段直径也称为水力旋流器的公称直径 主要影响生 产能力和分离粒度的大小 一般来说 生产能力和分离粒度随着水力 旋流器直径的增大而增大 水力旋流器的生产能力和分离粒度同直径 的关系见图2 9 由图可见 水力旋流器的直径对生产能力和分离粒 度的影响常与工程实践中人们的愿望相矛盾 因为若同时满足较小分 3 1 中国石油大学 华东 硕士论文第2 章水力旋流器分离机理研究 离粒径和较高的分离效率以及较大的生产能力要求 对水力旋流器直 径的选择要统筹考虑 4 6 l 通常人们把上部圆柱形空问视为预分离区域 而把下部圆锥形空 间视为主分离区域 即认为真正的分离过程是在下部圆锥形空间内完 成的 通过对水力旋流器内固相颗粒运动规律的研究结果表明 固相 颗粒在圆筒段内也有分离行为 即固相颗粒在上部圆柱形空间和下部 圆锥形空间内均有分离行为 1 8 而不仅仅是在下部圆锥形空间内才 有 3 2 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 3 1 旋流分离单元流场数值模拟模型 水力旋流器的数值模拟法是随着计算机技术的飞速发展而发展 起来的 是将湍流模式理论用于水力旋流器内两相湍流运动的数值模 拟 数值模拟法具有精度较高 成本低 信息完整 仿真模拟流动能 力强等优点 因此本文在旋流分离单元的研究过程中采用该方法作为 研究手段 水力旋流器内的流体做非常复杂的湍流流动 可选用的湍流模型 比较多 但各个模型都有其局限性 因此湍流模型的选择尤为关键 4 3 1 不同的模型在模拟精度 计算量 合理性上有各自的特点 选择的一 般原则是 精度高 应用简单 节约计算时间 在水力旋流器流场的数值模拟中 常用的湍流模型有标准k 一占 模型 r n g k 一占模型和雷诺应力模型 以往的研究结果表明 用于 有明显各向异性特征的水力旋流器的流场模拟 雷诺应力模型最优 3 1 1 湍流模型 由于雷诺应力模型比其它模型更加严格的考虑了流线型弯曲 漩 涡 旋转和张力快速变化 它对于复杂流动有更高精度预测的潜力 所以要考虑雷诺压力的各向异性时 必须用r s m 模型 故在本课题的 研究中就采用了r s m 模型 1 9 2 8 将描述旋流器内流体运动的连续性方程和n a v i e r s t o k e s 方程进行 时均化处理以后 可以得到r e y n o l d s 时均方程组 连续性方程 望 旦业 o 国a z 3 1 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 丝 型 一一6pat i g x ja x 号愕 刳一p 吲 叙 i l 知f 知ij i 型3i 3 x t a 刳 雷诺应力模型直接从各向异性的前提出发 求解r e y i l o l d s 输运方 程 从而得到雷诺应力的各种有关分量 r c o i d s 输运方程为 昙 雨 寿 p u u u d e 弓吗一毛 3 3 式中 左端两项分别为应力的时间变化律和对流项 右端4 项的具体 表达式依次如下 应力扩散项为 岛麦 丽 厕矗 吨一 仨硎 剪应力产生项为 昂一俐 婺 c 3 u 应力 应变项为 卟p l 誊 甜 湍能耗散项为 勺 2i 象 o 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 d f 一e p 喜瓣杀畸 u 02 儿口l l l 口2 n 圹一q p 軎 瓣一j 26 七 旷一c 2 岛一詈磊g 口2 专6 q p 此外还有 g l 2 p 瓣粤 取 七 委而 其中 后为湍动能 q 为湍动能产生率 毛为c r o n e c k e r 符号 占为 湍锯耗暂壅 苴佰南以下输i 云方耜确帘 掣 毒 e 喜砑刳 如 1g 咆占 有关模型常数见表3 i 由此构成了r s m 模型的封闭方程组 表3 1r s m 模型有关常数 3 1 2 多相流模型 代数滑移混合模型是一种简化的两相流动模型 可以考虑两相间 的速度不同而引起的滑移 通过求解混合相的连续性方程 动量方程 3 5 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 第二相的体积分数方程和相对速度代数方程来实现 特别适用于在重 力 离心力或其他体积力作用下颗粒 气泡或液滴的分离计算阱3 0 1 由于气液分离旋流器主要依靠离心力来促使气液分离 因此采用该模 型 混合的连续性方程 昙 小杀 m 沪 混合的动量方程 3 4 昙c 几 毒c 以 以 一考 毒 等 割 c 十言 静 