轴流导叶式水力旋流器结构设计与性能研究
近年来，海上油田开发正处于蓬勃发展的阶段，海上平台污水处理量急剧增加，这对污水处理设备提出了更高的要求。本文针对目前海上平台和站场污水处理量大、设备紧凑性差，传统切向入口水力旋流器能耗高、压降大等问题，采用CFD数值模拟和室内实验相结合的研究方法，开展轴流导叶式水力旋流器的设计研发工作。 对于轴流导叶式水力旋流器而言，导叶结构是起旋的核心部件。本文基于气动设计法的导叶设计准则确定了入口导叶的基本结构形式，采用CFD数值模拟的方法，综合考虑流体经导叶的导流作用后产生的切向速度大小、旋流管整体压降及旋流器除油效果等因素，对导叶的数量和高度进行优化设计。 旋流器的溢流结构对流场特性有着较大影响，本文对不同溢流结构的旋流管内部流场进行了数值模拟计算，从模拟结果来看，随着直管式溢流管长度的增加以及倒锥式溢流结构锥角的减小，旋流管内部流场的稳定性逐渐增强，零轴速包络面长度增加，旋流管整体压降降低。室内实验的结果表明，溢流结构的型式对分离效率的影响不大，真正影响分离效率的是溢流口的位置。旋流管大锥段上部易发生液流阻滞现象，采用倒锥溢流结构能够有效减弱该现象，且倒锥式溢流结构对降低旋流器底流、溢流压降的作用都更为明显。 为了充分考虑旋流器与海上平台、站场已有设备和管线的适应性，方便实现设备流程的改造，易于撬装化和集成化设计，本文按照多管组合式水力旋流器的设计思路，将单管旋流器的入口段、底流段和溢流段进行拆分设计，并对旋流管壁面入口的形状、面积大小和入口段长度进行了优化。经实验验证，旋流管与外壳之间组合设计方案合理，能够实现旋流器的污水处理目标。 本文设计搭建了一套室内实验系统，针对最优溢流结构旋流器开展性能测试实验，根据实验结果分析入口流量、溢流比、含油浓度、油滴粒径等因素对旋流器性能的影响，并绘制操作参数边界图。根据单管轴流导叶式水力旋流器性能测试的实验结果，建立压降模型和粒级效率模型，对实际工程应用提供理论指导。
污水处理;水力旋流器;轴向流动;结构设计;性能测试
中国石油大学(华东)
硕士
油气储运工程
何利民
2021
中文
X505;X703
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）