軸向渦流分離器的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、為解決海上油田生產(chǎn)水量日益增多和平臺(tái)空間有限這一矛盾，迫切需要研制開發(fā)分離效率高、體積小、重量輕的內(nèi)聯(lián)緊湊型分離技術(shù)。軸向渦流分離技術(shù)將軸向流動(dòng)和渦運(yùn)動(dòng)巧妙結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)大處理量單管式快速分離，使真正意義上的內(nèi)聯(lián)式緊湊型分離成為可能。然而至今為止，僅美國EVTN公司有相關(guān)產(chǎn)品推廣應(yīng)用的報(bào)道，缺乏分離機(jī)理和設(shè)計(jì)理論體系方面的研究文獻(xiàn)。
　　本文利用渦運(yùn)動(dòng)的相關(guān)理論，對軸向渦流分離器內(nèi)部流場和影響分離性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析，從而有

2、針對性地建立設(shè)計(jì)理論模型?；谒⒌脑O(shè)計(jì)理論模型，對影響分離性能的關(guān)鍵零部件——漸變螺旋形葉片和靜止錐形機(jī)筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，并依此初步完成BIPTVAS-Ⅰ型軸向渦流分離器樣機(jī)的設(shè)計(jì)。然后以理論分析結(jié)論為參考，利用商業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件包Ansys Fluent14.0，就漸變螺旋形葉片和靜止錐形機(jī)筒關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對分離性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。
　　由于漸變螺旋形葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，且各參數(shù)間沒有明顯關(guān)

3、系可以遵循，本文以CFD數(shù)值模擬結(jié)果為樣本，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行非線性分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)渦發(fā)生器轉(zhuǎn)速為2300rpm、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑為φ60mm時(shí)，漸變螺旋形葉片的最優(yōu)參數(shù)組合為:高21.5mm、長170mm、出口導(dǎo)程角72°。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)較少的靜止錐形機(jī)筒，則直接采用單因素分析法對CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，由此優(yōu)選出的連續(xù)相出口直徑和機(jī)筒長度取值分別為φ40mm和800mm。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下，軸向渦流分離器分離效率的CFD數(shù)值模擬

4、值可達(dá)90％，且數(shù)值模擬值和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值相吻合，最大誤差僅有8.67％。
　　在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下，基于CFD數(shù)值模擬分析操作工藝參數(shù)對軸向渦流分離器分離性能的影響。分析結(jié)果表明，中心流率是調(diào)整分離器操作工藝參數(shù)的關(guān)鍵依據(jù)，當(dāng)中心流率接近零值時(shí)，軸向渦流分離器的分離性能較好。與此同時(shí)，研究了軸向渦流分離器靜止錐形機(jī)筒中流體的壓力、切向速度和軸向速度分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，靜止錐形機(jī)筒中橫截面上流體的壓力呈中心低外環(huán)區(qū)高的分布規(guī)律

5、，且不隨機(jī)筒軸向位置的變化而變化。當(dāng)中心流率小于零時(shí)，靜止錐形機(jī)筒中心低壓區(qū)的壓力亦小于零。靜止錐形機(jī)筒入口處流體切向速度分布完全符合固體渦的分布規(guī)律，隨著距渦發(fā)生器出口距離的增加，近壁區(qū)切向速度受渦壁面耗散的影響而大幅度降低;當(dāng)機(jī)筒錐角大于0.8°時(shí)，近壁區(qū)流體的切向速度呈拋物線分布，而遠(yuǎn)離壁面區(qū)流體的切向速度保持不變。渦發(fā)生器出口處流體的軸向速度分布規(guī)律與壓力分布類似，中心低外環(huán)區(qū)高，最大軸向速度所在位置隨距渦發(fā)生器出口距離的增加而

6、逐漸向中心靠近。對比分析CFD數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)理論模型對切向速度和軸向速度的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)筒任意截面73.56％以上的區(qū)域理論計(jì)算值和CFD數(shù)值模擬值相吻合，切向速度的主要誤差出現(xiàn)在近壁區(qū)，而軸向速度的誤差隨距渦發(fā)生器出口距離的增加而增加。為盡量提高設(shè)計(jì)理論模型的預(yù)測精度，根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果給出了機(jī)筒橫截面上流體切向速度的估算公式，并對傳統(tǒng)錐形機(jī)筒內(nèi)流體的軸向速度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。
　　在理論研究和CFD數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上

7、，研制可視化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、BIPTVAS-Ⅰ型室內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和BIPTVAS-Ⅱ型工程樣機(jī)，并進(jìn)行了室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)、分離性能實(shí)驗(yàn)和油田現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)表明，軸向渦流分離器內(nèi)流體的渦運(yùn)動(dòng)為非對稱的螺旋形軸向渦;室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)、分離性能實(shí)驗(yàn)表明影響分離性能的關(guān)鍵參數(shù)與中心流率的關(guān)系密切;室內(nèi)分離性能實(shí)驗(yàn)結(jié)論與CFD數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，平均誤差僅為15％。中原油田現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果吻合性非常好，平均誤差僅為2.46％