帕 3 5 气相体积分数方程 扣脚 毒 卜苦咖 f 3 6 滑移速度和漂移速度 滑移速度指分散相气相 p 与液相国 的速度差 即 厅p 一厅 可由下式求解 筹历 3 7 式中 a 为气泡的离心加速度 m l s 2 d p 为气泡直径 肌 漂移速度与滑移速度的关系为 一 窆c q p 非 3 8 t l i m 3 6 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 式中 为相数 p m 为混合密度 p m t r k p k k g m 3 t m 为混 t t l 合粘度 吼以 砌 j 霸为质量平均速度 k l 巩 l p k u ki 肛 m s 为漂移速度 u k 一霸 m s k l 3 1 3 数值求解方法 偏微分方程的离散化方法通常有以下几种 有限元法 有限差分 法和有限体积法 根据水力旋流器内流体流动基本方程的特点 有限 体积法是较为合适的求解方法 对于流场离散方程 代数方程组 的求解 2 9 1 最为经典的算法是 p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的压力耦合方程组的半隐式方法 s i m p l e 算法 其基本思想是 对于给定的压力场 求解离散形 式的动量方程 得出速度场 因为给定压力场是不精确的 这样得到 的速度场一般不满足连续性方程 须对给定的压力场加以修正 故将 由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续性方程 的离散形式 从而得到压力修正方程 再求出压力修正值 接着根据 修正后的压力场 求得新的速度场 然后检查速度场是否收敛 若不 收敛 用修正后的压力值作为给定的压力场 开始下一层的计算 如 此反复 直到获得收敛解 本文就采用了s i m p l e 算法对模型进行求 解 3 2 旋流分离单元模型网格划分和边界条件处理 3 2 1 旋流分离单元流场简化及网格划分 1 旋流分离单元流场简化 3 7 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 旋流分离单元的最主要的组成部分是旋流锥腔室 气液混合物以 一定的速度切向进入旋流锥腔室内 切向速度使气相与液相因密度差 产生不同的离心力 促使气泡与液相之间摆脱粘着力 斯脱克斯力 的束缚 气相形成内旋流 在沿径向向轴心移动的同时向上经溢流口 排出到油 套管环形空问中去 而液相形成外旋流沿径向向旋流器壁 运动 同时在重力的作用下 沿旋流器壁向下作螺旋移动 并经底流 口和特殊三交叉流道进入后级分离器 旋流锥腔室的三维模型示意图 见图3 1 图3 i 旋流锥腔室的三维模型示意图 各部分具体参数 直径d 6 8 m m 入口直径d 2 0 m m 底流口 直径d d 3 2 m m 入口角度0 0 溢流口直径d 1 0 m m 分离器总长 度l 5 7 0 m m 溢流管长度l 1 5 m m 尾管长度l d 6 5 m m 柱段长度 l 1 0 0 m m 要用三维模型来进行水力旋流器的流场模拟 由于要划分 的网格较多 计算量大 对计算机的要求很高 而旋流器内部的流动 可被认为是均匀对称的 所以本文采用二维的旋流器简化模型进行模 拟 4 4 1 简化的二维模型示意图见图3 2 3 8 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 i 溢流口 2 入口 3 锥段 4 尾管 5 底流口 6 轴线 图3 2 二维模型示意图 两维计算对入口进行了简化处理 假定流体是从基圆圆周各处切 向均匀进入旋流器的 即将入口边界修正为一个3 6 0 的入口环 取代 一个切向入口管 使计算得以简化 提高数值模拟的效率 2 结构化网格划分 3 3 在进行数值模拟计算时 先要进行网格划分 以四边形结构化网 格为最优 因近轴区 入口区和近壁区的速度梯度较大 相应采用了 较密的网格 其它区域则采用较疏的四边形结构化网格 图3 3 及图 3 4 给出了旋流器入口和锥段的网格划分结果 本文中所作数值模拟 的模型网格划分数日都在4 0 万以上 图3 3 入口处的网格划分结果 3 9 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 1 虱3 4 锥段的网格划分结果 3 2 2 旋流分离单元边界条件处理 1 入口边界条件 5 将模型由三维简化成两维坐标系统来描述后 变化最大的就是入 口边界 