自循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器壓力性能和分離性能實(shí)驗(yàn)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告題 目 學(xué) 院 學(xué) 院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 年級(jí) 級(jí) 指導(dǎo)教師 畢業(yè)教務(wù)處制表畢業(yè)學(xué)生姓名： xx填寫 學(xué)號(hào)： xx填寫 專業(yè)： xx填寫 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 指導(dǎo)教師意見(jiàn)：（請(qǐng)對(duì)論文的學(xué)術(shù)水平做出簡(jiǎn)要評(píng)述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問(wèn)題和不足之處。） 指導(dǎo)教師結(jié)論： （合格、不合格）指導(dǎo)教師姓名所在單位指導(dǎo)時(shí)間畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱意見(jiàn)表 學(xué)生姓名： xx填寫 學(xué)號(hào)： xx填寫 專業(yè)： xx填寫 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 農(nóng)村宅基地測(cè)量技術(shù)研究 評(píng)閱意見(jiàn)：

2、（請(qǐng)對(duì)論文的學(xué)術(shù)水平做出簡(jiǎn)要評(píng)述。包括選題意義；文獻(xiàn)資料的掌握；所用資料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻(xiàn)引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問(wèn)題和不足之處。）修改意見(jiàn)：（針對(duì)上面提出的問(wèn)題和不足之處提出具體修改意見(jiàn)。評(píng)閱成績(jī)合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見(jiàn)。）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱成績(jī) （百分制）： 評(píng)閱結(jié)論： （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯）評(píng)閱人姓名所在單位評(píng)閱時(shí)間論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文農(nóng)村宅基地測(cè)量技術(shù)研究，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻(xiàn)、資料均已明確注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人

3、獨(dú)立完成，不包含他人成果及使用過(guò)的材料。對(duì)論文的完成提供過(guò)幫助的有關(guān)人員已在文中說(shuō)明并致以謝意。本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒(méi)有違反學(xué)術(shù)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范，沒(méi)有侵權(quán)行為，并愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果。 論文作者（簽字）： xx填寫日期：xx填寫年月日題目：自循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器壓力性能和分離性能實(shí)驗(yàn)高飛 周志海 劉杰本文研究將離心機(jī)與水利旋流器特點(diǎn)結(jié)合，采用合理的中心進(jìn)料方式，加工實(shí)驗(yàn)樣機(jī)后，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)優(yōu)化壓力性能，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的工業(yè)機(jī)。利用流體力學(xué)軟件對(duì)工業(yè)機(jī)單相流場(chǎng)數(shù)值模擬，對(duì)旋流發(fā)生部件進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，以供參考。自循環(huán)式;動(dòng)態(tài)水力旋流器;壓力性能;分離性能隨著油田開(kāi)發(fā)深入

4、，石油采出液含沙量不斷增加。水力旋流器表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，某些地層膠結(jié)疏松，含沙量增加導(dǎo)致管閥設(shè)備磨損嚴(yán)重，減少管道流通面積造成管道堵塞。水力旋流器將非均勻相混合物分離，90年代初國(guó)際開(kāi)始采用選分流分離技術(shù)進(jìn)行原油除砂。水力旋流器可用于非均相混合物分離，如固液氣三相分離等，處理細(xì)顆粒雜質(zhì)表現(xiàn)良好分離性能，石油工業(yè)采用旋流分離技術(shù)，可取代龐大低效重力分層流程。旋流分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分離中受壓力波動(dòng)等操作參數(shù)影響大，分離性能有限。開(kāi)發(fā)受操作參數(shù)影響小，卸料方便的新型除砂設(shè)備非常必要。水力旋流器基于離心沉降作用，由靜態(tài)水力旋流器由溢流管、進(jìn)料管等部件組成，分離兩相混合液從進(jìn)料管沿切向進(jìn)入旋流器，輕重兩相

5、密度差使所受離心力與流體阻力不同，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，單個(gè)水力旋流器直徑102500mm，較小的水力旋流器以高壓操作。旋流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。離心機(jī)主要靠轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場(chǎng)使混合物分離，目前廣泛使用的有螺旋卸料沉降離心機(jī)等。離心機(jī)與旋流器各有適用場(chǎng)合，離心機(jī)靠轉(zhuǎn)速產(chǎn)生強(qiáng)離心力場(chǎng)分離，高轉(zhuǎn)速動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高。工程中大量采用靜態(tài)旋流器用于原油油砂分離。通過(guò)開(kāi)發(fā)高效旋流器是主要趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)水力旋流器增加旋轉(zhuǎn)部件，其發(fā)展經(jīng)歷total型，預(yù)旋流型與復(fù)合型階段。目前動(dòng)態(tài)旋流器主要針對(duì)復(fù)合型研究，動(dòng)態(tài)旋流器具有操縱彈性大、進(jìn)料壓力低、分流能力強(qiáng)等特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)旋流器需電能

