自循环式动态水力旋流器压力性能和分离性能研究

自循环式动态水力旋流器压力性能和分离性能研究

论文摘要

目前,我国大部分油田已经进入石油开发的中后期,其采出液的大量含砂对地面集输设备会造成极大的破坏。目前使用的静态水力旋流除砂器效率低并且油田现场流量波动较大对分离效率有较大的影响。本文针对这一实际问题将离心机与水力旋流器的特点结合到一起,根据离心力场的分布特点采用最为合理的中心进料方式,设计了自循环式动态水力旋流器。在加工实验样机和建立实验平台后,通过结构参数的对比实验来优化其压力性能和分离性能,最终确定了结构参数最为合理的工业机。同时,利用Flunet流体力学软件对工业机进行了单相流场的数值模拟,分析其内部的流场分布,并对旋流发生部件进行了数值优化。实验中通过改变唯一结构参数对实验样机进行压力性能优化实验,发现减小叶轮高度、减小叶轮直径、增大底流口直径、增大溢流管径、增大溢流管入口直径、增大叶轮入口安放角能有效增大底流压差。而将叶轮分层加工制造、溢流管尾端加翅片不能有效增大压差。实验中通过改变唯一结构参数对实验样机进行分离性能优化实验,发现增大叶轮直径、溢流管入口加溢流罩防短路流、减小溢流管入口直径能有效增大旋流器的分离效率。而增大叶轮入口安放角对旋流器分离性能没有影响。综合压力性能和分离性能结构参数对比实验,合理匹配结构参数进行实验确定最终工业机的结构参数,并研究操作参数对压差和分离效率的影响。最终工业机的压力性能良好,流量在20m3/h和40m3/h之间,电机转速为25HZ时便能产生底流回流,且其回流量能满足旋流器在正常的分流比下工作。最终的样机分能性能保持高效,流量在20m3/h和40m3/h之间,电机转动频率在25HZ到40HZ之间,旋流器的分离效率均在93%以上,最高达98%。应工程实际要求,利用工业机分离材油、水和砂三相混合物中的砂,其除砂效率为95%,能满足实际工业生产要求。应工程实际要求,应用工业机对粘性为80mpa.s油和砂的混合物进行分离,其分离效率在80%以上,远高于静态旋流器分离效率,能满足工业生产要求。利用计算流体力学中的fluent软件对工业机进行了模拟,得到内部流场分布并对其进行了详细的分析。利用数值模拟对叶轮的结构参数进行优化,叶轮的入口安放角由16度增大到90度能有效增大底流压差和溢流压差。本文所研制的工业机性能良好,有良好的应用前景和商业价值。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 典型分离设备比较
  • 1.1.1 旋流器
  • 1.1.2 离心机
  • 1.1.3 水力旋流器与离心机的比较
  • 1.2 动态水力旋流器
  • 1.2.1 动态水力旋流器的结构
  • 1.2.2 动态旋流器特点
  • 1.2.3 动态水力旋流器的发展方向
  • 1.3 旋流分离器主要工艺指标
  • 1.3.1 处理量
  • 1.3.2 压力降
  • 1.3.3 分离效率
  • 1.3.4 分离粒度
  • 1.4 本课题研究目的及工作重点
  • 1.4.1 课题研究的目的
  • 1.4.2 课题的主要工作
  • 2 循环式动态水力旋流器结构特点
  • 2.1 循环式动态水力旋流器设计思想
  • 2.2 动态水力旋流器局部结构
  • 2.2.1 旋流发生部件
  • 2.2.2 静态旋流腔结构
  • 2.2.3 进料结构
  • 2.2.4 密封结构
  • 2.2.5 溢流管结构
  • 2.3 本章小结
  • 3 实验系统的建立和实验流程
  • 3.1 实验测试系统
  • 3.1.1 供液单元
  • 3.1.2 流量压力测量单元
  • 3.1.3 集砂罐
  • 3.1.4 实验机单元
  • 3.2 实验流程
  • 3.2.1 实验规划
  • 3.2.2 压力性能实验的步骤和计算公式
  • 3.2.3 分离性能实验步骤及计算公式
  • 3.3 本章小结
  • 4 结构参数对旋流器性能的影响
  • 4.1 结构参数对压力性能的影响
  • 4.1.1 叶轮高度对压差的影响
  • 4.1.2 叶轮形式对压差的影响
  • 4.1.3 叶轮直径对压差的影响
  • 4.1.4 底流口直径对压差的影响
  • 4.1.5 翅片对压差的影响
  • 4.1.6 溢流管径对压差的影响
  • 4.1.7 溢流管出口直径对压差的影响
  • 4.1.8 叶轮入口安放角的影响
  • 4.2 结构参数对分离效率的影响
  • 4.2.1 叶轮直径对分离效率的影响
  • 4.2.2 溢流管出口直径的影响
  • 4.2.3 溢流罩的影响
  • 4.2.4 叶轮入口安放角的影响
  • 4.3 最终工业机结构参数的确定
  • 4.4 本章小结
  • 5 工业机的性能研究
  • 5.1 操作参数对压力性能的影响
  • 5.1.1 电机转速对压差的影响
  • 5.1.2 流量对压差的影响
  • 5.1.3 分流比对压差的影响
  • 5.2 操作参数对分离效率的影响
  • 5.2.1 电机转速对分离效率的影响
  • 5.2.2 流量对分离效率的影响
  • 5.2.3 分流比对分离效率的影响
  • 5.2.4 待分离液浓度对分离效率的影响
  • 5.3 工业机实际应用
  • 5.4 本章小结
  • 6 动态水力旋流器的数值模拟
  • 6.1 数学模型的选择及数值解法
  • 6.1.1 湍流基本方程
  • 6.1.2 湍流模型的选取
  • 6.1.3 可动区域模型
  • 6.2 模型的建立和网格的划分
  • 6.3 边界条件的确立
  • 6.4 整机模拟结果
  • 6.4.1 叶轮部分的流场
  • 6.4.2 静态旋流腔速度场分布
  • 6.4.3 静态旋流腔压力分布
  • 6.4.4 湍动能和湍流耗散率分布
  • 6.4.5 叶轮转速对流场的影响
  • 6.4.6 叶轮入口安放角对叶轮部分流场的影响
  • 6.5 本章小节
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
  • 相关论文文献

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