海上生产水处理用紧凑型气浮技术研究

介绍了一种生产水处理用紧凑型气浮技术,基于该技术的处理设备因结构紧凑、性能高效,尤其适用于海上石油平台。现场测试结果表明,该设备采用两级串联能将生产水中的油从2 000 mg/L以上降至20 mg/L以下,总水力停留时间仅为5 min,相较于常规处理设备体积至少减小50%,处理优势明显,值得继续开展产品优化及系列化设计,以加快工程应用进程。     

立式气旋浮装置处理油田采出水的现场实验与应用改进措施

立式气旋浮装置凭借其紧凑、高效的特点在海上油田采出水处理领域得到了广泛应用,但国内围绕该技术的自主研发起步相对较晚,目前仍未推出具有完全自主知识产权的高性能系列化产品。基于自主设计研发的BIPTCFU-Ⅲ-120型立式气旋浮装置工业样机,在南海流花11-1油田的“南海胜利号”FPSO开展了现场实验研究。单因素变化运行结果表明,除油率受分流比、微气泡发生器与气旋浮罐间压差及进水流量变化的影响显著,受注气比、回流比变化的影响较小。稳定运行结果表明,当入口水含油质量浓度在240~400 mg/L之间时,优选组合操作参数下的除油率平均可达85%以上(最高可达91.8%),水出口含油质量浓度可降低到50 mg/L以下。结合工业样机现场实验结果,从工艺流程简化、微细气泡发生、立式罐体结构优化等角度进行了分析探讨,以促进相关技术的国产化进程及推广应用。     

文丘里管式微气泡发生器内单气泡碎化行为的数值模拟

文丘里流道内部流场及气泡破碎过程的正确表征是提升文丘里管式微气泡发生器成泡性能和对其进行结构优化设计的基础和前提。本文借助计算流体动力学（CFD）商业软件ANSYS Fluent中的VOF多相流模型，数值模拟研究单气泡在三维流场中的变形及破碎行为，揭示文丘里流道尤其是扩张段内的流场分布和气泡碎化过程，并对文丘里管式微气泡发生器成泡粒径分布不均匀的原因进行分析讨论。CFD数值模拟结果表明，气泡碎化发生在文丘里管式微气泡发生器的扩张段内，湍流耗散率越大，碎化生成微气泡的粒径越小。扩张段内中心区域的湍流耗散率远小于边壁区域，湍流耗散率径向位置分布的差异将直接导致所生成微气泡粒径分布的不均匀。在轴心线方向上，单气泡由进水管注入时的碎化程度强于由喉管处注入；在径向方向上，单气泡由进水管偏心位置注入时的碎化程度强于由中心位置处注入。进水管内安放带导流叶片的轴向静止起旋元件，不仅可提高扩张段的平均湍流耗散率，降低生成微气泡的平均粒径，而且可以降低径向湍流耗散率的标准差，增强扩张段内径向湍流耗散率的均匀度，进而提高所生成微气泡粒径分布的均匀程度。     

注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析

尽管文丘里管式微气泡发生器的注气口位置会对气泡在文丘里流道内的碎化特征产生直接影响,但迄今缺乏针对性的深入研究。通过可视化实验方法,对比分析了注气口分别位于喉管处（结构1型）和进水管处（结构2型）时的气液流型、气泡破碎特征以及成泡特性。实验表明,气、液相流量对结构1型微气泡发生器内的气液流型影响显著,初始成泡区域随液相流量增加,环状流或泡状流向弹状流转变,而随气相流量增加则由泡状流或弹状流向环状流转变;结构2型微气泡发生器则在此过程中始终为泡状流,其对操作工况的适应范围大于结构1型。在相同工况下,结构1型微气泡发生器的成泡Sauter平均粒径小于结构2型,但随着液相Reynolds数的增大,二者间的成泡平均粒径差值随之减小。分析原因是由于弹状流流型下,延伸至扩张段区域的弹型泡的表面积更大,能量转化率更高,气泡界面失稳碎化的程度更显著。随着液相Reynolds数的增大,初始成泡体积减小,湍流破碎机理作用占据主导,掩盖了由于界面失稳引起的气泡破碎。结构1型微气泡发生器的成泡能耗高于结构2型,并且随液相Reynolds数的增大,两者之间的差值随之增大。综合来看,结构2型微气泡发生器能够在低能耗下实现高效成泡,面向工程应用将更具优势。     

孔板式节流元件后油滴剪切破碎的实验测试研究

围绕界面张力、黏度对孔板后液滴破碎程度的影响及孔板后切向、轴向、均方根速度场与粒径分布场之间的关系进行了实验研究。利用石英玻璃制造孔板节流管,采用高速摄像仪拍摄孔板前油滴并用软件分析确定其平均粒径,采用粒子动态分析仪(PDA)检测孔板后油滴平均粒径分布及各速度场分布。结果表明,分散相黏度和界面张力越大,液滴内部恢复力越大,油滴越不容易破碎;切向速度对液滴破碎程度影响最大。切向速度梯度变化是造成液滴破碎的主要原因,而轴向速度梯度和均方根速度梯度对孔板后液滴破碎影响不大,仅造成液滴的变形。孔板后适度旋流有利于液滴的聚结。     