6、驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。動(dòng)態(tài)旋流器主要向深度分離方向發(fā)展，旋流強(qiáng)度與液滴乳化相互矛盾，固液分離方面向技術(shù)控制自動(dòng)化方向發(fā)展，如進(jìn)口壓力、分離精度等參數(shù)在給定范圍內(nèi)可自動(dòng)控制設(shè)計(jì)滿足工藝要求。動(dòng)態(tài)水力旋流器依靠旋轉(zhuǎn)葉輪旋流，設(shè)計(jì)葉輪式動(dòng)態(tài)旋流器采用切向進(jìn)料式，入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大。表明切向進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器進(jìn)料方式不合理，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)料結(jié)構(gòu)，使進(jìn)料位置位于葉輪正中心，由于進(jìn)料口位于壓力最低葉輪中心低壓真空區(qū)，動(dòng)態(tài)水力旋流器具有自吸性。旋流器入口壓力隨葉輪轉(zhuǎn)速增大降低，葉輪轉(zhuǎn)速一定，底流流體可回到入口形成循環(huán)。葉輪是旋流發(fā)生部件，常用葉輪有渦流板式與直板式，直板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，葉片長(zhǎng)

7、度較大，可在葉輪邊上產(chǎn)生較大切向速度。渦流板式葉輪結(jié)構(gòu)源于離心泵葉輪結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)升壓與升速關(guān)系。壓力性能為循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器的重要研究指標(biāo)，研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較直板式葉輪旋流發(fā)生器性能，發(fā)現(xiàn)直板式葉輪自吸性差。渦流板式葉輪是旋流發(fā)生部件，要求葉輪具有良好自吸性。葉輪理論壓頭由動(dòng)靜壓頭組成，前彎葉片動(dòng)壓頭提高大于靜壓頭，渦流板式旋流發(fā)生器葉片采用后彎式。依據(jù)離心泵葉片參數(shù)改變?nèi)~輪參數(shù)設(shè)計(jì)葉輪，高度為20-120mm，入口安放角為0-90。循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器旋流腔尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，靜態(tài)旋流腔重要結(jié)構(gòu)參數(shù)有溢流口與底流口直徑。柱段高度影響旋流器分離粒度，增大柱段高度可減小分離粒度，標(biāo)準(zhǔn)旋

8、流器選用較短的筒體。溢流口直徑影響旋流器生產(chǎn)能力與產(chǎn)物分配。溢流口直徑增大造成細(xì)顆粒進(jìn)入溢流管。設(shè)計(jì)選用溢流口直徑大小不同的溢流管實(shí)驗(yàn)。底流口直徑減小導(dǎo)致溢流顆粒變粗，底流口直徑影響壓力分布，設(shè)計(jì)選用不同底流口直徑實(shí)驗(yàn)。進(jìn)料結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)旋流器最大特點(diǎn)，有效減小入口壓力才能提高入口壓差，使底流口部分流體進(jìn)入入口產(chǎn)生循環(huán)。為研究循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器性能，建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)由供液?jiǎn)卧?、?shí)驗(yàn)機(jī)單元等組成。系統(tǒng)流程圖案工業(yè)使用流程設(shè)計(jì)，大部分砂水從底流口進(jìn)入集砂罐，葉輪轉(zhuǎn)速一定使底流壓力大于入口壓力，集砂罐內(nèi)循環(huán)水帶動(dòng)砂子流動(dòng)，集砂罐內(nèi)聚集砂會(huì)進(jìn)行排砂。公冶丹元由水箱、離心管道泵等組成，采用兩個(gè)離心泵

9、并聯(lián)方式，供液流量變化范圍為0-45m3/h，實(shí)驗(yàn)中料液晶旋流器后回到水箱。研究動(dòng)態(tài)水力旋流器性能需測(cè)量相關(guān)流量，轉(zhuǎn)子流量計(jì)安裝在溢流管控制閥后，壓力表安裝在水力旋流器入口處，測(cè)量壓力值研究旋流器壓力性能。分離與壓力性能是動(dòng)態(tài)旋流器的重要指標(biāo)，研究性能需進(jìn)行壓力性能試驗(yàn)。用清水進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋流器壓力性能實(shí)驗(yàn)，找到壓力差與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系;研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力性能的影響，找到滿足壓力性能合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。綜合壓力性能試驗(yàn)，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)旋流器改造優(yōu)化。動(dòng)態(tài)水力旋流器現(xiàn)場(chǎng)正常工作，需保證旋流器在分流比工況下工作。研究溢流壓差為減少旋流器能量損失，旋流器除砂增大溢流壓差為后續(xù)工藝提供能量。

