автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и обоснование основных параметров центробежного сепаратора для разделения водонефтяных эмульсий

На правах рукописи

ТИМЕРБАЕВ Александр Сифхатович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

05.02.13- Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2? МАЯ 2015

005569577 Оренбург - 2015

005569577

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Таранова Любовь Викторовна

Официальные оппоненты: Шаякберов Валерий Фаязович,

доктор технических наук, главный научный сотрудник, ООО «РН-УфаНИПИнефть» ОАО «НК «Роснефть», г. Уфа;

Адельшин Азат Билялович,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель Татарской АССР, Заслуженный деятель науки и техники Республики Татарстан, г. Казань

Ведущая организация - ЗАО Научно-Техническая Компания

«МОДУЛЬНЕФТЕГАЗКОМПЛЕКТ», г. Уфа

Защита состоится 03 июля 2015 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 170215.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (www.osu.ru).

Автореферат диссертации разослан _^£'мая 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Калимуллин Руслан Флюрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процесс разработки нефтяных месторождений и поддержание заданного уровня добычи нефти сопровождается ростом обводнённости продукции скважин, которая в настоящее время превышает в среднем по отрасли 80 %. Общий объём извлекаемой из недр пластовой воды превышает один миллиард кубических метров в год, очистка которой требует значительных материальных, энергетических и трудовых затрат.

Достигнутая в целом по нефтедобывающей отрасли степень очистки подтоварных вод (50-60 мг/л остаточной нефти и 40-50 мг/л твердых взвешенных частиц (ТВЧ)) позволяет использовать их в системе поддержания пластового давления (ППД) нефтяных месторождений в качестве вытесняющего агента, но не является оптимальной. Требование более глубокой очистки подтоварных вод (до 5... 10 мг/л остаточной нефти и ТВЧ с минимальными размерами дисперсных частиц) диктуется необходимостью увеличения нефтеотдачи, вовлечения в разработку низкопроницаемых пластов и увеличения межремонтного периода эксплуатации нагнетательных скважин.

Для обеспечения более глубокой очистки подтоварных вод необходимо создание эффективных технологий, новых аппаратов и установок, а также интенсификация и совершенствование существующих технологических процессов. В последнее время значительное внимание уделяется развитию наиболее дешёвого механического способа разделения несмешивающихся жидкостей, разработке и внедрению новых конструкций сепарационной техники, основанных на этом способе. Одним из широко применяемых типов сепарационных устройств являются гидроциклоны, к перспективным среди которых относят центробежные сепараторы с вращающейся крыльчаткой. Такие сепараторы имеют преимущества перед напорными цилиндроконическими гидроциклонами, в частности, более высокую производительность и широкий диапазон регулирования режимов очистки. В технической литературе встречаются лишь отдельные фрагменты-упоминания о подобных аппаратах. Практически полностью отсутствуют какие-либо расчетные зависимости для нахождения рабочих характеристик этих аппаратов и конкретные рекомендации по их проектированию.

Таким образом, настоящее диссертационное исследование посвящено решению важной и актуальной проблемы машиностроительной отрасли, обеспечивающей эффективное функционирование нефтегазодобывающих производств.

Объект исследования — технологический процесс разделения водонефтя-ных эмульсий типа «нефть в воде».

Предмет исследования - закономерности гидродинамических и сепарационных процессов, протекающих в центробежном сепараторе с вращающейся крыльчаткой.

Цель исследования — совершенствование технологического процесса разделения водонефтяных эмульсий на основе использования разработанного центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и установленных законо-

мерностей протекающих в сепараторе гидродинамических и сепарационных процессов.

