轴入式两级串联旋流器流场分析与性能评估
邢雷1，2 张勇1，2 蒋明虎1，2 高扬3 1.东北石油大学机械科学与工程学院，大庆， 163318 2.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室，大庆， 163318 3.中国石油勘探开发研究院，北京， 100083
摘要：为解决狭长空间内无法实现油水两相介质高精度分离的问题，结合旋流分离理论，设计了一种可实现轴向进液的两级串联旋流器，针对该装置开展内部流场特性及分离性能研究。揭示了不同处理量及分流比对旋流器内速度场、压力场、浓度场以及分离效率的影响规律。结果表明：随着处理量的增大，底流口压降最大值逐渐增大且增长速率逐渐增大，旋流腔内切向速度也逐渐增大；增大一级溢流分流比，可减小环式通道及二级旋流器内的切向旋动能，二级溢流分流比对一级旋流器分离性能影响不大；实验及模拟得出研究范围内一级分流比为20%、二级分流比为15%时分离效率最高，最佳处理量为4.8 m3/h，最佳总分流比为32%；装置对不同流量、不同分流比条件具有较强的适应性，分离效率最高可达99.6%。关键词：两级串联；旋流器；分离效率；流场特性
中图分类号： TQ051.8
DOI：10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.16.006
Flow Filed Analysis and Performance Evaluation on Axis-in Dual-Stage
Tandem Hydrocyclones
XING Lei1，2 ZHANG Yong1，2 JIANG Minghu1，2 GAO Yang3
1.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，
Daqing,Heilongjiang，163318
2.Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Treatment and Pollution
Prevention，Daqing,Heilongjiang，163318
3.Petro China Exploration and Development Research Institute，Beijing，100083
Abstract ： To solve the problems of oil/water separation in narrow spaces might not keep high preci⁃ sion，axis Flow rules of field velocity ⁃ in characteristics dual field，pressure ⁃ stage tandem and separation field，concentration hydrocyclone efficiency was field of designed the and hydrocyclones separation according efficiency to were theory analyzed. influenced of cyclone The by distribution separation. inlet flow rates sure drop and split grows ratios exponentially，tangential were obtained.Results velocity show that increases as the as increasing well；tangential of inlet flow velocity rates，maximum of ring runner pres⁃ and second hydrocyclone are gradually decreased with the split ratio of first hydrocyclone increases. The ef⁃ fects of split ratio of second hydrocyclone in separation efficiency of first hydrocyclone are very little. First hydrocyclone plays main role in separating oil and water，second hydrocyclone plays main role in re⁃ moving oil from water.Research results identify that the best split ratio of first hydrocyclone is as 20%，to the second hydrocyclone is as 15%.The best inlet flow rate is as 4.8 m3 / h，and the best total flow rate of hydrocyclone is as 32%.The axis⁃in dual⁃stage tandem hydrocyclone accommodating to variable process⁃ ing and split ratio completely meets the requirements of practical applications，the maximum separation efficiency reaches 99.6%.