10、旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力與分離性能有很大影響。通過(guò)改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加底流壓差，增大底流壓差為保證旋流器在分流比工況下工作，底流壓差大于0產(chǎn)生底流回流滿足工藝要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)是找到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在25Hz產(chǎn)生回流，頻率過(guò)高增大葉輪摩擦。調(diào)節(jié)流量在30，40m3/h時(shí)分析底流壓差與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。葉輪高度是重要的參數(shù)值，葉輪高度增大加大流體能量損失。葉輪高度為60，80，100mm考察對(duì)變流的影響。葉輪高度為100mm，底流壓差隨頻率先減小后不變。底流壓差應(yīng)隨頻率增大，表明葉輪高度為80mm不合理。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器分離性能產(chǎn)生影響，通過(guò)改變旋流

11、器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加分離效率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)目的使旋流器分離性能在電機(jī)轉(zhuǎn)速為25Hz時(shí)保持高效。電機(jī)頻率過(guò)高增大葉輪摩擦，調(diào)節(jié)流量在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分析分離效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。確定工業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)要綜合考慮壓力分離性能的影響，必須根據(jù)實(shí)際需要取舍，溢流管入口直徑為109mm，不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)要求。葉輪直徑增大到160mm底流壓差減小。后期匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片入口安放角為90度葉輪壓力性能與16度相當(dāng)，葉輪入口安放角增大可改善壓力性能。研究操作參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，將工業(yè)機(jī)用于材油混合物分離?？疾煨髌鞯琢鲏翰铍S電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，電機(jī)工作頻率取20，30，40Hz。

12、不同流量下溢流壓差隨頻率增大，原因是葉輪轉(zhuǎn)速增大，中心進(jìn)料口處壓力降低，葉輪對(duì)流體做功增多，使得葉輪出口處揚(yáng)程損失增大。底流壓力值增大，頻率在30Hz以上，溢流壓差大于0。選取分流比10%，流量為20，30，40m3/h考察電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響。繪制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)修正分離效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。分離效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，原因是葉輪出口處流體切向速度增大，頻率增大到35Hz，分離效率曲線斜率較大。頻率增大到45Hz分離效率曲線變化緩慢。原因是電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，葉輪離心力滿足固液兩相分離。提高電機(jī)轉(zhuǎn)速流體湍度增加，分離效率增長(zhǎng)緩慢。頻率35Hz是合理的電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率，頻率增大到40Hz分離效率增加到98%

13、。電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率25Hz合適。選取分流比為10%，流量為20，30，40m3/h，繪制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下分離效率變化曲線。不同電機(jī)轉(zhuǎn)速及流量下的回流量表1所示：分離效率隨流量增大減小，流量決定分離物料在旋流器內(nèi)停留時(shí)間，有效分離沉降時(shí)間變短，流量增大增加流體湍流度。流量增大到40m3/h分離效率曲線變化緩慢。電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為35Hz分離效率降低不到2%。表明分離效率隨流量變化不大。實(shí)驗(yàn)中選取30Hz電機(jī)頻率考察分流比對(duì)分離效率的影響，繪制分離效率與分流比變化關(guān)系曲線。分離效率隨分流比增大，溢流口排走流量減小，減小溢流口排出砂增大分離效率。旋流器在一定分流比變化內(nèi)保持高效，有的工藝不能僅靠增大分流比提高

14、分離效率，可增大分流比提高分離效率。油田現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)不同比例水砂混合分離，按生產(chǎn)要求配置三相混合物進(jìn)行分離效率實(shí)驗(yàn)。油水相界面張力影響分離效率。材油為加油站00號(hào)，砂濃度為3g/L，實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組為200L水與100L材油;第二組為200L水與200L材油。測(cè)定頻率為30Hz混合物分離效率。兩張濾紙上為入口130ml取樣含沙量。油水混合物經(jīng)離心泵高強(qiáng)度剪切后乳化，油水混合物在旋流器內(nèi)，油水相旋流器中心通過(guò)溢流管排出。溢流口取樣濾紙無(wú)砂，分離效果明顯。工業(yè)機(jī)對(duì)油水砂混合物分離效果滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。CFD是建立在經(jīng)典流體力學(xué)基礎(chǔ)上的學(xué)科，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬，模型試驗(yàn)