Задачи исследования:

1) анализ методов и конструкций аппаратов для разделения водонефтяных эмульсий; сравнение эффективности разделения в аппаратах различных типов; обоснование перспективности использования центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой;

2) анализ методов моделирования турбулентных течений в аппаратах гидроциклонного типа, существующих математических моделей для описания гидродинамики закрученных потоков; анализ известных методик расчета центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой;

3) разработка компьютерной модели центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой; изучение особенностей протекания гидродинамических и сепарационных процессов в аппарате и оптимизация режимных параметров с помощью методов численного моделирования;

4) разработка и изготовление опытного образца центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой; экспериментальные исследования по оценке влияния конструктивных и режимных параметров на основные показатели процесса разделения эмульсий; верификация результатов численного моделирования и экспериментальных данных; совершенствование конструкции с учётом результатов экспериментов;

5) оценка эффективности применения разработанного аппарата в схемах промыслового сбора и подготовки нефти, и разработка рекомендаций по освоению производства центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

- компьютерная модель центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и закономерности протекающих в нём гидродинамических и сепарационных процессов, позволяющие определить оптимальные значения параметров процесса разделения водонефтяной эмульсии (концентрация нефти в воде, объёмный расход потока на входе в аппарат и частота вращения крыльчатки) и их влияние на эффективность очистки;

- выявленные закономерности влияния конструктивных параметров разработанного сепаратора с вращающейся крыльчаткой (количество, форма и угол атаки лопаток крыльчатки, соотношение диаметров разгрузочных патрубков нефти и воды), позволяющие определить область рациональных значений конструктивных параметров, обеспечивающих эффективное разделение водонефтяных эмульсий;

- установленное явление рециркуляции потока в центробежном сепараторе, снижающее эффективность сепарационного процесса, условия его возникновения и рекомендации по устранению путем модернизации конструкции и оптимизации режимов работы сепаратора.

Практической значимостью работы являются:

- разработанная конструкция центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой и рекомендации по регулированию частоты вращения крыльчатки и расхода жидкости для эффективного разделения водонефтяных эмульсий;

- научно-обоснованные рекомендации по освоению производства разработанного центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой на машиностроительных предприятиях нефтегазовой отрасли;

- практические рекомендации по использованию центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой в схемах промыслового сбора и подготовки нефти нефтегазовых месторождений для решений задач очистки промысловых вод (эскизные проекты технических устройств и результаты исследований переданы в конструкторское бюро ОАО «ГМС Нефтемаш», г. Тюмень);

- основные результаты использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на 2 - ой Международной научно-практической конференции молодых специалистов ООО «УК«Группа ГМС» (Нижневартовск,

2012 г.), где работа была отмечена дипломом первой степени, Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Тюмень, 2012, 2013, 2014 гг.), 19-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск,

2013 г.), Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2013 г.), Международной научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2013 г.), семинаре-совещании «Сбор, подготовка и транспорт продукции скважин» филиала ООО «Лукойл-Инжиниринг» «КогалымНИПИНефть» (Тюмень, 2014 г.).

Основные результаты исследований получены при выполнении НИОКР «Разработка инновационной технологии и конструкции центробежного сепаратора для разделения водонефтяных эмульсий» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по Государственному контракту №1684ГУ1/2014 от 13.03.2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в числе которых 3 статьи в рецензируемых научных журналах из «Перечня...» ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников (168 наименований) и приложений. Объём диссертации составляет 146 страниц, включает 44 рисунка, 20 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены обоснование актуальности темы диссертационной работы, цель и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен анализу технологий разделения водонефтяных эмульсий, а также изучению современного состояния и тенденций развития конструкций гидроциклонных аппаратов с вращающейся крыльчаткой и характеристик, влияющих на эффективность процесса разделения эмульсий типа «нефть в воде».

Значительный вклад в изучение процессов разделения многофазных сред, в том числе водонефтяных эмульсий, при добыче и сборе нефти и газа, внесли

A.A. Адельшин, А.Б. Адельшин, Г.К. Борисов, В.А. Крюков, Е.И. Ишемгужин,

B.Г. Перевалов, A.B. Тронов, В.П. Тронов, В.Ф. Шаякберов и другие.

Проведён обзор существующих технологий разделения водонефтяных

эмульсий. В мире получили развитие физико-химические методы разделения на основе флотации и разделения в поле центробежных сил. Однако в России и странах СНГ основным методом разделения эмульсий на нефтепромыслах в настоящее время является гравитационное отстаивание в резервуарах-отстойниках и трубных водоотделителях, которые не могут удовлетворить потребности нефтяной промышленности в более глубокой очистке нефтесодер-жащих вод, используемых для вытеснения нефти из пластов с низкой пористостью и проницаемостью.

