三相臥螺離心機(jī)性能分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)
技術(shù)支持
目前，我國大部分油田已進(jìn)入高含水階段。此前，油田采出液一般采用電脫水法處理，而電脫水器容易穿越電場，處理后的油水含量超標(biāo)，不能滿足逾期的處理要求。臥螺離心機(jī)更適合油泥資源化處理的工業(yè)化應(yīng)用。但它的局限性是在三相分離中分離出的固相不夠純凈，會(huì)混入較多的油相，分離效率也需要進(jìn)一步提升。
朱桂華等對離心機(jī)內(nèi)部物料進(jìn)行三維模型的建立，結(jié)合Fluent軟件選用RNG k-ε湍流模型與多重參考系模型，對流場內(nèi)固、液兩相進(jìn)行模擬仿真，得到不同轉(zhuǎn)速差下三相臥螺離心機(jī)流道的速度和壓力云圖，以及出砂口固相的干燥程度與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線。鄭勝飛等采用Fluent軟件中的雷諾應(yīng)力模型和離散相模型模擬離心機(jī)三維流場，得到流場內(nèi)的壓力和速度分布，顆粒沉降時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果相符合。
含油污泥是石油開采、提煉、加工、儲存、運(yùn)輸?shù)冗^程中產(chǎn)生的主要廢物。它通常是一種由水、油、砂三相組成的高度穩(wěn)定的乳狀液，其中含有大量的碳?xì)浠衔铮?/span>PHCs）。如果不能將其回收處理，大量的含油污泥會(huì)污染地表。而且從污泥中回收原油也將具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。三相機(jī)械離心分離技術(shù)具有能耗低、污染小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于污泥資源化處理的工業(yè)應(yīng)用。本文將采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對三相臥螺離心機(jī)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離性能進(jìn)行研究。
1 多相流和湍流模型
在流體力學(xué)軟件Fluent中有3種多相流模型：VOF、Mixture及Euler模型。本文將采用Mixture模型。該模型適合離心機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中分散相不均勻分布的特點(diǎn)。
湍流模型選用RNG k-ε雙方程湍流模型，其具有可解決高應(yīng)變率和高流線彎曲率的優(yōu)點(diǎn)，適合進(jìn)行三維非定常不可壓縮流場計(jì)算。
2 結(jié)果和數(shù)值模型
2.1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)
根據(jù)三相分離的特點(diǎn)，建立了三相臥螺離心機(jī)的三維模型。
該模型有3個(gè)主要特點(diǎn)：
（1）擋油板在圓柱段靠近與錐段連接處，防止油相在螺旋輸送器的推動(dòng)下從出砂口流出。
（2）在圓柱段出口處設(shè)置一個(gè)類似連通器的結(jié)構(gòu)，這使得油和水沿著它們各自的路徑移動(dòng)到單獨(dú)的出口，并且控制出水口和出油口的徑向高度，使得出水口與出油口的壓力近似相等。
（3）在螺旋輸送器圓柱段葉片上開孔，使擋油板擋住的油相可以通過開孔流回出油口，防止油相在擋油板處堆積，溢過擋油板，從出砂口流出。
這種三相臥螺離心機(jī)的新穎性和優(yōu)點(diǎn)主要有：擋油板可以防止油滴繼續(xù)向出砂口移動(dòng)；螺旋輸送器葉片上開孔的設(shè)計(jì)可以使油相盡可能地從出油口流出，提高分離效率。
2.2 數(shù)值模型構(gòu)建
根據(jù)三相臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)模型建立數(shù)值模型。
在對結(jié)果影響不大的前提下，移除了管道、法蘭、肋板等結(jié)構(gòu)，簡化出油、出水、進(jìn)料口結(jié)構(gòu)，更多關(guān)注轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場。
2.3 網(wǎng)格劃分
使用ANSYS自帶的meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。螺旋輸送器葉片外沿到內(nèi)壁2mm的筒狀部分，由六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格sweep劃分，其余部分由四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。整個(gè)網(wǎng)格形式采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格形式。離心機(jī)模型單元數(shù)為1050474。網(wǎng)格質(zhì)量檢查顯示平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.83，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好，滿足計(jì)算要求。
