Введение к работе
Актуальность проблемы. -Большинство основних -технологических
іроцессов добычи, транспорта и -переработки нефти и газа тесно :вязаны с движением-- дисперсных потоков в технологическом іборудовании. Значительная доля таких потоков состоит таз двух заз, одна из которых является сплошной, а другая раздроблена и іаспределєна в первой. К числу таких процессов модно отнести: ранспорт газа в газопроводах и очистительных- -сооругвшях,; азлифгный способ подъема нефти в скважине, движение юдонефтяных эмульсий в трубопроводах и деэмульгаторах, процессы рспергирования нефти и газового конденсата при их вытеснении из гористой среды и т.д. Сюда же относятся проблемы повышения іффективности работы фильтров, очищающих газы от взвешенных іастиц с целью предотвращения загрязнения окружающей среды, оп-тагазация структуры газожидкостных потоков и т.п.
Для управления параметрами дисперсных потоков необходимо детальное изучение механизма их движения и влияния различных Факторов на их свойства. Теоретическое описание таких сложных ібьектов как дисперсные потоки встречает пока определенные ,'рудности, поэтому в настоящее время особую важность приобретают жспериментальные методы исследования. Эмпирические данные іеобходимьі не только для более углубленного изучения процессов, іроисходящих при движении дисперсных потоков, но и для >азработки новых технологических процессов, составления гатематических моделей и разработки средств измерений.
Среди экспериментальных методов наиболее перспективными шляются бесконтактные, причем наибольшими возможностями ібладают методы с использованием лазерного излучения. При юндировании дисперсного потока лазерным лучом рассеянный свет
- 4 -несет информацию о скорости дисперсной фазы, ее размере, форме к т.п.
Среди лазерных методов исследования дисперсных потоког наибольшее распространение в настоящее время получили методы с использованием лазерных доплеровских анемометров (ЛДА).
Использование ЛДА дает возможность исследовать дисперсные потоки не внося возмущение в объект измерения.
На основании вышеизложенного основное внимание Е диссертационной работе было направлено на создание методов экспериментального исследования параметров дисперсных потокое при воздействии на них электрическими полями с помощью ЛДА.
Цель работы. Проведение экспериментальных исследований
движения дисперсных потоков в неоднородных электрических полях с помощью ЛДА и создание- физических основ управления течением двухфазных сред в электрофильтрах и в газлифтном способе подъема жидкости.
Научная новизна. Разработана методика исследования
дисперсных потоков в неоднородных электрических полях на основе лазерной доплеровской анемометрии и аппаратура, удовлетворяющая основным требованиям гидродинамического эксперимента, с возможностью измерения величины, направления скорости v.
статистических параметров течения в диапазоне скоростей от 1СҐ
до 10г м/с с относительной погрешностью, не превышающей ЪУ. .
Исследован газодисперсный поток в поле коронного разряда электрофильтра как в свободном пространстве, так и в сносящем потоке. Впервые получено пространственное распределение скоростей электрического ветра в широком диапазоне параметроЕ коронного разряда, включая режимы реальных электрофильтров. Впервые измерены статистические характеристики струи электрического ветра в зависимости от приложенного напряжения.
- 5 -Установлено, что электрический ветер является основный фактором, определяющим характер течения газодисперсного потока в поле коронного разряда. Установлено, что высокая степень турбулентности струи электрического ветра обусловлена нестационарностью коронного разряда.
Установлено, что характер смещения оси струи электрического ветра позволяет определить параметры коронного разряда, при которых струя электрического ветра является устойчивой гидродинамической структурой во всем межэлектродном промежутке. Разработаны физические основы нового устройства для электроочистки газа.
Получены данные о параметрах электрогидродинамического движения диэлектрической жидкости в неоднородном электрическом поле.
Впервые обнаружено влияние на частоту и размер образующихся пузырей неоднородного электрического поля. Разработаны физические основы создания регулярной структуры газожидкостного потока применительно к газлифтному способу подъема нефти.
Практическая ценность. Создана методика экспериментального
исследования воздействия неоднородных электрических полей на структуру дисперсных потоков. Усовершенствованы частотный модулятор и оптические схемы лазерного доплеровского анемометра. Эти технические решения защищены авторскими свидетельствами. Указанные усовершенствования позволяют создать ЛДА, работающий на различных механизмах рассеяния, в том числе и на молекулярном.
Создан многокомпонентный ЛДА со сдвигом частота, достаточно простой в исполнении и юстировке, в котором отсутствуют дорогостоящие оптические элементы.