Key words ： dual⁃stage tandem；hydrocyclone；separation efficiency；flow characteristics
引言水力旋流器因其设备小型、分离高效等突出
优点，被广泛应用于石油、化工、环保等多个领域 。水力旋流器的分离性能受结构形式、结构参
［］ 1
数以及分流比、处理量等操作参数影响较大 。
［］ 2⁃5在应用过程中，为了满足不同的处理量及处理精度要求，逐渐衍生出旋流器的并联及串联使用 。
［］ 6 · ·
收稿日期： 2018－04－02
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目（ 2012AA061303）；东北石油大学研究生创新科研项目（ YJSCX2017－019NEPU）
旋流器的并联使用，可以在保障旋流单体处理精度的同时，提高处理量 。旋流器的串联使用，
［］ 7可以在保障旋流器处理量的同时，提高分离精度。随着环保要求的提高，可实现高精度分离的串联旋流器逐渐成为油田、化工、市政等领域所必需的多相介质分离设备。旋流器串联的方式主要有溢流串联和底流串联。以油水分离旋流器为例，溢流串联可以控制油中的含水率，保障出油口的油相处于较高浓度；底流串联可降低底流口水中含油量，从而降低含油污水的处理成本。关于旋流器的串联，部分学者已经开展了相关研究。从连接形式上主要分为两种：一种是两根旋流单体，通过管汇完成一级旋流器底流口与二级旋流器入口的连接，从而实现两级或多级串联；另一种是通过结构设计将两根旋流单体装配成独立的一体化串联分离设备，可简化连接工艺。李枫等 通过试验设计
［］ 8将脱水型与脱油型旋流单体通过管汇串联在一起，用于处理含油体积分数为40%的采出液，可使处理后的低含水的油达到电脱水处理工艺指标，底流低含油的水相满足进入污水处理站的指标。陈德海等 将双锥型旋流器与内锥型旋
［］ 9流器串联在一起，用于处理含油污水，最高污水除油效率可达94%。蒋明虎等 提出将两级串
［］ 10联旋流器应用到采油井筒内，在井下实现高精度的油水分离，并给出了具体的空间布置、上下接头以及液流流道的设计方案。赵传伟等
［ 11⁃13 ］将两根切入式旋流器单体串联，用于实现井下油水分离，并针对分离系统的工艺设计、串联旋流器内的流场特性、一级二级分流比与总分流比的关系、操作参数对分离性能的影响等进行了系统研究，同时开展了相关地面实验，对所得结论进行验证。王羕 针对常规的切入式旋流
［］ 14器因入口处径向尺寸较大，无法下入小井口内实现井下油水分离的问题，提出了一种轴向进液的井下两级串联旋流结构，即通过将传统切向入口的二维布局转化成一维，从而减小径向尺寸，并对其结构参数、过渡形式进行系统的优选设计，该结构的提出使在小井口内实现井下油水分离成为可能。MICHAEL 等 设计了一
［］ 15
种单螺旋叶片式旋流器，用以实现液液分离。DIRKZWAGER 基于气液分离用轴向进液的
［］ 16旋流分离样机，提出了一种用于液液分离的轴流式旋流器，并对其开展试验研究，得出内部速· · 度场分布及分离效率情况。NIEUWSTADT等 依照压力梯度最小化原则提出了一种轴向
［］ 17进液旋流器，并通过流函数法对其压力场进行了计算。HSIAO 等 对比分析了切向入口结
［］ 18构及轴向入口结构旋流器分离性能受其他结构参数变化的影响。但目前关于轴向进液式旋流器的分流特性及分离特性的研究相对较少，轴向进液形式的两级串联器的流场分析，以及通过相应的地面实验等对串联旋流器可行性进行验证的相关研究更是鲜有报道。本文以轴入式两级串联旋流结构为研究对象，对其内部流场特性以及分离性能开展数值模拟及实验研究,揭示串联旋流器内部分离机理并对其可行性进行验证。
1 物理模型及分离原理
轴入式两级串联旋流器流体域模型见图1，由轴向进液的内锥式旋流器通过环式通道与切向进液的双锥式旋流器串联而成，其工作原理见图2。油水混合液首先进入一级旋流器内，经螺旋流道切向加速后进入旋流腔内，在离心力的作用下实现一级油水分离。分离后的富油相由一级溢流口排出，富水相经环式通道进入二级旋流器内进行二次分离。经二级旋流器净化后的水相由二级底流口排出，油相由二级溢流口排出，完成油水高精度二次分离。与常规的单级旋流器相比，轴入式两级串联旋流器是将两种旋流单体通过过渡结构串接，使一级旋流器的底流口排出液进入二级旋流器内进行二次分离，具有径向尺寸小的特点，且可解决旋流器单体分离后的底流口含油浓度高的问题，很大程度上提高了油水分离精度。 1.螺旋流道 2.一级溢流口 3.一级内锥 4.一级底流口
