CN103016469A - 一种涡流装置及其在高含水原油输送中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡流装置及其在高含水原油输送中的应用，利用起旋器不加热输送高含水原油，油水两相流经过静止的起旋器，产生切向流速并利用自身密度不同在管道内形成水膜环流动，原油因被水层所包围而不再沉积于壁面，可以减少沿程阻力损失使运输更加通畅，并节约传统方法中用于对油水混合物进行加热的耗能和减少温室气体排放。本发明结构简单、利用管道自身的能量，无需加热实现原油集输的目的，节约了能量，大大提高了经济效益。
Description
技术领域
本发明属于原油集输工艺技术领域，特别涉及一种涡流装置及其在高含水原油输送中的应用。
背景技术
原油集输就是把分散的油井生产的油气收集、输送和处理成合格原油的过程。现阶段，我国新老油田产出的原油多具有高凝点、高粘度等特点，平均综合含水率已达86.0%，且高含水老油田的产量占国内总产量的70%。为了保证原油的正常集输，通常需要对原油进行加热，传统集输工艺的加热、泵功等集输成本已占到原油产量的30%，节能减排压力巨大，其效率和经济性都有待提高。
旋流器主要应用于相分离及强化换热领域。在气液分离器中，气液混合物经过旋流器后形成旋流，密度相对较大的液体被甩到壁面上形成液膜排出，在发生相变的换热器中，气液两相流经过旋流器后，液体被甩至壁面形成连续的液膜，从而延迟了换热器干涸的发生，提高换热器换热性能及安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡流装置及其在高含水原油输送中的应用，该涡流装置成本低廉，安装维护方便，流动阻力低，能够实现原油的非加热集输。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种涡流装置，包括固定于集输管道内的起旋器，所述起旋器包括导流柱以及排布于导流柱上的旋流叶片，导流柱与集输管道呈同心圆柱结构；在起旋器的作用下，油水两相流经过静止的起旋器，产生切向流速并利用自身密度不同在集输管道内形成水环流动，使得油水分离，原油因被水层所包围而不再沉积于壁面，实现原油的非加热输送。
所述旋流叶片的数目为1-4个。旋流叶片数目越多，产生旋流强度越强，但是流动的阻力越大。
所述旋流叶片的螺旋升角为30-60度。入口流速较高时，螺旋升角宜选择较大的值，反之，当入口流速较低时，螺旋升角宜选择较低的值。
所述导流柱与起旋器的直径比值为0.4-0.8。该比值越大，则旋流叶片的高度越小，流道面积越小，流速增高，起旋器的局部流阻越大。
所述起旋器的轴向长度为集输管道内径的3-6倍。轴向长度越长，旋流叶片长度越长，旋流衰减越慢，起旋器的局部阻力越高。
所述起旋器的表面设置有特氟龙涂层。
所述起旋器还包括圆锥面形的顶部，顶部与导流柱的前端相连。
所述旋流叶片的数目为3，旋流叶片的螺旋升角为45度，导流柱与起旋器的直径比值为2/3，起旋器的轴向长度为集输管道内径的4倍，起旋器的直径等于集输管道的内径，起旋器的顶部设计成圆锥面形。
上述涡流装置在高含水原油输送中的应用。
对起旋器进行加热，使起旋器的表面温度高于原油的凝点温度。
本发明所述涡流装置着眼于原油井口到计量站的集输过程，目的是实现高含水原油的非加热集输，本发明提出了利用起旋器技术的集输方式，当原油和水的混合流体通过安装在管道中的起旋器，将沿着起旋器的导流槽形成螺旋运动，根据离心力分离原理，最终形成水膜环状流动，壁面水膜有效隔绝了原油与管壁的接触，避免了壁面黏附、结蜡等现象，并显著降低了流动阻力；由于井口原油有较大余压，所以本发明所述起旋器恰当的利用这部分压力，无需外界提供额外能量（比如现有技术中的加热）而实现集输目的。
附图说明
图1为本发明所述起旋器的结构示意图；
图2为管道中高含水原油在起旋器作用下的运动轨迹示意图；
图3为实例工况中应用的起旋器结构示意图；
图4为集输管道轴向截面上水的相分布云图；
图中：1.旋流叶片；2.导流柱；3.集输管道；4.起旋器；5.流体；6.起旋器的顶部。
具体实施方式
以下结合实例及附图对本发明做进一步描述。
集输管道内起旋器的基本结构如图1所示，该起旋器4由旋流叶片1和直径小于集输管道内径的导流柱2两部分组成，旋流叶片1在导流柱2上沿圆周方向均匀分布。为了减少流动阻力，叶片在入口处为直线型，起导流作用，然后叶片绕导流柱2旋转一定角度。旋流叶片1与集输管道管壁的间隙很小，导流柱2与集输管道3呈同心圆柱。根据旋流叶片数目、旋流叶片螺旋升角、导流柱直径与起旋器直径之比以及起旋器的轴向长度等的不同，会形成不同的起旋器结构。