На нынешнем этапе разработки месторождений для решения данных задач целесообразно использовать аппараты гидроциклонного типа - центробежные сепараторы с вращающейся крыльчаткой, в которых разделение происходит под действием центробежных сил. Результаты анализа литературы подтверждают перспективность применения центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой, которые обеспечивают высокую степень очистки воды (более 95 %) в широком диапазоне производительности (до 1135 м3/ч) при меньших габаритных размерах по сравнению с традиционно применяемым оборудованием.

Разработке конструкций и исследованию гидродинамики в центробежных сепараторах с вращающейся крыльчаткой посвящены работы таких российских ученых, как В.И. Батуров, А.Д. Бочков, Г.М. Косой, A.M. Кутепов, И.А. Ма-нанников, Е.А. Непомнящий, П.И. Пилов, И.Г. Терновский и других. Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод о том, что в настоящее время существует множество конструкций центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой, отличающихся конструкцией крыльчатки, способом подачи смеси и отбором продуктов разделения. Однако, в основном, известные исследования посвящены созданию аппаратов только для разделения суспензий. Отсутствие закономерностей процесса разделений эмульсий не позволяет широко внедрить эти аппараты в промышленность без проведения опытных испытаний на каждом конкретном объекте.

Во втором разделе приведены результаты анализа существующих методов расчёта процесса разделения эмульсий в поле центробежных сил, математических моделей гидродинамики закрученных потоков и описание предложенного подхода и примененных математических моделей.

Существующие методы расчёта показателей разделения центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой разработаны для систем «жидкость-твердое вещество», однако специфические особенности процесса разделения систем «жидкость-жидкость» не позволяют применить данные методы для расчета показателей разделения эмульсий. Использование известных зависимостей в ряде случаев может привести к существенному отклонению расчётных значений величин от реальных значений. В связи с этим, в работе использованы

средства вычислительной гидродинамики (англ. Computational fluid dynamics, CFD), включающая совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов, с последующей их проверкой экспериментом.

Расчёт характеристик течения жидкости в центробежном сепараторе с крыльчаткой выполнялось путем численного решения системы уравнений, описывающих наиболее общий случай движения жидкой среды. Уравнения (1) — (3) представляют собой известные законы сохранения массы, импульса, энергии соответственно:

где / - время; р - плотность; и, - компонента скорости в декартовой системе координат (¡ = х,у,:); р - давление; И - энтальпия; Т — температура;

средние напряжения; sm - источник массы; ~ источник импульса по координате (i = x,y,:); sh - источник энергии; fh — поток диффузной

axj

энергии в направлении ху, к - коэффициент теплопроводности; ср - теплоемкость при постоянном давлении; р - динамическая вязкость; 5j. - символ Кронекера.

В этой системе уравнений независимыми искомыми параметрами являются три компоненты скорости и, и давление р. В абсолютном большинстве случаев эта система не имеет аналитического решения, поэтому необходимо применять численные методики решения.

В связи с турбулентным течением потока система дополняется уравнениями для переменных турбулентности. Для расчета гидродинамики центробежного сепаратора с крыльчаткой была выбрана модель турбулентности- Realizable К-Epsilon Two layer (All Y+), в которой уравнения для переменных турбулентности имеют вид:

(1)

(2)

(3)

компоненты тензора напряжении; •*,,=-(— + —Ч

(4)

(5)

л/ —ч I

= -Рс2~= + СЕг С'Ц.РВ + С^рг^

где к = — турбулентная кинетическая энергия; е — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; стЛ , - турбулентное число Прандгля;

ц, = рС ---турбулентная вязкость; Р = — - источник турбулентности, по-

е " дод

рождаемый касательными и нормальными напряжениями; Рв =———- ис-

оу, Р дх1

точник турбулентности, связанный с естественной конвекцией; g¡ - компонента вектора ускорения свободного падения;