一种气浮处理用新型溶气释放器的设计研究

提出并设计了一种新型溶气释放器,采用宽流道的整体布局,并配合创新设计的台阶状上盖板、"弧形分流槽+芯体"、压缩弹簧等局部细节,不仅避免流道堵塞,而且显著提高水流的消能降压效果,进而实现低饱和度溶解气的高效释放。该新型溶气释放器可直接用于低饱和度溶解气原水(如油田采出水)的快速释气,并生成气浮处理用微气泡。借助计算流体动力学(CFD)软件对新型溶气释放器的内部流场进行了数值模拟,并与常规溶气释放器对比分析了流场最大湍动能和压降值,结果表明,新型溶气释放器芯体上端采用弧形分流槽结构,优于采用径向分流槽结构。     

T型管内油水分离特性的CFD-PBM数值模拟

目前关于T型管内油水分离特性的数值模拟大多采用Euler-Euler多相流模型,考虑管内油滴粒径分布及其对油水分离特性影响的研究工作尚未见报道。对T型管内的油水两相流动情况和分离特性进行了CFD-PBM数值模拟,并进行了室内实验以验证模拟结果的准确性。结果表明,T型管内油滴粒径随流体流动方向具有逐渐增大的趋势;增大来液中的油滴粒径分布可以有效提高油水分离效率,反之当来液中的油滴粒径较小时,油水两相在T型管内不易分离,相分配比始终与分流比几乎相同;分流比、Reynolds数等操作条件对油水分离效率的影响程度与油滴粒径密切相关,应慎重选取适当的操作条件以保证T型管的油水分离效率。     

BIPTCFU-Ⅲ型旋流气浮一体化采出水处理样机及其在秦皇岛32-6油田的试验分析

介绍了自主研制的BIPTCFU-Ⅲ型旋流气浮一体化采出水处理样机的结构方案和工作原理,对该样机在秦皇岛32-6油田进行的包括单级CFU正交试验和单一变量影响试验、单级CFU连续运行和两级CFU串联连续运行试验结果进行了分析。结果表明:运行调试样机时需要对涉及到微气泡发生器和气液混合泵等设备的一些参数进行合理组合,以力求除油效率最高;当入口污水含油质量浓度在1 700 mg/L左右时,即使不添加任何处理药剂,单级CFU可将含油质量浓度降低到200 mg/L以下,两级CFU串联运行可将含油质量浓度降低到20 mg/L以下;自主研制的样机达到了国内同类产品的先进水平。该样机在秦皇岛32-6油田的成功试验为国内海洋石油工业的增产减污提供了可行的技术解决方案,值得进一步开展工程放大应用研究。     

大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟

目前鲜有关于大处理量气浮装置结构设计研究方面的报道,气浮装置国产化研究进程缓慢。为了解决这 一问题,本文以自主研发的处理量为120m³/h 紧凑型气浮装置为计算模型,采用Eulerian 模型和RNG k-ε 湍流模 型,运用Fluent 对其三维流场进行了数值模拟研究。分别研究了内筒高度、半径间隙及入口管径等结构参数和 含油量、处理量等操作参数的影响,以便考察和优化气浮装置的分离性能。结构参数影响的数值模拟结果表明: 随着半径间隙的减小,除油率先增大后减小;随着入口管径的减小,除油率先减小后增大;改变内筒高度对除 油率的影响较小。操作参数影响的数值模拟结果表明,装置的操作弹性相对较大,对水质水量一定程度的波动 具有良好的适应性。     

基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究

分析讨论了常规欧拉模型和耦合PBM下水力旋流器的静压力、切向速度及湍流耗散率等流场信息分布规律,结果表明在流场预测方面二者基本一致。在此基础上,采用基于PBM模型的CFD数值模拟方法,对水力旋流器的分离特性进行研究,并探究了不同入口流量、溢流分流比、油相黏度及密度等因素对油滴粒径分布以及油水分离特性的影响。结果表明,随着入口流量的增加,水力旋流器的分离效率呈先增大后减小的趋势,在处理量为4 m³/h时达到98%的最高分离效率;溢流分流比的增大有利于提升分离效率;随着油相黏度的增大,油滴受到的径向力减小,不易发生聚结,使分离效率明显降低;油相密度的增大导致尾管段平均油滴粒径的增加,使分离效率明显降低。总体而言,利用CFD?PBM数值模拟方法可以获得水力旋流器内部油滴粒径分布及变化特性,有利于从不同尺度揭示水力旋流器的分离机理。