2.4 計(jì)算條件
2.4.1 邊界條件使用
使用Fluent2019 R3計(jì)算其內(nèi)部流場。在轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間設(shè)置interface面，轉(zhuǎn)鼓和螺旋軸壁面剪切條件為無滑移條件，壁面為滑動(dòng)壁面。
入口定義為速度入口，3個(gè)出口定義為壓力出口（表壓為零）。
2.4.2 數(shù)值設(shè)定
油、水、砂三相都視為不可壓縮流體，采用多重參考系模型計(jì)算流體區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。由于流體處于湍流狀態(tài)，將RNG k-ε方程作為湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行近壁處理，計(jì)算使用分離的隱式和SIMPLE方法，采用瞬態(tài)法計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)置為0.03s，直到結(jié)果穩(wěn)定。
2.5 出水口和出油口位置的確定
在離心機(jī)的設(shè)計(jì)中，存在一個(gè)關(guān)鍵的問題，即出油口和出水口位置的確定。在排液過程中，如果油、水兩相壓力差較大，排液會(huì)出現(xiàn)明顯的先后順序，這樣會(huì)使油、水兩相從同一出口排出，嚴(yán)重影響分離效率。因此需要對出油口和出水口的壓力進(jìn)行計(jì)算，從而確定兩者位置關(guān)系。
通過螺旋輸送器葉片開孔位置、出油口距中心軸半徑以及大量模擬，可知油相的穩(wěn)定厚度約為15mm，平衡線保持在145mm處。出油口距中心軸半徑為134mm，出油口半徑為4mm。為了出油口能穩(wěn)定出油并保證其回收效率，需要利用這些已知條件，通過排液壓力來確定出水口的位置。
在運(yùn)行過程中，如果出水口壓力大于出油口壓力，則會(huì)導(dǎo)致排水速度大于排油速度，使油相厚度增加，使出水口壓力下降；反之，如果出水口壓力小于出油口壓力，則會(huì)導(dǎo)致排水速度小于排油速度，使油相厚度減小，出水口壓力上升。在一定范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)排液壓力平衡的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定。
3 模擬結(jié)果和討論
3.1 離心機(jī)改進(jìn)前油相體積分?jǐn)?shù)分布分析
離心機(jī)改進(jìn)前未設(shè)導(dǎo)油孔，油相回收率十分有限，而且在連續(xù)工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)油相在擋油板處過度堆積的問題。
隨著設(shè)備的運(yùn)行，油相在螺旋輸送器的推動(dòng)下于擋油板處堆積，然后溢出，使油相從出砂口推出，導(dǎo)致油相回收率下降，固相含油率上升，影響分離效率。
3.2 離心機(jī)改進(jìn)后油相體積分?jǐn)?shù)分布分析
模擬結(jié)果表明，在螺旋輸送器的推動(dòng)下，油相很難從離心機(jī)內(nèi)壁面與螺旋輸送器葉片外端的縫隙中流向出油口。因此，通過在螺旋輸送器葉片上開設(shè)導(dǎo)油孔，使油能夠順暢地從出油口流出，避免油相在擋油板處堆積，影響分離效率。
同時(shí)，通過分析發(fā)現(xiàn)，物料在進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓時(shí)，會(huì)帶有徑向的速度。當(dāng)進(jìn)料位置距離擋油板過近時(shí)，會(huì)在螺旋輸送器的推動(dòng)下，直接越過擋油板，導(dǎo)致油相回收率下降以及出砂口含油率增加，影響分離效率。
因此，通過大量的計(jì)算機(jī)模擬，不斷優(yōu)化，做出以下改進(jìn)：螺旋輸送器上增加了周向24個(gè)導(dǎo)油孔，并且將進(jìn)料位置向大端法蘭移700mm。
改進(jìn)后變化明顯，在長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定后，油相依然沒有溢出擋油板，油相堆積得到了很好的解決，這種改進(jìn)方法能夠提高油相回收率。
模擬結(jié)果表明，運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)油、水、砂三相分層明顯，出油口處幾乎沒有其他相，油相回收率得到很大的提高。
3.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比