С, =шах(0,43,—»7 = 5-, 5 = ,С2=1,9, С,

т)+5 е 4 "

4, + ли*-

е

__а ^

здесь: = ,,Л0=4Д Л, = л/бсоэМ, 0 = сжфщ, = —

5'

5 =

Для каждой дисперсной фазы решаются уравнения сохранения массы и импульса:

а

— (а1р1) + 7(а1р1г.'1)

(8)

(9)

где а/ - объемная концентрация фазы /'; р, — плотность фазы /; V/ — скорость фазы /';- источник массы фазы /'; - источник импульса фазы /".

Третий раздел посвящен разработке конструкции и компьютерной модели центробежного сепаратора с крыльчаткой и оценке результатов численного моделирования течения жидкости в нём.

Разработанная конструкция центробежного сепаратора представлена на рисунке 1.

вяа^^пои [ _ патрубок питания аппа-

рата; 2 - крыльчатка; 3 - зона вихреобразовання; 4 - зона разделения; 5 - заглушка;

/ ■

-1- 11 1

3 1,

1 7

емеушив. б, 7 - разгрузочные патрубки

Рисунок 1- Конструкция центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой

Геометрические параметры вариантов конструкций центробежного сепаратора с крыльчаткой представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Геометрические параметры центробежного сепаратора

Конструкция Параметр, мм

<1вх <и «4, 1е и тип крыльчатки

№1 - Компьютерная модель 32 50 32 16 30 500- 1500 шнековая

№2 - Компьютерная модель экспериментального образца 20 32 12 -20 6,5 -20 10 200- 1000 шнековая, лопастная

№3 - Натурный экспериментальный образец сепаратора 20 32 20 11 10 200 - 400 шнековая, лопастная

Центробежный сепаратор представляет собой проточный сепаратор трубчатого типа, центробежная сила в котором создается за счёт вращения крыльчатки, установленной на входе потока.

С помощью математического моделирования исследованы особенности течения воды в первой конструкции сепаратора с варьированием расхода на входе от 3 до 20 м3/ч при частоте вращения крыльчатки 3000 об/мин. Анализ результатов данной серии расчётов показал, что предлагаемая комбинация расхода жидкости на входе и скорости вращения вала крыльчатки для данной конструкции не согласованы, поскольку образуется зона сильной рециркуляции -вода засасывается обратно в крыльчатку. Это явление вызвано тем, что для заданной скорости входного потока вращение крыльчатки слишком мало. При этом установлено минимальное значение расхода воды на входе (15 м /ч), при котором исчезает рециркуляция, и дальнейшее моделирование процесса сепарации частиц нефти проведено с найденным значением расхода.

Проведено численное моделирование сепарации водонефтяной эмульсии. В результате анализа картины поля объёмной концентрации частиц нефти, представленной на рисунке 2, установлено, что за счет наличия зоны рециркуляции вихревой жгут нефти образуется только на расстоянии 0,4 м от крыльчатки.

Структура нефтяной струи оказывается нестабильной за счёт того, что угловая компонента скорости и завихрённость потока по мере удаления от крыльчатки уменьшаются и частицы нефти вновь «размываются» по трубе. В итоге, качество разделения водонефтяной смеси оказывается низким, и содержание нефти в оставшейся воде практически не снижается по отношению к среднему значению на входе.

Низкое качество разделения водонефтяной эмульсии связано с конструктивными недостатками аппарата и образованием трех «застойных» областей с высокой концентрацией нефти, показанных на ри-

Рисунок 2 - Объёмная концентрация частиц нефти в продольном и поперечном сечении на удалении от крыльчатки: 0,48 м (1 срез); 0,54 м (2 срез); 0,6 м (3 срез); 0,66 м (4 срез)

сунке 3. Первая область находится на выходе из впускного патрубка. Она связана с вихрями, образующимися при вращении крыльчатки. Вторая область локализована в основании вала крыльчатки. И, наконец, третья область - вихре-

Результаты расчетов позволили разработать следующие рекомендации для оптимизации конструкции сепаратора:

