【论文摘要】由动力源、单旋体及进/出液口等组成的动态水力旋流器，作为油水混合液的处理装置，在电动机的带动下高速旋转，内部液流迫旋切向速度高，能够提高油水分离效率。同静态水力旋流器比较，动态水力旋流器切向速度的最大值在主直径方向半径的三分之一处，并且以最大值为界，形成两个涡，即外部为自由涡，内部为强制涡，是一种组合涡的结构。轴向速度的特点是液体在器壁附近和核心处各有一个高速的轴向速度区，而在二分之一半径附近却存在一个很低的轴向速度区。为了深入研究动态水力旋流器的性能和机理，设计了一种能够模拟现场工况的、流程多变的试验装置——动态旋流分离试验台。
Dynamic hydrocyclone and its test bed.
Li Feng,Zhao Lixin,Wang Zunce,et al.
(Daqing Petroleum Institute,Anda City,Heilongjiang Province)
The working principle and advantages of dynamic hydrocyclones were introduced.Their velocity field was analyzed.Comparison between the dynamic cyclone and static cyclone shows that the former has higher separation efficiency,To make a further investigation in the performancer and mechanism of the dynamic hydrocyclone,a test bed were prsented.The flow chart,structural parameter,structure of the main body and the characteristics of the test bed were presented.
Subject Concept Terms:dynamic hydrocycline test bed separation efficiency velocity field performance test
目前在常规水处理方面，静态水力旋流分离系统由于能够简化地面工艺流程，减少产出水往返循环，在油田上已逐步得以推广应用。但在聚合物驱采出水处理方面，静态水力旋流器极限分离效率一般低于80%，自旋液流切向速度较低，很难提高油水混合液的分离效率。而动态水力旋流器因迫旋切向速度高，能够使不互溶的复杂液体混合相（例如既有油包水或水包油，又有聚合物包水或聚合物包油的预处理后污水）得到较好的分离，因此在大庆油田和其它一些油田都开始受到重视。国外也非常重视动态旋流器的研究工作，法国首先制造的工作化样机开辟了动态旋流器的先河，满意的试验效果［1］（入口含油100～6000ppm时，出口水中含油均小于48ppm）为进一步发展动态旋流器奠定了基础。
动态水力旋流器
1.动态水力旋流器原理
图1是动态水力旋流器原理图。
从图1可以看出，动态水力旋流器分离机理是，油水混合液沿轴向低速进入旋流器，混合液在旋转外壳的带动下，产生旋转运动，靠与外壳间的摩擦带动产生一个自由涡速度分布，在离心力作用下，水相运移到边壁处，由侧面孔排出，油滴则被迫向中心运动，并形成一个稳定的油核，由中心孔排出。
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图1 动态水力旋流器原理图
2.动态水力旋流器的优缺点
动态水力旋流器作为旋流分离技术的一个新的分支，具有静态水力旋流器所不具备的优点。它一方面使旋流分离技术提高到一个新的水平，另一方面为旋流技术的发展提供了新的思路。
动态水力旋流器与静态水力旋流器相比，具有以下优点：
（1） 动态水力旋流器的旋流腔借助外部动力产生高速旋转，转速比静态水力旋流器高几十倍，油滴在旋流腔内被充分分离，极大地提高了旋流器的分离效率；
（2） 由于动态水力旋流器不是靠液体自身的运动造旋的，故对来液压力及流量的要求不严格，有利于现场操作；
（3）旋流转速的提高，加大了不同相质的离心力差值，有利于密度差较小的两种不互溶液体的分离。
当然，动态水力旋流器也存在以下缺点：
(1) 外壳转动，造成固体颗粒在边壁的积聚，易产生污垢；
(2) 结构复杂，外壳的转动必须依靠电动机等动力源。
3.速度场研究
(1)切向速度场 利用激光测速仪通过透明有机玻璃单旋转体测量动态水力旋流器的流态，测出的切向速度分布如图2所示。可以看出，其最大切向速度vmax在主直径方向半径Ro的三分之一处。以vmax为界，分为两个涡流区，外部为自由涡，内部为强制涡，是一种组合涡的结构。这一点与静态旋流器相似［2，3］，但又有所不同。图3是静态水力旋流器与动态水力旋流器切向速度场的比较。 |
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图2 动态水力旋流器切向速度分布
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图3 切向速度场的比较
从图3可看出，动态水力旋流器的最大切向速度峰值更高，即涡流场的强度增强；强制涡区域加大，rm>r′m；边界切向速度不为零。另外，当沿轴向变化时，切向速度分布基本不变，如图4所示。这说明外壳旋转改善了涡流场的强度分布，没有出现切向速度衰减现象。 |
