采油厂污水罐淹没水射流冲砂数值模拟及现场实验研究

采油厂污水罐淹没水射流冲砂数值模拟及现场实验研究

杨风斌 1 　蒿秋军 2　李娜 3　胡志刚 4

1.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂； 2. 胜利油田注汽技术服务中心孤岛注汽项目部； 3.中国石化胜利油田分公司桩西采油厂； 4. 孤东采油厂

摘要: 采油厂开采处于中后期的油井，采出的原油携带泥沙较多，致使污水罐底部积累大量油泥，采油罐有效容积减小。传统人工清罐方式操作强度大、费用高、周期长、安全系数低。为此研究一种淹没水射流冲砂清洗方法，通过该方法对淹没水射流进行理论分析，并利用 Fluent 进行了淹没水射流喷嘴的流场仿真，对喷嘴的类型、直径、收缩角和长径比进行优选。仿真及现场实验结果证明该方法清洗效果良好，冲砂距离较大。实验的成功为淹没水射流整体装置开发提供了有力的支撑。

关键词：污水罐；淹没水射流；喷嘴；Fluent

引言

本文研究的射流形式是利用增压泵加压后的水流冲击油泥的射流的过程，通过对淹没水射流喷嘴的理论化分析，同时采用模拟仿真对喷嘴的实验参数进行了确定。根据理论分析及仿真分析形成喷头的图纸，并经机床加工喷头及淹没水射流装置，孤东采油厂进行了冲砂实验，通过声呐测深仪获取了实验数据结果，得出符合工况的最佳喷头参数。

1. 理论分析

喷嘴为常见的锥直型结构，考虑其本身具有极好的对称性，故可将计算简化为二维数学模型问题进行求解。

根据机械能守恒原理，忽略喷嘴出入口两点间的高度差，由伯努利方程可推导出式(1-1)，同时射流流动满足连续性方程:

(1-1)

(1-2)

式中: 喷嘴入口截面压强 ; 喷嘴出口截面压强 ； 喷嘴入口截面平均流速 ； 喷嘴出口截面平均流速 ； 喷嘴入口截面面积 ； 喷嘴出口截面面积 ; 水体密度 。

因整个喷嘴内部结构均为圆管形，故由式(1-1)、(1-2)可推导出:

(1-3)

式中； 喷嘴入口直径 ; 喷嘴出口直径 ;水体密度设为 ，且淹没环境下(水深 )的围压不足 ，远小于射流泵压，故计算中可忽略 的影响。针对喷嘴结构尺寸而言， 数值太小(约等于0)。故可简化得到喷嘴出口射流冲击速度的理论计算公式:

(1-4)

己知射流速度，可由 计算处射流流量，即射流流量等于射流出口速度乘以喷嘴出口截面积，即：

(1-5)

理论射流流量 。

由于射流冲击对象是油罐底泥，就是利用射流的高聚能特点，集中能量于油罐底泥，从而使得油泥的液化与破碎进程加速，有效提高油罐底泥的清洗效率。而由上式分析知喷嘴打击力与出入口直径、收缩角、圆柱段长度有关。因此，喷嘴的打击力是结构优化设计的一个重要指标。在约束条件下喷嘴输出的打击力达到最大是优化的目标，其目标函数为：

(1-6)

其中

分析喷嘴结构参数模型，一个最大难题是：如何确定合适的收缩角 ，喷嘴直径 ，长径比 数值，在相同能量输入的情况下，喷嘴的能量输出最大。传统解决办法是根据经验反复试算，最后试验确定。首先为每个参数值确定使输入能量与输出能量之差朝减小的方向变动，参数值可不断地变化，以此来发现一组使输入能量与输出能量之差最小的参数数值组合。但是试算法很难找到一组真正能使输入能量与输出能量之差达到最小的数值，收敛速度和精度通常达不到实际要求。可以应用自适应人工粒子群算法对喷嘴结构参数模型参数 优化求解，求出精确优化参数组合，再通过实验验证参数组合，而后计算出精确参数约束条件，如此设计的喷嘴结构参数模型为最佳模型。

二、淹没水射流数值模拟分析

2.1　模型建立：

油砂清洗作业从传统的人工清洗到机械化，射流清洗是油泥清洗的一种常用技术，本文所研究的污水罐清砂沉积射流装置，整个射流的作业环境是处于淹没状态下的。射流喷嘴水平布置于罐底。几何模型结构示意图如图2.1所示。

图2.1　几何模型结构示意图

2.2　网格划分：

网格划分是模型计算的基础，网格质量的好坏直接影响数值模拟计算的质量和精度。ANSYS ICEM CFD 有着强大的网格划分功能^[14]，可进行几何建模、网格编辑等功能。本文采用ICEM进行数值模型的建立与网格划分。

图2.2　几何模型网格划分图

2.3　相关参数的设置：

在对罐内的油砂进行射流冲击作业的过程中，初始条件通常表现为：水和油砂两种组分假设以分层的形式填充于整个地下储库，且在重力作用下，密度较大的油砂相位于地下储库的底部，油泥上部填充水。设置主项为水，次项为油。喷嘴出口作为流场入口，入口边界条件定义为速度入口；出口定义为自由出口；喷嘴及壁面边界条件设置为墙体边界条件。本文所研究的水和油砂均为不可压缩流体。选用收敛性好精度高的压力基求解器（Pressure-based）；罐内流动为各向同性湍流，湍流域采用标准

k-ε双方程模型进行计算；由于该模型是为了模拟流场内部水对油砂的冲击情况，存在水相和油砂相的相互作用及分流，在多相流模型中，Eulerian可用于模型中的每一项，故本模型采用Eulerian模型；控制方程的离散方法采用计算量相对较小、计算速度快的有限容积法，流相采用延迟修正的差分式离散，扩散相采用一阶迎风差分格式，压力和速度耦合釆用SIMPLE压力修正法求解。

三、 结 论

（1）本文通过对喷嘴的仿真模拟，完成了对喷嘴参数的选择和范围缩小，然后进行了实地实验来确定了最佳的喷嘴参数。

（2）淹没水射流装置仿真及现场试验方案结果：

① 通过Fluent软件分析，对比分析不同水射流喷头参数，选取参数为收缩角为 、长径比 、直径分别为24和 的圆柱形喷嘴作为实地实验参数。

② 口径喷嘴冲砂的极限距离为 ， 口径喷嘴冲砂的极限距离为 ，喷嘴结构的较为微小的改变促使冲砂距离提升 。

（3） 通过实验验证了理论仿真结果的正确性，理论、仿真结果与实验结果相吻合，整个设计与分析方案为工程设计提供了有利参考。

参考文献：

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2. 杜秋影 . 储油罐机械清罐高压喷射数值模拟 [D].大庆: 东北石油大学, 2016.

DU Q Y. Numerical simulation research of high pressure jet in machinery cleaning of Storage tanks[D]. Northeast Petroleum University, 2016.

3. 赵琳, 刘国荣, 姚凤灵等. 油罐清洗技术的发展现状[J]. 过滤与分离，2015, 25 (4) : 43－46.