- для обеспечения формирования устойчивого вихревого жгута нефти и уменьшения рециркуляции потока необходимо увеличить расход жидкости на входе (не менее 15 м3/ч), либо уменьшить частоту вращения крыльчатки (до 1 ООО об/мин); -для улучшения гидродинамических условий проведения процесса разделения эмульсий необходимо оптимизировать конструкцию сепаратора путем уменьшения длины зоны вихреобразования (Ьв) до 10 мм и уменьшения длины зоны сепарации (L„) до 400 мм.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментального исследования влияния конструктивных и режимных параметров на показатели разделения в опытном образце центробежного сепаратора и их сопоставления с расчётными значениями.

С учётом результатов, приведенных в предыдущем разделе, была усовершенствована конструкция и изготовлен опытный образец центробежного сепаратора с крыльчаткой. Геометрические параметры компьютерной модели экспериментального образца и натурного образца представлены в таблице 1. Разработана экспериментальная установка для проведения исследований процесса сепарации при варьировании расхода жидкости на входе и частоты вращения крыльчатки. Численное моделирование и натурный эксперимент проводили при варьировании расхода входящего потока в пределах 0,5 - 2,2 м3/ч и частоты вращения крыльчатки в пределах 500 - 3000 об/мин. В качестве объекта исследования были выбраны модельные водонефтяные эмульсии. Содержание нефти в смеси изменяли в интервале значений 0,5 - 20 г/л.

Сопоставление экспериментальных и расчётных визуализаций моделирования, представленных на рисунке 4, показало удовлетворительное их соответствие. В связи с тем, что в структуре потока имеется выраженная периодичность, для сравнения используются картины течения в разные моменты времени, но с нахождением вихревого жгута нефти в одной фазе.

а) б)

Рисунок 4 - Мгновенная картина течения в центробежном сепараторе: а - эксперимент; б - расчет

вой жгут нефти после крыльчатки.

Рисунок 3 - Изоповерхность зоны высокой концентрации нефти

Экспериментальные исследования показали, что в процессе разделения во-донефтяной смеси в центробежном сепараторе можно выделить несколько стадий, показанных на рисунке 5. При неизменности расхода эмульсии и повышении частоты вращения крыльчатки сначала происходит формирование «облака» нефти из наиболее крупных капелек нефти, содержащихся в воде (рисунок 5, а).

При дальнейшем увеличении частоты вращения более крупные капли нефти смещаются к оси аппарата и образуют вихревой жгут нефти, а меньшие капли образуют «облако» вокруг образовавшейся вихревого жгута нефти (рисунок 5, б). На третьей стадии капельки нефти, размер которых составляет более 50 мкм (согласно результатам моделирования), перемещаются к оси аппарата и образуют цельный вихревой жгут нефти (рисунок 5, в)

Изменение структуры потока по результатам численного моделирования и экспериментальным данным представлены на рисунке 6.

а) б)

1 - отсутствие жгута нефти; 2 - «облако» нефти;

3 - «облако» со жгутом нефти; 4 - жгут нефти Рисунок 6 - Структура вихревого жгута нефти в зависимости от режима работы сепаратора: а - эксперимент; б - расчет

Модель отражает две стадии изменения структуры потока, наблюдаемые в условиях эксперимента - формирование вихревого жгута нефти в «облаке» (область 3) и формирование устойчивого вихревого жгута нефти (область 4) без учета образования «облака» нефти (область 2), но, в целом, удовлетворительно описывает процесс разделения водонефтяной смеси в сепараторе.

Экспериментально исследовано влияния изменения геометрии крыльчатки на процесс образования вихревого жгута нефти. Исследование проводилось при расходе 1,0 - 2,2 м3/ч и частоте вращения крыльчатки 2000 - 3000 об/мин, которые являются оптимальными для формирования вихревого жгута нефти.

3

♦

I

Рисунок 5 - Структура вихревого жгута нефти в зависимости от режима работы сепаратора: а - формирование «облака» нефти; б - формирование в «облаке» жгута нефти; в - формирование жгута нефти

Анализ визуализаций, приведенных на рисунке 7, показывает, что лопастная крыльчатка, по сравнению со шнековой, формирует поток с более однородной закруткой.