5.环式通道 6.二级入口 7.二级溢流口 8.二级大锥段
9.二级小锥段 10.二级底流管
图1 流体域模型
Fig.1 Model of fluid domain一级旋流器为轴向进液的螺旋入口形式 ，
［］ 19主要结构及参数见图3。二级旋流器为切向进液等截面入口，主要结构及参数见图4。轴入式两级串联旋流器的主要参数及尺寸见表1。
对不同网格水平的模型施以相同的边界条件并进行迭代计算，待收敛后进行网格无关性检验。压力损失是反映旋流器分离性能的重要指标，为此以底流口压降为考核指标，分析网格数对底流压降的影响，得出底流口压降随网格数变化的对比曲线，见图5。可以看出，当网格水平处于Level ⁃ 1、
Level⁃2时，底流口压降较小；当网格水平达到Lev⁃ el⁃3时继续增加网格数，底流口压降受网格变化影响较小。为节约计算成本，最终选用Level⁃3网格进行数值模拟，网格划分情况见图6。 图6 两级串联旋流器网格划分
21
Fig.6 Meshing of dual-stage tandem hydrocyclone
3 模拟参数设置
模拟介质为油水两相，为排除介质物性参数对旋流器流场特性及分离性能的影响，研究过程中设置油水两相介质的密度及黏度均为定值，具体数值参照油田现场某油井采出样液参数设置。其中，连续相为水，密度为998.2 kg / m3，黏度为0.89 mPa · s，离散相介质为油，密度为889 kg /m3，黏度为 1.06 mPa · s，体积分数为2%。入口边界条件为速度入口（ velocity），通过调整入口处的速度vi ，控制入口进液量。计算处理量分别为2.4 m3 / h、3.36 m3 / h、4.80 m3 / h、5.76 m3 / h、7.20 m3 / h（围绕现场应用时3~5 m3/h的处理需求选定）时所对应的入口速度，有
Q = vi A （ 1）
式中， Q为入口流量， m3/h； A为入口过流面积。
为了分析两级串联旋流器内一级分流比及二级分流比对流场及分离性能的影响，在对旋流器进行流体域建模时，采用入口、底流口、一级溢流口及二级溢流口分别命名的方式，并将一级溢流口、二级溢流口及底流口均设置为自由出口（ out⁃ flow），进而实现对一级溢流分流比及二级溢流分流比的控制。数值模拟过程中，一级分流比分别设置为15%、、、20% 25% 30%，二级分流比分别设置为5%、10%、15%、20%，其中，一级分流比及二级分流比均是针对入口的总进液量进行分流的。计算选用压力基准算法隐式求解器稳态求解，湍流计算模型为雷诺应力模型（ Reynolds stress model，RSM），油水两相间模拟计算采用多相流混合模型（ mixture）。SIMPLEC算法用于进行速度压力耦合，墙壁为无滑移边界条件，动量、湍动能和湍流耗散率为二阶迎风离散格式，收敛精度设为10- 壁面为不可渗漏无滑移边界条件。
7，
图8 底流口压降随处理量变化曲线
Fig.8 Curve of underflow pressure drop with different
inlet flow rate
4.1.2 不同处理量下分离性能对比
模拟得到不同处理量时旋流器轴向中心截面油相体积分数分布云图，见图9。可以看出，一级· 1930 · 4 结果分析
4.1 处理量对流场特性及分离性能的影响
4.1.1 不同处理量下压降对比
模拟得到不同处理量时旋流器轴向中心截面压降对比云图，见图7。可以看出，由旋流器入口到底流口压力损失逐渐增大，并于底流口处达到最大值。这说明油水混合液在旋流器内的分离过程中一直存在能量损耗，且底流口处的压力损失要大于溢流口处的压力损失。当处理量较小时，一级旋流器内液流经螺旋流道后压力损失相对较小，环式通道内及二级旋流器内的压降也相对较小。随着处理量的逐渐增大，旋流器内各区域压降均呈现增大趋势，说明旋流器压降随着处理量的变化不断发生改变。模拟得到旋流器的最大压降值随处理量变化曲线，见图8。可以看出，随着处理量的逐渐增大，串联旋流器最大压降呈指数型增长。
旋流器轴心位置油相浓度较高，且油相体积分数最大值随着处理量的增大逐渐增大，二级旋流器溢流口处的油相聚集程度也随入口流量的增大而逐渐增强。
