喻九陽(yáng)，王家全，汪 威，彭 康，張思奧，孟觀林，肖 濤

武漢工程大學(xué)，湖北省綠色化工裝備工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

水力旋流器工作原理是利用各相介質(zhì)密度不同、所受離心力不一致，從而實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離，其中重質(zhì)相通過(guò)底流口流出，輕質(zhì)相由頂部溢流口排出［1-4］。由于水力旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理能力強(qiáng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、醫(yī)藥制造、石化、食品加工、紡織以及城市污水處理等行業(yè)［5-7］。近年來(lái)，隨著全球頁(yè)巖油氣田的開(kāi)采，非常規(guī)油氣田的開(kāi)發(fā)逐漸成為人類能源的重要來(lái)源［8］。但非常規(guī)油氣田的開(kāi)采存在單井和礦區(qū)產(chǎn)量隨時(shí)間加長(zhǎng)處理量減小的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了下游設(shè)備的工作效率［9］。水力旋流器作為旋流分離的關(guān)鍵裝置，決定了相關(guān)設(shè)備的分離性能。因此，本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)一種主動(dòng)適應(yīng)的多管旋流裝置，通過(guò)多根水力旋流管優(yōu)化配置，智能調(diào)節(jié)工作旋流管數(shù)量和入口流量，保證了多管旋流裝置的分離性能。通過(guò)對(duì)比單管旋流器，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬方法，研究了水砂處理液中砂粒濃度為10%時(shí)，隨著入口流量、砂粒粒徑的改變，兩種裝置分離性能的變化規(guī)律，為非常規(guī)油氣田開(kāi)采過(guò)程中多管旋流裝置的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬與計(jì)算方法

1.1 幾何尺寸

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9035-2015《水力旋流器》和旋流器處理量經(jīng)驗(yàn)公式［10］，由公式（1）確定單管旋流器和多管旋流裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，具體尺寸如表1 所示。

式中，D 為旋流器基本直徑，cm；qn為旋流器產(chǎn)能，m3/h；ρm為處理液密度，t/m3；ΔPm為進(jìn)出口壓差，MPa。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of hydrocyclone

單管旋流器產(chǎn)能qn為5 m3/h，處理液中固相含量為10%，水和砂的密度分別為998、3 000 kg/m3，則處理液密度ρm=0.9×998+0.1×3 000=1 198.2 kg/m3= 1.198 2 t/m3，由砂粒粒徑取ΔPm=0.1 MPa。將數(shù)值代入式（1）中，得D=81 mm。根據(jù)水力旋流器選取標(biāo)準(zhǔn)取D=75 mm，則各結(jié)構(gòu)：當(dāng)量直徑de=0.25D=18.75 mm，故當(dāng)量面積S=π（de）2/4=276.1 mm2。標(biāo)準(zhǔn)矩形入口尺寸為a=2b，則a=24 mm，b=12 mm；do=0.3D=22.5 mm，圓整取do=22 mm，d1=0.1D=7.5 mm，圓整取d1=8 mm；h=1.4D=105 mm，ho=a=24 mm；取α=15°。多管旋流裝置尺寸選取同上。

單管旋流器工作時(shí)，處理液由切向入口直接進(jìn)入內(nèi)腔，在旋流離心力作用下，砂粒運(yùn)動(dòng)至底部排沙口或壁面視為有效分離；多管旋流裝置由5 根?33.5 mm 旋流管組成，處理液通過(guò)環(huán)形分布管切向流入各根旋流管。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖1（a）表明，單管旋流器由切向入口、直筒段、錐管段、溢流口和底流口組成。兩相分離主要發(fā)生在直筒段和錐管段部分，切向入口為分離提供能量，底流口和溢流口分別回收重質(zhì)相和輕質(zhì)相。圖1（b）所示為多管旋流裝置，整個(gè)裝置由環(huán)形入口分配管、排液腔、集砂腔、旋流管、流量計(jì)、控制閥和控制器組成。其兩相有效分離部分由5根旋流管組成，處理液由環(huán)形分配管均勻切向流入每根旋流管，每根旋流管入口處設(shè)置自動(dòng)控制閥，可改變參與兩相分離的旋流管數(shù)量。多管旋流裝置有流速分配功能，從而保證分離精度。

圖1 單管和多管旋流裝置結(jié)構(gòu)示意圖：（a）單管旋流器裝置，（b）多管旋流裝置，（c）?75 mm 單管網(wǎng)格，（d）?33.5 mm 多管網(wǎng)格，（e）截面選取Fig.1 Schematic diagrams of structures of single-tube/multi-tube hydrocyclone devices：（a）single-tube hydrocyclone device，（b）multi-tube hydrocyclone device，（c）?75 mm single-tube grid，（d）?33.5 mm multi-tube grid，（e）cross section