Рисунок 7 - Визуализация структуры жгута нефти с разной геометрией крыльчатки: а - лопастная; б - шнековая

Проведено исследование влияния угла атаки лопаток крыльчатки (20°, 30°, 45°, 60°) и их количества на процесс образования вихревого жгута нефти. Экспериментально установлено, что угол атаки лопаток менее 45° приводит к радиальным колебаниям вихревого жгута нефти, что негативно влияет на сепараци-онный процесс. Структурированный и однородный вихревой жгут нефти наблюдался при угле атаки лопаток 45°. При увеличении угла атаки лопаток более 45° происходит уменьшение силы, создающей упор крыльчатки, следовательно, мощность электродвигателя оказывается недоиспользованной, а сепа-рационный процесс осуществляется неэффективно.

По априорным данным на величину турбулентности должно влиять количество лопаток, поэтому в следующих экспериментах оценивалось влияние количества лопаток крыльчатки (2, 3, 4 шт.) на изменение структуры вихревого жгута нефти. Установлено, что максимальные значения степени турбулентности в радиальном и окружном направлениях, а также тангенциальной скорости потока наблюдались на выходе из крыльчатки. В данной зоне возникают наибольшие касательные напряжения, т.е. дробление капель дисперсной фазы. Наилучшие результаты показала трёхлопастная крыльчатка, с использованием которой вихревой жгут нефти со стабильной и однородной закруткой формировался сразу после крыльчатки.

Экспериментально изучено влияния диаметра питающего патрубка и размеров сливных разгрузочных патрубков на изменение значений тангенциальной скорости. По результатам проведенных расчетов построен график изменения тангенциальной скорости потока по радиусу центробежного сепаратора на различном удалении от крыльчатки, представленный на рисунке 8. Аналогичное распределение получено и для других режимов работы аппарата.

Анализ расчётных данных показывает, что если для цилиндроконических аппаратов с осевой выгрузкой наблюдается устойчивая тенденция к увеличению значений тангенциальной скорости по направлению от стенки к оси гидроциклона, то в прямоточном цилиндрическом центробежном сепараторе с крыльчаткой подобная картина отсутствует. Установлено также, что при постоянных значениях диаметра патрубка выхода очищенной воды размер сливного

патрубка нефти и соотношение разгрузочных патрубков не оказывают влияния на величину тангенциальной скорости.

Исследования влияния давления питания на производительность аппарата показали, что общий расход, а также расход слива и распределение потоков между разгрузочными патрубками в центробежном сепараторе с крыльчаткой имеют явную тенденцию увеличения с возрастанием давления питания.

Подобная картина наблюдалась при исследовании расходных характеристик с лопатками другой конфигурации. Результаты эффективности очистки воды представлены на рисунке 9 и в таблице 2.

8 9 10 11 12 13 U 15 16

ÍHÍIJU13. МЧ

Рисунок 8 - Изменение тангенциальной скорости потока по радиусу аппарата на различном удалении от крыльчатки'. 1 -100 мм; 2 - 200 мм; 3 - 300 мм; 4 - 400 мм.

5 10 15 20

Содержат« нефгн в воде, г/л

Рисунок 9 - Зависимость эффективности очистки воды от исходной концентрации нефти в воде (2 м3/ч, 3000 об/мин)

Эффективность очистки воды от нефти возрастает с увеличением концентрации нефти в воде и объёмного расхода смеси.

Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными, представленных в таблице 2, показало обоснованность применения использованных математических моделей.

Таблица 2 - Сравнение расчетной и экспериментальной эффективности сепара-

ции (содержание нефти в воде 5 г/л)

Объемный расход смеси, м3/ч Частота вращения крыльчатки, об/мин Эффективность очистки воды от нефти, %

Расчет Эксперимент Погрешность, %

1 3000 37,0 35,3 4,8

1,5 2500 38,3 36,9 3,8

3000 42,6 41,5 2,7

2,2 2500 49,8 47,8 4,2

3000 52,9 52,1 1,5

В пятом разделе представлены результаты расчетов ожидаемого экономического эффекта от внедрения сепараторов в схемах промыслового сбора и подготовки нефти и рекомендации по освоению производства центробежного сепаратора с крыльчаткой на машиностроительном предприятии.