Методика измерений и результаты исследования движения
- 6 _ газодисперсных', штоков в поле коронного разряда переданы во Всесоюзный теплотехнический институт их. Ф.Э. Дзержинского для практического применения при разработке электроочистного оборудования и повышения его эффективности.
Методика измерений параметров движения дисперсных потоков используется также во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследовательском институте им. акад. И. П. Крылова.
В результате анализа влияния -степени турбулентности газодисперсного потока в поле коронного разряда была показана невозможность увеличения эффективности электроочистки газа в существующих конструкциях электрофильтров. Предложен новый высокоэффективный способ электроочистки газа. Это техническое решение признано изобретением.
Экспериментальные исследования газожидкостного потока в неоднородном электрическом поле показали возможность управления параметрами этого потока с помощью электрического поля. Этс обстоятельство позволило определить оптимальные электрические I дисперсно-динамические параметры газлифтного способа подъеме жидкости. Это техническое решение защищено авторсмо свидетельством.
Автор_ защищает.
1. Методику и результаты экспериментального исследовали
движения газодисперсных потоков в коронном разряде в системі
электродов острие-плоскость.
2. Результаты исследования взаимодействия струї
электрического ветра со сносящим потоком.
3. Методику и результаты исследований - газожидкостны
потоков в неоднородном электрическом поле.
Апобация__аботы. Основные результаты докладывались і
III Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений 2-
- 7 -сентября 1585 г. (г.Донецк), на XXX научней кокзрзіщпл М5ТИ 1234 г. (г. Москва), на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (г. Ташкент) 1535 г., VII Всесоюзной конференции по молекулярной газовой динамике и динаміко разрешенного газа (г.Москва), 1S35 г., га Всесоюзном семинарз -Измерения в потоках, методы, аппаратура и применение. (Москва) 1990 г.
Публикации. Содержание диссертация отражено в 9 публикациях
и 5 изобретениях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, выводов и содерпгг QO страніщ мапнописнего текста, 31 рисунков и 1 таблиц. Обісій объем работы 128 странгщ.
Зо введении показана роль дисперсных потоков в технологических процессах добычи, транспорта незти и газа, а такг.з важность их исследования для охрани округакдей среды. Показана необходимость оптимизации параметров дисперсных потоков з этих процессах.
3 первой главе приведены основные дисперсно-динамические свойства двухфазных потоков в процессах добычи, транспорта неэти, газа и методы их исследования. Проведен анализ методов очистки газа от дисперсных частиц. Свойства газо:л!дкостных потоков в вертикальных трубах обобщены применительно к газлпвту. Показано (см. работы Баренблатта Г. II., Гогссова В. В., Ентова В. U., Нітматулпна Р. II., Godlib Y. Р. , Фукса М. А., Хагшеля Д. В. и др. ), что если в теоретическом рассмотрении дисперсных потоков имеются принципиальные трудности, то при экспериментальных исследованиях дисперсных потоков с применением бесконтактных ме-
- 8 -тодов возникают в основном трудности методического характера.
В этой главе показано, что одним из эффективных методов управления параметрами дисперсных потоков является применение электрических полей, в частности, поля коронного разряда. Однако коронный разряд приводит- к образованию так называемого электрического ветра, который обусловлен взаимодействием сгустков ионов газа с нейтральными молекулами. Кроме того, коронный разряд обладает нестационарностью, что приводит к непостоянству поля течения электрического ветра. При этом следует отметить, что если механизм зарядки дисперсных частиц хорошо известен, то влияние электрического ветра, имеющего нестационарный характер, на движение дисперсных частиц практически не изучено.
Проведенный анализ литературных данных показал, что сведения об электрическом ветре, его динамических характеристиках и их основных зависимостях от параметров коронного разряда разноречивы и малочисленны. Полностью отсутствуют данные о статистических, характеристиках параметров движения электрического ветра и влиянии на него сносящего потока. Недостаточно данных о влиянии электрических полей на параметры пузырьковых течений в реальных технологических устройствах.
Это объясняется отсутствием до последнего времени надежных методов измерения параметров движения гидродинамических потоков в электрических полях.
На основе анализа литературы и физических свойств дисперсных потоков сформулирована задача исследований.
Во второй главе рассматриваются методы бесконтактного исследования дисперсных потоков с использованием лазерной техники, обладающие наибольшими экспериментальными
_ Q _
возможностями.
Методы основаны на анализе пространственно-временных свойств рассеянного излучения.