为了对比分析处理量对旋流器分离效率的影响，分别计算不同处理量时旋流器的总效率、一级效率及二级效率。串联旋流器总效率
［］ 1
Mu1 + Mu2
Ez = （ 2）
Mi一级旋流器效率、二级效率效率分别为
Mu1
E1 = （ 3）
Mi
Mu2
E2 = （ 4）
Mi - Mu1
式中， Mu1为一级旋流器溢流口油相质量， mg； Mu2为二级旋流器溢流口油相质量， mg； Mi为旋流器入口油相质量， mg。
按照以上公式计算得到旋流器分离效率随处理量变化的曲线，见图10。一级旋流器的分离效
小，同时出口方向垂直于环式通道壁面，一方面会产生一定的压力损失，另一方面也使切向旋动能减小，进而使切向速度有所减小。液流进入二级旋流器时，切向入口加速了混合液的旋转运动，致使切向速度再次增大。由于液流经环式通道时产生一定的压力损失，致使二级旋流器内切向速度较一级旋流器内切向速度略小。随着一级分流比的逐渐增大，二级旋流器内的切向速度逐渐减小。
不同分流比时S1、S2、S3截面位置的切向速度分布曲线对比见图12~图14。可以看出， S1截面切向速度受分流比影响较小，说明两级串联旋流器内一级旋流器的切向速度基本不随溢流分流比的变化而发生改变。S2、S3截面切向速度随着一级分流比的增大逐渐减小，这是因为入口进液量一定时，增大一级溢流分流比会减小一级旋流器底流出液量，从而使环式通道内的压力减小，切向旋动能减小致使切向速度减小。同时二级旋流器入口流量减小，入口处压力减小，也会导致二级旋流器内切向速度减小。就二级旋流器而言，仅通过切向速度场的分布不能充分反映一级分流比对其分离
图14 不同分流比时S3截面切向速度对比
Fig.14 Curve of tangential velocity with different split
ratios of section S3效率的影响，因为在变一级分流比的过程中，二级入口处的含油浓度也发生变化，入口含油浓度与入口流量会对二级旋流器分离效率产生交互影响。
模拟得出一级分流比对旋流器效率的影响，见图15。可以看出，一级旋流器的分离效率受其自身分流比变化的影响较大，随着分流比的逐渐增大，呈现出先升高后降低的趋势，并在分流比为20%时达到效率最大值。而二级旋流器分离效率受一级分流比的影响相对较小，分流比为25%时，二级旋流器效率达到最大值，但此时一级旋流器效率有所降低，致使总分离效率降低。两级串联的总效率一直保持在97%以上，并于分流比为0.2时达到效率最大值，说明该两级串联旋流器的最佳一级分流比为20%。
图15 分离效率随一级分流比变化曲线
Fig.15 Curve of separation efficiency with different
first split ratios
4.2.2 二级分流比
固定一级分流比f1为20%，调整二级旋流器分流比 f2分别为5%、10%、15%、20%，模拟分析二级分流比对旋流器分离性能的影响规律。一级旋流器溢流口油相体积分数分布对比曲线见图16，二级分流比不同时，油相体积分数基本不发生变化，说明二级分流比并不会对一级旋流器溢流口含油浓度产生影响。二级溢流出口处不同分流比时油相分布对比曲线见图17，可以看出，随着二级分流
图17 二级溢流口油相分布
Fig.17 Second overflow oil-phase distribution比的增大，二级旋流器溢流口油相分布逐渐升高。
模拟得到旋流器的分离效率受二级分流比影响的变化曲线，见图18。可以看出，二级旋流器分离效率受其自身分流比的影响较大，并且随分流比的逐渐增大呈现出逐渐升高的趋势。虽然在分流比为20%时达到效率的最大值，但此时一级旋流器的分离效率有所降低。而旋流器总效率随着二级分流比的逐渐增大，先升高后降低。当分流比为15%时，达到总效率的最大值99.6%。综合考虑串联旋流器的分离性能，最终确定二级旋流器最佳分流比为15%。 5 实验
5.1 实验流程及工艺
加工轴入式两级串联旋流器实验样机，在某采油站选取油井（采出液平均含水率为2%）制定实验工艺，见图19，主要由井口采油树、工艺管汇及串联旋流样机组成。其中，工艺管汇由阀门、电磁流量计、压力表、接样阀及管线构成，用来连接旋流样机及采油井口法兰，并完成入口、溢流及底流流量与压力的计量及调节。旋流器入口连接井口油管，溢流口及底流口分别连接套管两端的法兰，油水分离后均循环至油管与套管间的环空区域，完成采出液的计量、分离及回注。
