油田污水处理复合式水力旋流器分离机理及特性研究

【摘要】： 近年来,我国主力油田已进入中、高含水开采期,驱油方式已由原来的水驱向聚合物驱和三元复合驱油技术发展。这些技术的应用,在提高了原油采收率的同时,给地面采出液的处理增加了难度。因而需要研究新的高效分离设备及高效处理工艺体系,以节省地面建设投资,改进或简化油气集输工艺流程。旋流分离技术的应用正满足了这种形势的需求。作为常规水驱采出液,静态水力旋流器在预分离和污水处理方面都有完整的配套工艺,在实践中均得到了一定的应用。但作为聚驱采出液和三元复合驱采出液的处理,静态水力旋流器就很难适应现场工况要求。动态水力旋流器虽有高强度旋涡流的优点,但壳体的振动是一个很难消除的因素,严重影响了分离效率的提高。 大庆石油学院旋流分离技术研究室在十几年的研究工作基础上,通过分析研究静态和动态水力旋流器的优缺点,力求寻找一种“取优去劣”的动静复合结构,解决油田含聚污水的处理难题。复合式旋流器就是在这一背景下产生的。复合式水力旋流器是动态水力旋流器和静态水力旋流器的有机结合体,它一方面继承了动态水力旋流器高强度旋涡流的优点,可以通过高速的旋涡流把原本难于分离的油从大粘度混合液中分离出来;另一方面它又继承了静态水力旋流器分离腔体不运动的优点,减少了分离单体因壳体振动而影响分离场、降低分离效率的问题。 为使复合式水力旋流器尽快应用到生产实际,应该深入掌握复合式水力旋流器的分离机理和分离特性。复合式水力旋流器的分离机理研究也就是旋流分离场的理论研究。复合式水旋流器的分离场主要由压力场和速度场构成。在压力场研究中,文中通过最大切向速度分界面把旋流区域划分成两个涡区,即半自由涡区和强制涡区,然后在两个涡区内分别分析了压力分布和压力损失的变化关系。利用半自由涡和强制涡内的运动方程与压力梯度方程建立的方程组,结合复合式水力旋流器特定的边界条件,在积分常数确定后,最终解出了两个涡区内的压力分布解析式和压力损失解析式。 为进一步确定复合式水力旋流器单体的生产能力,通过复合式水力旋流器的压力降函数,结合前期研究的流量与旋转栅直径、旋转栅角速度的关系式,推导出了复合式水力旋流器的生产能力方程,即单体处理量与旋转栅大径、压力降、溢流口直径的解析关系式,这为生产中操作参数的调定提供了依据。复合式水力旋流器在动静结构复合中的关键部件是旋转栅,它一方面是旋流场的直接成因,另一方面是获得高分离效率的关键因素之一。因此复合式水力旋流器的优化设计,主要表现在旋转栅结构参数的优化设计上。前期的研究结果表明,螺旋栅明显优于直体栅,但螺旋栅的螺旋升角到底多大是这次优化设计的任务。考虑到目标函数建立上的困难以及现有仿真软件的高可靠性,本次优化设计采用了分散参数优化法。通过“FLUENT”软件的模拟仿真,最终确定了合理的栅体升角。 为了稳定流体在单体内的运动状态,即稳定流场,复合式水力旋流器分离单体的主体分离段内锥腔的高次曲线光整设计是非常必要的。文中详细介绍了基于标准Thew式结构单体在三次曲线光整设计中的设计依据和设计方法。另一方面,文中对复合式水力旋流器溢流口的结构形式作了研究。 复合式水力旋流器的能耗主要包括压力损失、局部压力损失、粘滞损失、空气柱和出口能量损失等几个方面,文中分析了各种损失的成因及确定方法。 同时,在室内完成了模拟数据与样机实验数据的对比工作和相关实验任务,以验证模拟仿真的可行性与相关理论推导关系式的合理性。 最后,研究了样机在现场工况条件下的试验情况。 【关键词】：复合式水力旋流器 油田污水 分离特性 流场 能耗机理
【学位授予单位】：大庆石油学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X741
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 创新点摘要8-11
• 前言11-19
• 第一章 复合式水力旋流器的压力场及单体生产能力19-27
• 1.1 涡域内径向压力分布及能量损失19-23
• 1.1.1 半自由涡的压力分布与压降19-22
• 1.1.2 强制涡域的压力分布与压降22-23
• 1.2 复合式水力旋流器单体的生产能力23-26
• 1.3 本章小结26-27
• 第二章 复合式水力旋流器分离单体的结构设计27-39
• 2.1 结构设计的理论基础27-29
• 2.2 结构设计29-33
• 2.2.1 大锥段设计29-31
• 2.2.2 小锥段部分设计31
• 2.2.3 圆弧过渡段部分设计31-32
• 2.2.4 新型分离单体的加工32-33
• 2.3 溢流口表面轮廓形状设计33-38
• 2.3.1 溢流口内表面形状设计的理论依据33-36
• 2.3.2 溢流口外表面形状设计36-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 复合式水力旋流器旋转栅结构参数优化设计39-54
• 3.1 CFD 的软件选取与FLUENT 应用的基本条件39-42
• 3.2 数值模拟42-46
• 3.2.1 多相流模型42
• 3.2.2 计算模型42-44
• 3.2.3 网格划分及边界条件设定44-46
• 3.3 数值模拟结果分析46-53
• 3.3.1 迭代计算的收敛46
• 3.3.2 模拟数据及分析46-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 复合式水力旋流器的能耗分析54-59
• 4.1 局部损失54-55
• 4.2 粘滞损失55-57
• 4.3 空气柱内和出口能量损失57
• 4.4 机电传动机构能耗57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 复合式水力旋流器样机室内实验研究59-81
• 5.1 实验条件59-61
• 5.2 实验方案61-62
• 5.3 评价标准62-63
• 5.4 测试结果与软件模拟结果对比63-68
• 5.4.1 切向速度64-66
• 5.4.2 轴向速度66-68
• 5.5 直体栅与螺旋栅的对比实验68-69
• 5.6 三次曲线旋流分离体与Thew 式结构单体的对比实验研究69-74
• 5.6.1 切向速度对比69-70
• 5.6.2 轴向速度对比70-72
• 5.6.3 压力分布对比72-73
• 5.6.4 分离效率对比73-74
• 5.7 最佳操作参数标定实验74-77
• 5.7.1 最佳入口流量的确定74-75
• 5.7.2 最佳分流比的确定75
• 5.7.3 最佳旋转头转速的确定75-76
• 5.7.4 复合式旋流器在最佳工作条件下的分离效率76-77
• 5.8 复合式水力旋流器最佳生产能力通式验证试验77-78
• 5.9 内缩角及背锥角溢流口的相关实验78-80
• 5.9.1 内缩角溢流口与平头溢流口的对比实验78-79
• 5.9.2 溢流口背锥角大小的实验优选79-80
• 5.10 本章小结80-81
• 第六章 复合式水力旋流器样机现场试验81-88
• 6.1 入口流量与底流压力损失的关系82
• 6.2 入口流量和压降比的关系82-83
• 6.3 分流比和压降比的关系83
• 6.4 分流比和分离效率的关系83-85
• 6.5 电机转速对底流压力损失及分离效率的影响85-87
• 6.6 本章小结87-88
• 结论88-90
• 一、本文的研究成果88
• 二、本文的创新点88-89
• 三、今后工作的展望89-90
• 参考文献90-99
• 致谢99-100
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果100-102
• 个人简介102

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