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图4 不同轴向位置切向速度的分布
(2)轴向速度场 动态水力旋流器的轴向速度分布如图5所示。可以看出，它与静态旋流器［4,5］相比有如下特点：
①液体在器壁附近有一个高速的轴向速度区，而在器壁上存在一个轴向速度很小的薄边界层；
②在核心处也存在着一个高速的轴向速度区，但由于这种旋流器入液流与排出液流的方向一致，所以核心处液体的轴向速度与外壁附近液体的轴向速度方向一致；
③在二分之一半径附近存在一个很低的轴向速度区，类似一般静态水力旋流器的零轴向速度轨迹面（LZVV）。
从图上还可看出，与静态水力旋流器相比，核心处在半径相对较大的范围内有较高的轴向速度，使核心处的液体较为迅速地沿轴向运动。
从以上的分析可以看出，动态水力旋流器的分离效率显然比静态水力旋流器的高。 |
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图5 动态水力旋流器轴向速度分布
4.现场试验
笔者率先在国内研制出了动态水力旋流器，并针对聚合物驱采出液进行了相关的现场试验。试验样机直径为100mm，外壳旋转速度为1400～2800 r/min。外壳转速足够大时，旋流器处理量最大可达15m3/h。试验站采出液中聚合物含量为400ppm左右。试验工艺流程及试验数据在文献［6］中已有介绍。试验时采取有泵增压和无泵增压两种方式进行，并用变频器调节电动机转速，使旋流器分别在不同转速下运行，以试验其分离特性。试验取得了令人满意的结果。
为了进一步研究和分析动态水力旋流器流场分布以及分离效率与压差、流量的关系，寻找动态水力旋流器对不同介质在不同参数下的最佳分离效率，笔者设计了一套较为完善的动态水力旋流器试验装置。
动态水力旋流器试验台
1.试验流程
试验流程如图6所示。试验流程中采用多台泵的目的是针对某一介质，考察不同泵对分离效率的影响，从而建立泵类与介质之间经济高效的对应关系。 |
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图6 动态水力旋流器试验流程
注油泵有两种注油方式，一种是泵前，一种是泵后。通过对比这两种情况，能够比较清楚地说明乳化对分离效果的影响程度。静态混合器配合泵后注油使用，可以比较两种注油方式的乳化程度，模拟现场工况。带动单旋体旋转的电动机先经变频调速器调速，目的是确定动态旋流器的最佳转速。
在泵前、泵后、旋流器的进/出口分别有取样口，以对各点介质的含油、乳化程度（粒径大小）等进行监测研究。
2.试验台结构参数范围
能在该试验台完成指定试验的单旋体参数可调范围为单旋体（有机玻璃制成）长度300～3000mm；单旋体有效直径50～500 mm；电动机转速0～3000r/min。
3.试验台主体——单旋体的结构原理
图7是试验台结构原理图。 |
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图7 试验台结构原理图
1—入口；2—入口机械密封；3—单旋体；4—胶带轮；5—出水口；6—底流机械
密封；7—出油口；8—底口支座；9—电动机；10—导轨；11—入口支座
试验台主要有以下特点：
(1)单旋体两端采用止口法兰连接，可以实现不同旋体的换接；两端支承通过T型螺栓固定在两导轨中间的凹槽内，又可以适应旋体长度的变化；
(2)底流部位止口法兰处，可改变内部流道形式，从而可获得最佳底流口径与溢流口径的匹配关系；
(3)入口部位的止口法兰处，可以改变内部旋转栅形式，尽可能减少旋转同步栅对液流的剪切。
该系统装置的良好配置以及其多变性和扩充性，能够很好地完成现场应用装置的室内模拟及优化，并为动态水力旋流分离机理及分离性能的深入研究提供了试验手段。
黑龙江省自然科学基金资助项目,项目编号E9928.
李枫,讲师,生于1969年,1992年毕业于大庆石油学院机械系,现主要从事流机械设计及理论研究工作.地址:(151400)黑龙江省安达市.电话(0459)4653403.
李枫（大庆石油学院机械系）
赵立新（大庆石油学院机械系）
王尊策（大庆石油学院机械系）
蒋明虎（大庆石油学院机械系）
张东旭（大庆石油管理局）
陈东辉（大庆石油管理局）
参 考 文 献
［1］Gay J C，Triponey G，Bezard C，et al.Rotary Cyclone Will Improve Oily Water Treatment and Reduce Space Requirement/Weight on Offshore Platform.SPE 16571
［2］蒋明虎，王尊策，赵立新等.旋流器切向速度测试与分布规律分析.石油机械，1999,27(1):20～23
［3］蒋明虎，王尊策，李 枫等.结构及操作参数对旋流器切向速度场的影响.石油机械，1999,27(2):16～18
［4］蒋明虎，王尊策，李 枫等.旋流器轴向速度分布规律.石油机械，1999,27(3):17～19
［5］赵立新，蒋明虎，李 枫等.结构及操作参数对旋流器轴向速度场的影响.石油机械，1999,27(4):11～13
［6］贺 杰，陈炳仁，蒋明虎等.注聚采出水分离用动态水力旋流器特性研究.石油机械，1998，26（7）：24～26 |