因为旋流器内部的流动可被认为呈二维椭圆型湍流流动 而 入口的三维几何边界被简化为二维的基圆圆周入口 即认为流体从基 圆圆周各处切向均匀进料 为了减小入1 2 1 条件对水力旋流器内流场的 影响 必须对入口速度的三个分量进行处理 假定旋流器入口处的轴 向 径向和切向速度分别为 和w 表示 则入口条件为 驴墨s i n 口 3 8 矗 c 器c o s 口 o k o 0 0 6 k 吒 以 3 1 1 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 岛 丝 3 1 2 5 首 1 纠 式中 c o 0 9 茁 1 4 2 q 为处理量 肼3i s b d 分别为入 口和旋流器直径 埘 口为入口流道与横截面夹角 这样既保证了从环缝入口进入旋流器的流量与从三维模型切向 入口进入旋流器的流量一致 也保证了旋流器的初始旋转特性与三维 模型相一致 即定义的二维模型的切向速度和轴向速度与三维模型的 切向速度和轴向速度相同 2 出1 3 边界条件 底流口与溢流口边界均按压力出口处理 回流浓度按实际情况确 定 3 壁面条件 壁面按无滑移处理为 妒 0 伊 玑v w k s 4 对称轴条件 旋流器中心轴线按轴对称处理为 v o 挈 0 伊 u t p 七 占 3 3 旋流分离单元流场仿真结果分析 旋流分离器用于井下气液分离 是一次新的尝试 从目前的仿真 及试验的情况来看 取得了较好的效果 然而其结构是否合理 其分 离性能是否达到了最优 旋流器内部的流动规律的变化情况以及各部 分几何参数对分离效果的影响还需要进行进一步的研究 数值计算能 很好的模拟出旋流器内部流场的情况 而且相对于实验来说信息全面 3 0 通过对流场的数值模拟 对采用的气液分离旋流器进行了系统的 分析 对结构尺寸变化对分离器分离效率的影响进行了系统的分析 为进一步改进结构 提高分离效率提供依据 4 l 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 图3 5 流场压力等值线图 对井下气液分离旋流器流场模拟的重点是对其压力场和速度场 的分析 因为它们能直接或问接的反映出水力旋流器的两个重要指标 压力损失和分离性能 从模拟所得的流场压力等值线图3 5 可以 看到压力等值线基本上是沿轴向分布的 这与理论分析及已知的旋流 器流场分布规律相一致 入口压力和出口压力之差即为压力损失 图3 6 轴向速度的速度矢量图 图3 7 局部放大的轴向速度矢量图 在水力旋流器的三个速度分量中 轴向速度对于分析气液分离旋 流器的性能至关重要 图3 7 是气液分离旋流器内的轴向速度的局部 放大的速度矢量图 箭头方向表示轴向速度的方向 其中轴向速度为 零的点若连成面则称为l z v v 即零轴向速度包络面 这个面是评价 分离器性能很重要的一个指标 它内部的流体由溢流口排出 进入油 室璺互迪查堂 些奎 堡主丝奎 墨苎墨兰狸塑墅墼篓坌塑祭 煮箩髻蓍 蒜雾黧銎塞嚣入l z 嘉v 霾芸雯0 娄基 心泵 从图中可以看到 含气率较高时 很罪珏地纬 锵黧军絮黧善慧嚣 槲删 新示 为了便予分析某个截面处的压力或速度分布情况 州图p 6 圳小 在水力旋流器的不同位置取相应的横截面 图3 9 图3 l o 图3 l l 和 图3 1 2 分别为图3 8 所示的剖面2 处的压力分布曲线 切向速度分布曲 线 径向速度分布曲线和轴向速度分布曲线 数值模拟结果表明 旋流分离器经过优化设计可以进行井下气液 分离 具体的仿真算例见3 4 节 图3 8 截面位置示意图 径尚g 匮 蜩 图3 9 剖面2 处的压力分布曲线 4 3 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 a m t e e o 1 0 0 0 0 e 銎 0 0 1 50 0 4嗍黼t l 1 5m口觞 b i l l 径舟泣鼍口m 图3 一1 0 剖面2 处的切向速度分布曲线 o4 舯io 射0 8 1 5o u m li t o a o 0 3o 瑚i o l h t 径阿发量 图3 一i i 剖面2 处的径向速度分布曲线 m 措 甜 m 撖 嫩 懒 峨 臂 v辩筮霆翠 棚 斟 韶 叫 讲 脯 蝻 伽 船 船 一 一 一 一 甜艘霰嘲 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 at 朋 0 f i ta 椰t 瓣 o t 1 5嘲n 惭嘣 径商在t 口 图3 1 2 剖面2 处的轴向速度分布曲线 3 3 1 