模型網(wǎng)格劃分采用ICEM 軟件，網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)。為提高網(wǎng)格的計(jì)算精度，對(duì)模型入口、腔壁等湍流強(qiáng)度較大區(qū)域進(jìn)行加密處理，為提升網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光順。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，單管? 75 mm 旋流器和? 33.5 mm 多管旋流裝置分別采用121 萬(wàn)和52 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。兩種裝置網(wǎng)格劃分如圖1（c）、圖1（d）所示。為了直觀地對(duì)旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行分析，選取不同截面處的流場(chǎng)進(jìn)行研究，以底流口為參考截面，分別選取Y1-Y66 個(gè)截面為旋流器研究截面，截面選取如圖1（e）所示。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件

Karimi 等［11］使用各種湍流模型比較了水力旋流器的數(shù)值分析結(jié)果，雷諾應(yīng)力模型（reynolds stress mode，RSM）被證實(shí)可以代表與實(shí)驗(yàn)最相似的結(jié)果。袁惠新和趙立新等［12-13］基于采用RSM湍流模型和離散相模型（discrete phase mode，DPM）對(duì)重質(zhì)相離散砂粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析。本文研究水-砂兩相分離過(guò)程，入口處理液固相的含量較低（10%）。因此，本文采用RSM 模型為湍流計(jì)算模型，并利用DPM 砂粒模型追蹤固體砂粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 速度分布規(guī)律及影響因素：（a）切向速度，（b）軸向速度，（c）徑向速度，（d）入口流量對(duì)切向速度的影響Fig.2 Velocity distribution and influence factor：（a）tangential velocity，（b）axial velocity，（c）radial velocity，（d）influence of inlet flow rate on tangential velocity

邊界條件設(shè)置：采用DPM 砂粒模型，入口為速度入口，溢流口和底流口均為壓力出口。砂粒相速度大小與液相入口速度相同，溢流口設(shè)置為escape（逃逸），底流口設(shè)置為trap（捕捉），旋流器內(nèi)壁為完全反射，湍流強(qiáng)度為5%。壓力-速度耦合方案使用SIMPLEC（半隱式壓力鏈接方程），壓力使用PRESTO（壓力交錯(cuò)選項(xiàng)），采用二階迎風(fēng)方案用于求解器設(shè)置。

2 結(jié)果及討論

為研究各工況對(duì)裝置分離性能的影響，本文通過(guò)改變?nèi)肟诹髁亢蜕傲Ａ綄?duì)其進(jìn)行研究。對(duì)于單管? 75 mm 旋流器，處理量Q 為1～5 m3/h；對(duì)于多管旋流裝置，其處理量Qi波動(dòng)范圍為0.2～1 m3/h。兩者處理的固體砂粒粒徑為1～20 μm。

2.1 速度分布

切向、軸向、徑向速度統(tǒng)稱為流場(chǎng)的3 向速度，圖2 為? 75 mm 單管旋流器不同高度上3 向流場(chǎng)速度分布圖。由圖2（a）可以看出，切向速度隨著旋流器高度的降低，數(shù)值不斷減小，變化規(guī)律與部分學(xué)者研究的結(jié)論一致［14-16］。由圖2（b）可知軸向速度呈對(duì)稱分布，軸向速度有一個(gè)最明顯的特征——軸向零速包絡(luò)面［17］，該面上流體軸向速度為零，面里側(cè)流體為內(nèi)旋流運(yùn)動(dòng)，外側(cè)流體為外旋流運(yùn)動(dòng)，分別從溢流口溢出和底流口流出，軸向速度的分布將會(huì)影響固液兩相在溢流口和底流口的分配，從而影響旋流器的分離效率。如圖2（c）所示，徑向速度分布亦呈對(duì)稱分布，且徑向速度的數(shù)值遠(yuǎn)小于切向和軸向速度，對(duì)旋流器分離性能影響較小。

如圖2（d）所示隨著入口流量Q 的降低，旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的切向速度值降低，入口流速是影響旋流離心力的關(guān)鍵因素。不同入口流量下，旋流管軸線位置附近切向速度幾乎為0，沿著徑向外移，切向速度逐漸增大，在靠近旋流管內(nèi)壁的過(guò)程中達(dá)到峰值，其中切向速度增速隨著流量的增加而增大。

2.2 壓差變化

旋流分離裝置壓降大小直接影響設(shè)備能耗，降低壓降是旋流分離裝置優(yōu)化的一個(gè)重要方面［18-19］。如圖3 所示，當(dāng)旋流器入口流量Q 分別為1、2、3、4、5 m3/h 時(shí)，旋流器內(nèi)部壓力分布規(guī)律。從圖3 中可知，在徑向方向上，旋流器中心處為低壓區(qū)，靠近壁面區(qū)域壓力較高；在軸向上，隨著軸向高度的降低，壓力逐漸降低，靠近底流口處壓力較低，而在溢流口入口處壓力有驟降現(xiàn)象，壓力在直筒段近壁面處最高。隨著入口流量Q 的增加，徑向壓力逐漸提高，但是內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律一致。