分離效率主要由各個(gè)出口處油和砂的體積分?jǐn)?shù)來反映。為了便于計(jì)算，用油相回收率和固相回收率來分別評價(jià)油和砂的分離效率。
油相回收率為出油口出油量占入口進(jìn)油量的百分比。固相回收率為出砂口出砂量占入口進(jìn)砂量的百分比。
在模擬過程中，監(jiān)測各個(gè)出口的流量以及各組分體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果計(jì)算分離效率。
計(jì)算結(jié)果表明，增加導(dǎo)油孔，出水口含油率從10.2%下降到5.3%，出油口含油率也大幅度提升，油相回收率從59.4%提高到83.0%，固相回收率基本沒有變化。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后極大地提高了油相回收率，改進(jìn)效果顯著。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，畫出整套零件圖和裝配圖，然后依據(jù)圖紙到加工廠生產(chǎn)制造設(shè)備，搭建實(shí)驗(yàn)平臺。
實(shí)驗(yàn)步驟如下：
（1）準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)用的原料為自來水、原油和石英砂，按照體積比7：2：1的比例進(jìn)行配制，對物料邊加熱邊攪拌，確保物料進(jìn)入三相臥螺離心機(jī)前充分混合。
（2）空載運(yùn)行以及熱水預(yù)熱。關(guān)閉進(jìn)料閥和螺桿泵，開啟離心機(jī)主副變頻器，逐漸加速使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋達(dá)到較高轉(zhuǎn)速。然后將螺桿泵通入熱水罐，啟動(dòng)螺桿泵，再逐漸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，觀察各個(gè)進(jìn)出口的流量變化。
（3）測試離心機(jī)的分離效率。關(guān)閉螺桿泵，讓轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的水自然排盡，然后將進(jìn)料攪拌桶、螺桿泵、臥螺離心機(jī)三者相連，開啟螺桿泵，開始進(jìn)料。調(diào)節(jié)主副變頻器逐漸使轉(zhuǎn)鼓加速，使其處于恒定轉(zhuǎn)速，保持進(jìn)料物料特性和其他操作參數(shù)不變，對離心機(jī)進(jìn)料、出油、出水及出砂進(jìn)行采樣并測量。
（4）測試改進(jìn)的離心機(jī)的分離效率并記錄數(shù)據(jù)。更換螺旋輸送器，重復(fù)上述操作。
對實(shí)驗(yàn)分離出來的樣品進(jìn)行采樣編號，之后采取焚燒法確定各組分含量。測量方法如下：首先，取一個(gè)清潔干燥恒重后的坩堝，稱重，加入待測樣品約10g，再次稱重，然后將坩堝和樣品以期放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，稱重；將干燥后的樣品進(jìn)行充分焚燒，稱重。根據(jù)以上操作記錄下的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各個(gè)組分的含量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的離心機(jī)確實(shí)能夠顯著提升出油口含油率以及油相回收率，與模擬結(jié)果相符。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)出油口含砂率與模擬相比差別較大，且含量很高，導(dǎo)致固相回收率不高。
通過觀察樣品發(fā)現(xiàn)，出油口的固相顆粒相比于出砂口的固相顆粒普遍偏小，且密度較小?？偨Y(jié)原因，實(shí)驗(yàn)使用的石英砂粒徑和球形度不夠均勻，且存放時(shí)間過長混入了大量灰塵，這些固相形成浮渣從出油口排出。
5 結(jié)論
（1）通過水力平衡計(jì)算，控制油、水兩相在出口位置的壓力相等，從而確定出水口的位置。在一定范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)排液壓力平衡的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定。
（2）數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的三相臥螺離心機(jī)在螺旋輸送器的作用下，會(huì)將部分油相推向出砂口，影響分離效率。增加導(dǎo)油孔的設(shè)計(jì)可以使油相軸向流動(dòng)，大大地減少了油相在擋油板處的堆積，對提升分離效率有積極作用。
（3）實(shí)驗(yàn)中油相回收率大幅度提升，能夠證明導(dǎo)油孔在提升分離效率的實(shí)際作用。但在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，浮渣對分離效率影響極大，在以后的實(shí)驗(yàn)中要選擇更加純凈、大小均勻的固相顆粒，而且要避免露天堆放混入灰塵。