L1ix-

7

L\

Л

1

уро'г

НвртегадевыК

ссааржгор со сброс«»! юлы

J

С учетом поставленной задачи, опыта проектирования и эксплуатации существующих установок разработаны рекомендации по модернизации путевой установки предварительного сброса воды (УПСВ-6000) на Комсомольском месторождении и установки подготовки воды (УПВ) на ДНС с УПСВ Южно-Тарасовского месторождения.

Предложенная схема установки предварительного сброса воды представлена на рисунке 10. В традиционную схему «нефтегазовый сепаратор - отстойник воды» включен центробежный сепаратор с вращающейся крыльчаткой. Предлагаемая схема позволяет уменьшить нагрузку по подтоварной воде на отстойник воды и интенсифицировать процесс разделения, тем самым повысить качество очистки воды.

Предложенная и существующая схема УПВ на ДНС с УПСВ Южно-Тарасовского месторождения представлена на рисунке 11. Экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство УПВ составит 10 200 тыс. руб., а от сокращения операционных затрат на электроэнергию -118 тыс. руб/год (в ценах 2013 г.).

ОГ—~

Цеятробедный сепаратор

>

► Н*фтъ«та»+*са« I Попутный га)

| От с то« а* к «оды

V

— 3 —► Пахтова рва и воза

— * —♦ Уловленная нефть [X] Залвекка

УПОГ Устройство предварительного отбора газа

Рисунок 10 - Предложенная схема установки предварительного сброса воды

CCpot «iwiam«!

ЦемтрвЛгжиы*

ОС

а)

5) х

О tauten пая

Рисунок 11 - Принципиальная схема установки очистки подтоварной воды для систем поддержания пластового давления: а - традиционная; б - по предложенному варианту

В завершающей части раздела приведены научно-обоснованные практические рекомендации по конструированию сепарационных аппаратов с крыльчаткой. С целью обеспечения надежности и безопасности работы при конструировании сепаратора рекомендовано уделить внимание на материальное исполнение узлов сепаратора, и дополнительно его комплектовать системами мониторинга и приборами КИП, позволяющими проводить непрерывный контроль параметров, определяющих техническое состояние узлов и деталей.

В заключении отражены основные результаты и выводы работы.

В приложении представлены акты внедрения результатов исследования, исходные данные на проектирование УПСВ и УПВ, протокол с результатами СФК-анапиза и разработанными рекомендациями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Результаты анализа методов и конструкций аппаратов для разделения во-донефтяных эмульсий позволили обосновать перспективность применения центробежных сепараторов с вращающейся крыльчаткой, которые обеспечивают высокую степень очистки нефтесодержащих вод в широком диапазоне производительности при меньших габаритных размерах по сравнению с традиционно применяемым оборудованием.

2. Предложена математическая модель течения жидкости в центробежном сепараторе с вращающейся крыльчаткой на основе системы уравнений сохранения массы, импульса, энергии, дополненной моделями турбулентности и моделями многофазного течения.

3. Анализ результатов численного моделирования позволил установить зависимость объёмного расхода жидкости от частоты вращения крыльчатки и определить оптимальные их значения, при которых отсутствует явление рециркуляции потока. Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции опытного образца сепаратора: упразднение «слепой» части ротора и уменьшение длины зоны сепарации аппарата до 0,4 м.

4. В результате экспериментальных исследований с использованием разработанного опытного образца центробежного сепаратора с вращающейся крыльчаткой определены оптимальные конструктивные и режимные параметры:

- количество (3 шт.) и угол атаки (45°) лопаток крыльчатки;

- соотношение значений диаметров разгрузочных патрубков нефти и воды (11/20);

- объемный расход потока от 1 до 2,2 м /ч и частота вращения крыльчатки от 1000 до 3000 об/мин, обеспечивающие эффективность процесса очистки воды от нефти в пределах от 32,0 % до 79,5 % в диапазоне концентраций нефти в воде от 0,5 до 20 г/л.