圖3 ?75 mm 旋流器壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution cloud diagrams of ?75 mm hydrocyclone

為了進(jìn)一步分析入口流量對(duì)能耗的影響，便于更好地對(duì)比研究單管旋流器和多管旋流裝置的能耗，分別定義單管旋流器和多管旋流裝置壓降率為P1-i、P’1-i。

其中，P1-2、P'1-2分別為單管和多管旋流裝置溢流口壓降率；P1-3、P'1-3分別為單管和多管旋流裝置底流口壓降率；P1、P'1分別為單管和多管旋流裝置入口壓力；P2、P'2分別為單管和多管旋流裝置溢流口壓力；P3、P'3分別為單管和多管旋流裝置底流口壓力。

如圖4 所示，單管旋流器和多管旋流裝置壓降率均隨著入口流量增大而降低。單管旋流器相對(duì)多管旋流裝置溢流口壓降率以及底流口壓降率降幅較快，當(dāng)入口流量Q ≥3 m3/h 時(shí)，壓降率降幅明顯增大，而對(duì)于多管旋流裝置溢流口和底流口壓降率增速基本一致。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可知單管和多管兩類旋流裝置壓降率值相差不大，能耗相當(dāng)。

圖4 壓降率隨入口流量變化規(guī)律：（a）單管旋流器裝置，（b）多管旋流裝置Fig.4 Change rules of pressure drop rate with inlet flow rate：（a）single-tube hydrocyclone device，（b）multi-tube hydrocyclone device

2.3 砂粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 為液固分離時(shí)砂粒在旋流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖?？芍蟛糠稚傲Ｑ匦髌鞅诿孀鱿蛳碌男鬟\(yùn)動(dòng)，從底流口分離出來(lái)，少部分砂粒從頂部溢流口逃出使得旋流器分離效率降低。當(dāng)砂粒直徑d ≤5 μm 時(shí)，砂粒質(zhì)量小，受到的離心力較小，此時(shí)砂粒分布在旋流器內(nèi)腔各個(gè)區(qū)域，更易受到湍流流場(chǎng)波動(dòng)的影響。當(dāng)砂粒分布在外旋流區(qū)域時(shí)，砂粒在離心力和重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，從而被底流口捕獲；當(dāng)砂粒分布在內(nèi)旋流區(qū)域時(shí)，內(nèi)旋流速度方向向上且軸向速度較大，砂粒隨著流體向上運(yùn)動(dòng)，形成夾帶，導(dǎo)致砂粒從頂部溢流管逃逸，降低了分離效率。當(dāng)砂粒粒徑d>5 μm 時(shí)，砂粒相運(yùn)動(dòng)軌跡越來(lái)越規(guī)則且更加靠近旋流器內(nèi)壁，砂粒在離心力作用下迅速聚集到外旋流區(qū)域并向管壁方向運(yùn)動(dòng)，使得砂粒隨著外旋流場(chǎng)向下運(yùn)動(dòng)，從底流口分離，溢流口處鮮有砂粒流出。

圖5 Q =5 m3/h 流量下砂粒軌跡Fig.5 Sand moving trajectory under flow of Q =5 m3/h

2.4 分級(jí)效率

分級(jí)效率ηc是旋流分離裝置分離性能的重要指標(biāo)［20］，定義如下：

其中：ni、n3分別為入口和底流口處砂粒的數(shù)量；fi（d）、f3（d）分別為入口和底流口處砂粒粒徑為d時(shí)砂粒含量。

圖6 為單管和多管旋流裝置不同粒徑d 砂粒的分級(jí)效率ηc變化規(guī)律。由圖6（a）可知，入口流量減少時(shí)，單管旋流器砂粒粒徑在1～20 μm 范圍內(nèi)的分級(jí)效率ηc均降低，同時(shí)，粒徑越大的砂粒分級(jí)效率增長(zhǎng)越快。當(dāng)流量Q 由5 m3/h 逐漸減小至1 m3/h 時(shí)，單管旋流器d =20 μm 砂粒分級(jí)效率ηc由82.3%下降至31.7%，降幅超過(guò)60%；d =10 μm砂粒分級(jí)效率ηc由64%下降至28.1%，降幅約為55%；而d =1 μm 砂粒分級(jí)效率ηc僅由35.4%降低為31.2%，降幅僅為12%。隨著砂粒粒徑d 的降低，分級(jí)效率ηc降幅減少，說(shuō)明流量Q 降低更易影響中大砂粒的分離。此外，當(dāng)砂粒粒徑d ≤10 μm時(shí)，分級(jí)效率ηc曲線較為波動(dòng)，說(shuō)明小砂粒在旋流場(chǎng)中更容易湍流流動(dòng)。