入口角度对流场结构的影响 入口角度是指混合物入口的绝对速度方向与旋流器横截面的夹 角 它主要影响入口速度的切向和轴向分量 进而影响混合物在旋流 器内的停留时间和流场结构 最终的影响反映在分离效率上 冰 v 糌 较 钲 隶 4 05 06 0 混合液体积含气率 图3 1 3 入口角度与分离效率的关系曲线 0 5 2 7 在计算入口角度的影响时 保持旋流器的入口流量不变 计算中 4 5 焉 岔it8姑嬲赶霉 0 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 分别对入口角度为0 0 5 2 7 三种情况进行了模拟计算 其他结 构参数都保持一致 模拟得出的旋流器分离效率 编 曲线如图3 1 3 所示 由图3 1 3 中可以看出 在其它条件相同的情况下 入口角越小 旋流器的分离效率越高 也就是说 当气液混合物的绝对速度方向沿 旋流器入口的切线方向进入时 即0 0 时 旋流器的分离效率最高 原因是入口角较小可增加混合物在旋流器中的停留时问 有利于气液 两相的分离 因此 在结构设计时建议取0 0 3 3 2 溢流管直径对流场结构的影响 溢流管直径是影响水力旋流器性能的一个重要尺寸 它的变化会 影响到水力旋流器所有的工艺指标 溢流管直径的选择要考虑各方面 的因素 其中最重要的是分离效率和压力损失 1 2 0 1 0 0 8 0 毒6 0 藿4 0 隶2 0 0 3 04 05 0 混合液体积含气率 图3 1 4 溢流管直径与分离效率的关系曲线 6 m m 1 2 m m 1 8 m m 2 4 m m 6 0 压力损失增大会引起泵效下降 沉没度增加等一系列的问题 所 以在设计时应尽量减小压力损失 在相同处理量条件下 溢流管直径 越小 压力损失越大 而溢流管直径过大则会使短路流增加造成流场 紊乱 分离效率下降等问题 对溢流口直径分别为6 1 2 1 8 2 4 埘m a 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 四种情况进行了模拟 其他结构参数不变 处理量l o o m j d 所得分 离效率曲线如图3 1 4 所示 从中可见 在其它条件一定的情况下 溢流管直径过大或过小都 会使分离效率降低 因此在选择溢流口直径时 要由泵的实际处理量 以及混合液的含气率综合来确定 在模拟条件下 溢流口直径为1 2 r a m 时分离效率最高 3 3 3 旋流器的结构体对流场结构的影响 用于气液分离的旋流器主要有管柱式和柱锥式两种结构形式 仿 真过程中分别对这两种结构的模型进行了模拟研究 为了便于两者对 比 在模拟过程中除结构体不同外 其他参数均相同 数值模拟得出 的旋流器分离效率曲线见图3 1 5 所示 可见当混合物含气率大于3 0 以后 两条曲线明显分离开来 且 柱锥式结构明显优于管柱式结构 因此在高含气井油气分离器的设计 中应采用柱锥式结构 1 2 0 1 0 0 8 0 毒6 0 籁4 0 键 隶2 0 0 4 05 0 混合液体积含气率 图3 1 5 结构体与分离效率关系的对比曲线 管柱式 o 柱锥式 4 7 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 3 3 4 底流管直径对分离性能的影响 底流管直径是影响旋流器分离性能的另一个重要参数 它的变化 也会影响到旋流器所有的工艺指标 尤其是分离效率和压力损失 在 保证较高分离效率的情况下 应尽量减小压力损失 在其它结构参数不变 处理量l o o m 3 d 的条件下 对底流口直径 分别为1 0 2 0 3 0 4 0 r a m 四种情况进行了数值模拟 所得分离效率 曲线如图3 1 6 所示 可见 在一定处理量范围内 底流管直径对分离效率影响不十分 显著 但底流管直径过大 尽管压力损失较小 但会造成分离效率的 迅速下降 因此 要合理选择底流管直径 使其在较小的压力损失下 仍保持较高的分离效率 在模拟工况下 底流管直径为2 0 m m 时 分 离效果最佳 水 v 等 擗 袋 铤 求 3 0 4 05 06 0 混合液体积含气率 图3 1 6 底流管直径与分离效率的关系曲线 i o t a m 2 0 r a m 3 0 m m 4 0 m m 3 3 5 处理量对分离性能的影响 处理量主要影响入口混合物的初始速度 进而影响分离性能 对 同一结构参数的旋流器 取处理量分别为5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 m 3 d 