15、是研究流體力學(xué)的主要手段，研究方法相互補(bǔ)充推動(dòng)流體力學(xué)學(xué)科發(fā)展。數(shù)值模擬優(yōu)點(diǎn)是高效性，采用CFD法對(duì)工業(yè)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。目前廣泛采用時(shí)間平均法考察湍流脈動(dòng)的影響。計(jì)算流體力學(xué)常用湍流數(shù)值模型有大渦模擬、直接數(shù)值模擬與Reynolds時(shí)均方程模擬法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)特點(diǎn)，選用RNGk-湍流模型，由于中心進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器帶有旋轉(zhuǎn)葉輪，動(dòng)態(tài)水力旋流器模擬是計(jì)算區(qū)中包含可動(dòng)部件，F(xiàn)LUENT計(jì)算軟件中可動(dòng)區(qū)域模型包括混合平面模型、多參考系模型。動(dòng)態(tài)水力旋流器模擬是流動(dòng)過(guò)程穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用MRF模型。FLUENT多參考系特征執(zhí)行，每個(gè)子域相對(duì)慣性可能是旋轉(zhuǎn)或平移，子域的控制方程擴(kuò)散相所需鄰子域速度值，

16、向所考慮子域提供相鄰區(qū)域正確值。采用前處理軟件Pro/E建立模擬物理模型，由于動(dòng)態(tài)水旋流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則，需對(duì)流體域內(nèi)有效劃分，每個(gè)區(qū)域間界面設(shè)定interior邊界條件。旋流分離器內(nèi)含砂量低于2%，通過(guò)連續(xù)單相流場(chǎng)模擬反映流場(chǎng)情況，整機(jī)迭代計(jì)算監(jiān)測(cè)迭代殘差，流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)可進(jìn)行分析。葉輪是動(dòng)態(tài)旋流器旋流發(fā)生部件，葉輪處流體壓力場(chǎng)影響旋流器壓力性能。葉輪出口旋流器壁面區(qū)域有大的壓力梯度，葉輪中心位于絕對(duì)低壓區(qū)，使葉輪具有良好自吸性。葉輪出口到旋流器壁面區(qū)域速度分布均勻，葉片中心處看不到箭頭方向，原因是空心進(jìn)料軸內(nèi)流體方向?yàn)榇怪比~片輪橫截面。葉輪中心流體速度最小為2.7m/s，壁面附近流體速度為12

17、m/s，旋流流速可提供足夠離心強(qiáng)度。通過(guò)改變有葉輪入口安放角參數(shù)模擬，發(fā)現(xiàn)增大到90度后減小入口壓力。綜上所述，研究通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)其壓力分離性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究得出：（1）通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的壓力性能進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減小葉輪的直徑、增大溢流管徑可有效增大底流壓差。（2）工業(yè)機(jī)壓力性能良好，電機(jī)速動(dòng)頻率為20Hz時(shí)產(chǎn)生底流回流，電機(jī)轉(zhuǎn)速為25Hz時(shí)回流量為2.6m3/h，工業(yè)機(jī)分能性能保持高效，旋流器分離效率在93%以上。（3）設(shè)計(jì)循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該數(shù)值模擬結(jié)果基本可以指導(dǎo)實(shí)際離心

18、機(jī)與水利旋流器的工作，進(jìn)而優(yōu)化工業(yè)機(jī)性能。1 遆王強(qiáng).海洋天然氣水合物流化開(kāi)采井下旋流器設(shè)計(jì)D.上海：華東理工大學(xué)，2020.2 呂進(jìn)，康勇，王澤鵬，等.油田油水分離技術(shù)及設(shè)備研究進(jìn)展J.石油化工設(shè)備，2019（5）：69-75.3 劉慶超.高粘度原油對(duì)井下旋流器分離性能影響規(guī)律研究D.大慶：東北石油大學(xué)，2019.4 周運(yùn)志.溢流增壓動(dòng)態(tài)水力旋流器數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究D.大連：大連理工大學(xué)，2012.5 任帥.自增壓型動(dòng)態(tài)水力旋流器的性能研究D.大連：大連理工大學(xué)，2011.6 張晟.自循環(huán)式動(dòng)態(tài)水力旋流器壓力性能和分離性能研究D.大連：大連理工大學(xué)，2010.GAO Fei， ZHOU Zhihai， LIU Jie（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei? 065000）In this paper the chara