圖6 不同砂粒分級(jí)效率變化規(guī)律：（a）單管旋流器裝置，（b）多管旋流裝置Fig.6 Change rules of different sand classification efficiency：（a）single-tube hydrocyclone device，（b）multi-tube hydrocyclone device

由圖6（b）可見(jiàn)，當(dāng)粒徑d 為20、15、10 μm 的砂粒分級(jí)效率ηc由85.7%、81.1%、72% 下降至74.2%、71.3%、68.5%，降幅分別為13.4%、12%、4.9%?？梢?jiàn)多管旋流裝置不同砂粒分級(jí)效率ηc亦隨著入口流量Qi的降低而減小，降幅也隨著Qi的減少而降低。相對(duì)于單管旋流器，其下降幅度大為降低。當(dāng)入口流量降低時(shí)，多管旋流組能顯著提高中大砂粒粒徑分級(jí)效率ηc，相對(duì)單管旋流器d ≥10 μm 砂粒分級(jí)效率可提高35%。

2.5 分離效率

為了更加直觀地研究單管和多管旋流分離裝置分離效果，對(duì)一定組分的砂粒群的分離效率ηs做對(duì)比研究。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，不同粒徑砂粒組分函數(shù)f（xi）見(jiàn)式（6），其中砂粒含量系數(shù)a、b、c、d、e 分別為

計(jì)算得到單管旋流器和多管旋流裝置的整體分離效率ηs隨入口流量變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 入口流量對(duì)單管和多管旋流裝置分離效率的影響Fig.7 Influence of inlet flow rate on separation efficiency of single-tube and multi-tube hydrocyclone devices

由圖7 知，當(dāng)入口流量由5 m3/h 分別降低為4、3、2、1 m3/h 時(shí)，單管旋流器分離效率ηs分別為63.3%，56.7%，49.9%，36.8%，30.3%；多管旋流裝置 分 離 效 率ηs分 別 為79.1%，73.4%，72.3%，71.1%，69.9%。上述數(shù)據(jù)表明多管旋流裝置分離效率比單管旋流器分離效率ηs更大，更能有效分離水中砂粒。隨著流量的降低，單管旋流器分離效率ηs值迅速減小，當(dāng)流量Q ≤3 m3/h 時(shí)，分離效率ηs<50%，旋流分離器無(wú)法在低流量的情況下進(jìn)行兩相分離，但多管旋流裝置分離效率ηs雖隨Q的降低而逐漸減小，但降幅不大。流量由5 m3/h降為1 m3/h，分離效率ηs僅降低9.2%，其值為69.9%，亦能有效進(jìn)行液固分離。因此，在非常規(guī)油氣田開(kāi)采中，多管旋流裝置能有效避免油氣產(chǎn)能降低而帶來(lái)的分離失效，砂粒依然能有效分離。

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比傳統(tǒng)單管旋流器，分析入口流量、砂粒粒徑對(duì)單管和多管旋流裝置分離性能的影響，可得出以下結(jié)論：

1）單管和多管旋流裝置壓降率P1-i和P’1-i均隨著入口流量Q 降低而增大。單管旋流器底流口壓降率增幅較大，當(dāng)流量Q ≥3 m3/h 時(shí)P1-3增速較大。多管旋流裝置溢流口和底流口壓降率增速基本一致。2 種分離裝置壓降率值相差不大，能耗基本相同。

2）單管和多管旋流裝置不同粒徑d 砂粒的分級(jí)效率ηc均隨入口流量的減小而降低。在單管旋流器中流量Q 降低更易影響中大砂粒的分離。小粒徑d ≤10 μm 砂粒分級(jí)效率ηc曲線波動(dòng)較大。多管旋流裝置分級(jí)效率ηc下降幅度較小，d 為20、15、10 μm 的砂粒分級(jí)效率ηc降幅分別為13.4%、12%、4.9%。當(dāng)入口流量降低時(shí)，多管旋流裝置能顯著提高中大砂粒粒徑分級(jí)效率ηc，相對(duì)單管旋流器d ≥10 μm 砂粒分級(jí)效率可提高35%。

3）隨著入口流量的降低，單管旋流器分離效率ηs值迅速減小，當(dāng)流量Q ≤3 m3/h 時(shí)，分離效率ηs<50%，單管旋流器無(wú)法有效進(jìn)行兩相分離；多管旋流裝置分離效率ηs亦隨Qi的降低而逐漸減小，但降幅不大。流量由5 m3/h 降為1 m3/h，分離效率ηs僅降低9.2%，其值為69.9%，亦能有效進(jìn)行液固分離。