油水分离水力旋流器分离特性及其软件设计的研究

油水分离水力旋流器是油田地面工程中的一种重要的新型离心沉降分离设备。本文针对不同的物性参数，对油水分离水力旋流器的分离特性进行了研究，并在此基础上运用人工神经网络模型、基于随机过程理论的Monte Carlo模拟以及其它数学模型相结合的方法，进行水力旋流器的软件设计，根据不同的物性参数和分离要求，优化出旋流器的结构参数和操作参数，并给出旋流器的分离效率。 首次采用自行设计的压力缓冲装置对旋流器的边壁油水混合物进行取样，系统研究了水力旋流器中油滴粒径对整个旋流器及旋流器各段分离效率的影响，首次指出旋流器大锥段、小锥段的分离效率均随进口平均粒径的增加而增加，直管段的分离效率则基本不随进口平均粒径的变化而变化。首次探讨了不同轴向高度旋流器器壁油滴粒径变化规律及其影响因素。结果表明，在不发生破碎的正常分离条件下，各边壁油滴的平均粒径沿旋流器的轴线方向逐渐减小，表明旋流器的各段均有一定的分离能力；分流比对旋流器边壁油滴平均粒径的影响不大，油滴平均粒径的变化主要与旋流器的入口流量有关，当入口流量达到一定程度时，旋流器边壁的平均粒径随入口流量的增加而降低，如果入口流量太小，各边壁的平均粒径基本不随入口流量的变化而变化，旋流器的分离效率较低。提高旋流器进口油滴的平均粒径，改进旋流器的锥段结构，选择合适的入口流量都有利于提高旋流器的分离效率。 对旋流器中的压力降及压降比进行了系统分析。结果表明，旋流器的压降比与分流比成线性关系，随分流比的增加而增加。溢流口以及沿轴线各点的压 四川大学博士学位论文 力降均随分流比的增大而增加，且增加的幅度较大，而底流口的压力降随分流 比的增加而变小，但变化较小。整个旋流器以及旋流器各段的压力降均与进口 流量成指数关系变化。在旋流器的压力损失中，进口、旋流腔及大锥段的压力 损失所占的比例最大，且基本不随人口流量的变化而变化；小锥段的压力损失 所占的比例次之，并随入口流量的增大而增大；直管段的压力损失所占的比例 最小，它随入口流量的增大而不断降低。在达到分离要求和生产能力的前提下， 降低旋流器的分流比和入口流量，适当增大旋流器的进日截面积，是降低旋流 器能耗的有效途径。 首次采用改进的BP神经网络模型模拟水力旋流器的分离过程。总结归纳 出三种改进的BP算法，并对网络的结构、算法及激励函数从理论和实践上进 行了分析和讨论。结果表明，用人工神经网络模型来预测油水分离水力旋流器 的结构参数和操作参数是切实可行的，网络的输出结果与实际值相符。通过旋 流器软件中的人工神经网络模拟，实现了旋流器结构参数和操作参数的优化。 对旋流器中的油滴运动进行了随机模拟，在此基础上运用 MOnte Carlo法 预测旋流器的分级效率，并在前人研究的基础上作了进一步的改进，即在随机 模型的建立中，直接采用旋流器分级效率表达式的数学模型，并首次考虑了进 口油滴粒径分布对旋流器分级效率的影响。实验结果表明，软件中 Moflte Carlo 分别与 M T Thew分级效率模型以及 R M L Martns分级效率模型相结合的两 种方法的预测结果都与实际值吻合得较好，用这两种方法来预测油水分离水力 旋流器的分级效率都是可靠的。 本文的研究成果，无论是理论上还是实践上，都对油水分离水力旋流器的 推广应用具有积极的指导意义。