见图2，集输管道中的高含水原油，流经起旋器时，首先流经导流柱的前端，使流通截面比原来管道的截面减小，流速增大；然后流经由旋流叶片组成的流道，使原油除具有原来的轴向速度外，逐渐建立起周向的切向速度，由一维直线流动逐渐转变为既有轴向的直线流动还有周向旋转速度的合成流动，使高含水原油自身产生旋流并利用自身的密度不同实现其在集输管道3内的分层流动，由于水的密度大于油，在流经起旋器4后旋流的建立过程中，水将受离心力的作用逐渐跟油分离，形成水在外、原油在内的水膜环流动，使得在整个管道范围内油和水都基本处于两相分离状态。这样水就会集中在壁面附近，由于水的粘性系数远小于原油，因此可以大大降低沿程摩擦阻力损失，并减少原油在壁面的沉积和对壁面的腐蚀，从而不必对原油进行加热，在常温下就可实现原油的顺利集输过程。
此外，为了减少原油在起旋器表面的附着和沉积，可以采用以下对策：
（1）在起旋器表面加一定厚度的特氟龙涂层（即聚四氟乙烯涂层），由于聚四氟乙烯不亲油，可以减少原油的沉积；
（2）对起旋器本身进行加热，使起旋器表面温度高于原油的凝点温度。由于起旋器本身很小，采用的热源的功率不大，所耗的能量微乎其微。
实例工况：
根据油田单井至计量站的集输管道内径尺寸，确定相应起旋器的实际尺寸。本发明通过数值模拟及室内实验的方法，对起旋器结构进行优化设计，优化后的结构尺寸见图3。起旋器的参数为：导叶（旋流叶片）数目N=3，螺旋升角θ=45°，导流柱直径与起旋器直径之比d/D=2/3，起旋器轴向长度L为集输管道内径的4倍，即L=4D，起旋器直径D等于集输管道内径50mm。管中油水混合流的入口流速为1.5m/s，油水混合流的含水的体积分数为86%。为了减少来流的流动阻力，起旋器的顶部6设计成圆锥面形。
通过数值模拟得到油水两相在管道中的相分布情况，见图4。从图4中可以看出，壁面附近水的体积率大，水主要集中分布在壁面附近，形成了液膜；圆管中心附近水的体积率小，油的体积率高，说明油主要分布在管中心附近。油水混合物在起旋器的作用下，密度相对较大的水在离心力作用下被甩到管壁面，形成液膜；密度相对较小的原油主要集中在管道中心。由于密度差异，管道中流体由起初的油水混合物状态转变成油水两相分离状态。集中在壁面的水形成的液膜，可以减少原油在壁面的沉积和对壁面的腐蚀，并大大降低含水原油在管道中的输送损失，不必对原油进行加热，从而实现原油在管道中的非加热集输的目的。
Claims (10)
1.一种涡流装置，其特征在于：包括固定于集输管道（3）内的起旋器（4），所述起旋器（4）包括导流柱（2）以及排布于导流柱（2）上的旋流叶片（1），导流柱与集输管道呈同心圆柱结构。
2.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述旋流叶片（1）的数目为1-4个。
3.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述旋流叶片（1）的螺旋升角为30-60度。
4.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述导流柱（2）与起旋器（4）的直径比值为0.4-0.8。
5.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述起旋器（4）的轴向长度为集输管道内径的3-6倍。
6.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述起旋器（4）的表面设置有特氟龙涂层。
7.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述起旋器（4）还包括圆锥面形的顶部，顶部与导流柱（2）的前端相连。
8.根据权利要求1所述一种涡流装置，其特征在于：所述旋流叶片的数目为3，旋流叶片的螺旋升角为45度，导流柱与起旋器的直径比值为2/3，起旋器的轴向长度为集输管道内径的4倍，起旋器的直径等于集输管道的内径，起旋器的顶部设计成圆锥面形。
9.一种如权利要求1所述涡流装置在高含水原油输送中的应用。
10.根据权利要求9所述涡流装置在高含水原油输送中的应用，其特征在于：对起旋器进行加热，使起旋器的表面温度高于原油的凝点温度。
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