图19 现场实验工艺
Fig.19 Field experimental process通过调节管汇中的阀门来控制旋流器的进液量分别为 2.4 m3 / h、3.36 m3 / h、4.80 m3 / h、5.76 m3 / h、7.20 m3 / h，通过调节连接溢流管及底流管的阀门来完成对串联旋流器分流比的控制，实验过程中由于无法对一级及二级分流比单独调节，故采用控制总分流比的方法开展研究，总分流比计算公式 为
［］ 20
F = f1 + (1 - f1 ) f2 （ 5）其中， f1及 f2值均为模拟时所对应的参数。计算得出实验时的溢流总分流比分别为24%、、27% 28%、、、、32% 36% 37% 40%，针对以上操作参数开展实验。
5.2 数据处理及结果分析为了减少操作误差对结果准确性造成的不良
· 1933 ·
影响，每个操作参数下取样5组，通过含油分析仪对入口、底流及溢流样液的含油浓度分别进行测量，取5组样液平均值作为最终含油浓度结果，代入下式 计算分离效率：
［］ 1
Mu Cd
Ez = = 1 -( 1 - F ) （ 6）
M1 Ci
式中， Cd为底流口含油浓度， mg/L； Ci为入口含油浓度， mg/L。
入口进液量分别为 2.4 m3 / h、3.36 m3 / h、4.80 m3 / h、5.76 m3 / h、7.20 m3 / h时，旋流器的实验效率与模拟效率对比曲线见图20，可以看出实验值与模拟值拟合良好，拟合度R2为 0.92。结果显示，随着处理量的逐渐增大，旋流器分离效率实验值先升高后降低，且在处理量为4.8 m3 / h时达到效率最大值。由于旋流器入口面积固定，持续增大入口处进液量即增大入口进液流速，湍流作用增强致使采出液出现明显的乳化现象，增大旋流分离难度，从而降低旋流分离效率。综合分析实验结果与模拟结果，得出该旋流器结构最佳处理量为4.8 m3/h，最佳效率实验值为98.4%。 图20 不同处理量时旋流器实验效率与模拟效率对比Fig.20 Comparison of the separation efficiency of experimente and simulation in different
inlet flow rate实验得出分流比与分离效率间的关系曲线见图21。结果显示，分离效率随着分流比的逐渐增大呈现出先升高后降低的趋势。实验值及模拟值均在分流比为32%时达到分离效率的最大值，充分说明轴入式串联旋流器最佳分流比为32%，实验值与模拟值拟合良好。 图21 不同分流比时旋流器分离效率实验值与模拟值对比Fig.21 Comparison of the separation efficiency of experimente and simulation in different split ratios 6 结论
（ 1）数值模拟结果显示，当处理量在 2.4~ 7.2 m3 / h范围内变化时，随着处理量的逐渐增大，轴入式两级串联旋流器的分离效率逐渐升高。而实验过程中随着处理量的增大，分离效率先升高后降低，并于处理量为4.8 m3 / h时达到效率最大值，继续增加进液量会加重乳化从而降低分离效率。
（ 2）通过模拟与实验得出，研究范围内在其他参数都相同的情况下，轴入式串联旋流器一级分流比为20%，二级分流比为15%时分离效率最高；实验结果显示，旋流器分离效率随总分流比的逐渐升高呈先升高后降低的趋势，并于总分流比为32%时达到效率最大值，实验值与模型值吻合良好。
（ 3）串联旋流器最大压降位置在底流出口处，且随着处理量的增加，最大压降值逐渐增大且增长速率逐渐增大。
（ 4）一级分流比的逐渐增大对一级旋流器内切向速度场影响较小，但会减小进入二级旋流器内的液流量，从而使进入环式通道及二级旋流器入口处的压力逐渐减小，致使一级底流管后端区域内的切向速度持续减小。
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(编辑 陈 勇)
作者简介：邢雷，男， 1990年生，博士研究生。研究方向为流体机械及工程，旋流分离理论及应用技术。蒋明虎（通信作者），男， 1962年生，教授、博士研究生导师。获国家专利30余项，出版专著3部，发表论文200余篇。E⁃mail：nepujmh@163.com。