Сопоставлением результатов численного моделирования с экспериментальными данными доказана обоснованность применения использованных математических моделей, позволяющих достаточно точно предсказать характеристики закрученного потока и эффективность сепарации в центробежном сепараторе с крыльчаткой.

5. Предложены проектные решения модернизации установок предварительного сброса и очистки воды на объектах добычи нефти, позволяющие обеспечить значительный экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство (более 10 млн. руб) и сокращение затрат на электроэнергию более 100 тыс. руб/год. Разработанные научно-обоснованные рекомендации по конструированию сепараторов с вращающейся крыльчаткой позволяют освоить их производство на машиностроительных предприятиях нефтегазовой отрасли.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ:

- в рецензируемых научных журналах из «Перечня...» ВАК:

1. Тимербаев, A.C. Численное моделирование процесса разделения водонефтяных эмульсий в центробежном сепараторе / A.C. Тимербаев, Л.В. Таранова // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 9. Ч.З. - С. 547-551.

2. Тимербаев, A.C. Верификация численной модели процесса разделения водонефтяной смеси в центробежном сепараторе [Электронный ресурс] / A.C. Тимербаев, Л.В. Таранова // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 5- URL: www.science-education.ru/119-14839.

3. Тимербаев, A.C. Исследование особенностей процесса разделения водонефтяных эмульсий в центробежном сепараторе с крыльчаткой / A.C. Тимербаев, Л.В. Таранова // Нефтяное хозяйство. - 2014. - №12. - С. 138-141.

- в других изданиях:

4. Тимербаев, A.C. Исследование физико-химического способа очистки воды для систем ППД с применением центробежного сепаратора с крыльчаткой / A.C. Тимербаев // Новые технологии - нефтегазовому региону: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень, 2012. - Т.2 - С. 284.

5. Тимербаев, A.C. Разработка конструкции центробежного сепаратора с крыльчаткой и исследование течения жидкости при различных режимах / A.C. Тимербаев // Современные техника и технологии: сборник трудов 19 - ой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2013. - Т. 3 - С. 285-286.

6. Тимербаев, A.C. Численное моделирование сепарации водонефтяной смеси в центробежном сепараторе / A.C. Тимербаев // Новые технологии - нефтегазовому региону: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень, 2013. - Т. 1. — С. 117-119.

7. Тимербаев, A.C. Исследование процессов разделения водонефтяной смеси в стационарных и проточных условиях / A.C. Тимербаев, А.И. Нестерова // Новые технологии -нефтегазовому региону: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции. -Тюмень, 2013.-Т. 1.-С. 109.

8. Тимербаев, A.C. Разработка и исследование работы центробежного сепаратора для разделения водонефтяной смеси / A.C. Тимербаев, Л.В. Таранова // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2013. — №7. - С. 107-108.

9. Тимербаев, A.C. Моделирование процесса разделения водонефтяных смесей в центробежном сепараторе / A.C. Тимербаев, Л.В. Таранова // Нефть и газ Западной Сибири: сборник трудов международной научно-технической конференции. — Тюмень, 2013. — Т. 5. -С. 135-139.

10. Тимербаев, A.C. Изучение гидродинамики разделения водонефтяных эмульсий в центробежном сепараторе с крыльчаткой / A.C. Тимербаев // Новые технологии - нефтегазовому региону: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции. — Тюмень, 2014.-Т.1,-С. 173-175.

11. Тимербаев, A.C. Инновационные разработки ОАО «ГМС Нефтемаш» в области промысловой подготовки воды / A.C. Тимербаев // Инженерная практика. - 2015. - № 1. - С.76-82.

Подписано в печать 29.04.2015 г. Формат 60х84'/(б, бумага офсетная, гарнитура «Тайме» Усл. печ. листов 1,0. Тираж 110 экз. Заказ 79. Ошечатано с готового оригинал-макета 29.04.2015 г. Участок оперативной полиграфии ОГУ 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13