进行了模拟计算 所得的分离效率曲线如图3 1 7 所示 4 8 o 中国石油大学 华东 硕士论文 第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 筝 x 静 校 枢 求 1 0 01 5 0 处理量口t m 3 d 图3 1 7 处理量与分离效率的关系曲线 入口含气率5 0 从图3 1 7 中可以看出 随着处理量的增大 分离效率会先随着 增大 但当处理量大到一定程度时 短路流等现象剧烈影响流场 分 离效率相应下降 所以水力旋流器存在一个最佳的处理量范围 上面 数值模拟的旋流器最佳工作范围是1 0 0 1 5 0 m 3 d 3 4 旋流器仿真算例 3 4 1 算例1 以埕岛油田c b 8 0 5 井资料作为数值模拟条件 分离器结构尺寸 参数同3 2 1 节所示三维模型 下泵深度为2 0 0 0 m 模拟计算时所取 介质物性参数为 混合物体积含气率取5 5 液相密度为9 9 8 k g m 3 动力粘度1 0 0 3 m p a s 气相密度为1 2 2 5 k g m 3 动力粘度 o 0 0 0 1 7 8 9 m p a s 气泡平均粒径o 1 m m 由图3 1 8 图3 1 9 可以看出 在生产井工况条件下 当入口含 气率为5 5 时 旋流分离单元可以很好地将两相进行分离 图3 1 8 中部为气相 外部为液相 图中左侧标尺的颜色表示含量百分数的高 低 从上到下由大到小 旋流器轴心处形成了完整的气柱 气柱由底 4 9 蚰 o 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 流管下部直达溢流口并从溢流口排出 且气柱未到达底流口 表明气 体可以很好地从溢流口排出 液相部分则沿旋流器壁下行从底流口排 出 图3 1 8 气相含量分布云图 图3 1 9 液相含量分布云图 图3 2 0 为所得的流场压力分布云图 可以看到压力基本上是沿 轴向分布的 进口处压力最高 同时由于气液两相在旋流器内旋转流 动 分离产生压力损失 沿径向由壁面到中心 压力逐渐降低 这完 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 全符合理论上已知的旋流器流场的压力分布规律 图3 2 0 流场压力分布云图 图3 2 l 是气液分离旋流器内的轴向速度的速度矢量图 箭头方 向表示轴向速度的方向 箭头长度表示其大小 其中轴向速度为零的 点若连成面则称为雎 v 即零轴向速度包络面 这个面是评价旋流 器分离性能很重要的一个指标 它里面的流体 主要是气体 由溢流 口排出 进入油 套管环形空间 它外面的流体 含少量气体 则由 尾管进入下一级分离器 图3 2 1 轴向速度矢量图 5 l 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 图3 2 2 流量显示报告界面 图3 2 2 为计算结果的流量显示报告 其中 p h a s e 2 表示气相 i n l e t 表示进口气相的质量流量 k g s o u t l 表示溢流口的气相质量流 量 k g s o u t 2 表示底流e l 的气相质量流量 k g s 右下角为计算误 差 图中数字前的 负号 表示 流出 旋流器 正号 则表示 流入 旋流器 旋流器的模拟分离效率计算公式为 器 l o 懈 3 1 3 即o u t l 的数值与i n l e t 的数值之比 此处分离效率为8 7 3 3 4 2 算例2 以埕岛油田z h l 0 井资料作为数值模拟条件 分离器结构尺寸参 数 介质皆同前 混合物处理量1 0 0 m 3 d 下泵深度为2 7 5 0 m 泵吸 入口含气率8 1 3 3 由图3 2 3 3 2 4 中可以看出 当入口含气率为8 1 3 3 时 虽然 旋流单元中间形成了气柱 但气柱直达底流口 这表明有相当多的气 中国石油大学 华东 硕士论文第3 章分离器旋流分离单元仿真研究 体可从底流口排出 计算表明底流口处排出液的含气率仍高达5 0 这样 会对后级的分离单元的分离性能产生很大的影响 进而影响整 个分离器的效率 导致分离后仍有大量的气体进入多级离心泵内 使 泵无法正常工作 图3 2 3 液相含量分布云图 图3 2 4 气相含量分布云图 5 3 中国石油大学 华东 硕士论文第4 章分离器整机结构优化设计与样机加工 第4 章分离器整机结构优化设计与样机7 j 日 r 4 1 整机结构优化设计 4 1 1 旋流分离单元结构优化设计 数值计算表明 旋流器经过