Представлены ЛДА, расширяющие экспериментальные возможности лазерных методов- исследования на стратифицированные потоки с использованием различных механизмов рассеяния. Конструкции этих ЛДА признаны изобретениями. *
На основании работ Дубнищева Ю. Н., Ринкевичюса Б. С., Смирнова В. И., Dust F., Whitlaw Y. Н., Former W. M. выявлены основные возможности лазерных систем в исследовании дисперсных потоков. Показано, что наибольшими возможностями обладают лазерные доплеровские анемометры. Описаны различные типы частотных модуляторов, предназначенных для устранения знаковой неопределенности измеряемых скоростей дисперсных частиц. Представлен перспективный тип частотного модулятора, обладающего 100%-ным коэффициентом модуляции при практически нулевых потерях модулируемого света. Диапазон плавной перестройки частоты света в пределах от 0-90 кГц. Конструкция модулятора защищена авторским свидетельством.
Приведено описание разработанного модулятора на основе вращающегося рассеивающего диска. Этот тип модулятора позволяет сравнительно просто сформировать оптическую схему ЛДА, чувствительного к трем ортогональным компонентам вектора скорости.
Проанализированы различные электронные системы выделения и обработки полезного сигнала. Установлено, что несмотря на существующие машинные методы обработки полезного сигнала, спектральный метод с использованием спектроанализаторов последовательного типа не потерял своего значения.
На основе анализа литературных данных сделан вывод, что наиболее приемлемой конструкцией является ЛДА, собранный по схеме
- 10 -с опорных пучком. В качестве частотного модулятора использовал вращающийся рассеивающий диск. В качестве электронной системі обработки сигнала выбран наиболее легко осуществимы! спектральный метод обработки сигнала со спектроанализаторої последовательного типа.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованш электрогидродинамического течения в- поле коронного разряда применительно к проблеме -очистки газа. Описана методика і установка для исследования ЭГД-течения. Для исследования движения использовался ЛДА, собранный по схеме с опорным пучкої со сдвигом частоты С рис. 1). Доплеровский сдвиг частоты, как известно, можно записать в виде:
2VX Єї 2 Ul Ri 8o
2V2 Єі- 2 u2 R2 фг 82 fD ,^^2 +^—Sin-Cos ^ Cosr
где u4,U2 - угловые скорости вращения дисков.
Отсюда выражение для определения компонент скорости
(fn—f )А. Cfn— f )А Cfn—f ЗА
у =_.9ї_—s_ . у -А і... у -А___і__.
Ух 2 Sin 01/2 ' Yy 2 Sin 01/2 ' * 2 Cos 81/2
- II -
где Vx; Vy; Vz - компоненты вектора измеряемой скорости потока,
f_ ; fn ; f_ - измеренные частоты доплеровского сдвига Ux Uy uz
частоты, обусловленные движущимся исследуемым потоком;
f_ ; f_ ; f_ - начальные сдвиги частоты опорных пучков света, "х L)y иг
при определении соответствующих компонент скорости потока;
X - длина волны лазерного излучения,
8 и 9 - углы между опорными и сигнальными лучами.
В этой главе приводятся оптическая схема многокомпонентного ЛДА и метод настройки оптической схемы. ЛДА состоит из лазера 1, плоскопараллельной стеклянной пластинки 2, блока сдвига частоты, образованного линзами ЛіЛ2, масками MtM2 и вращающимся рассеивающим диском 3 и маской Мэ, линзой Л5 и вращающимся диском k.
Измерительный блок состоит из линз Л3 и Л, и масок Мэ и М». Мощный сигнальный луч от лазера 1 с помощью плоскопараллельной стеклянной пластины отклоняется параллельно оптической оси. В блоке сдвига частоты сигнальный луч рассеивается на вращающемся диске 3. Маска М2 формирует систему опорных лучей для измерения Vx и Vy. Аналогично образуется опорный луч для измерения V с
помощью маски М5 . Сигнальный луч и система опорных пучков направляются в измерительный блок. На рис.1 видно, что детектирование для определения Vx, Vy и Vz производится с помощью фотоэлектронных умножителей ФЭУХ, ФЭУу и ФЭУ2, соответственно. Сигнал с ФЭУ поступает на спектроанализатор, а затем на самописец.
Учитывая наличие осевой симметрии у исследуемых течений ЛДА использовался в дзухкомпонентном варианте.
В качестве дисперсной фазы использовались частицы дыма диаметром не более 1 мкм, которые внедрялись в поток с помощью специально сконструированного генератора дыма.
-12-Описана конструкция разрядного промежутка и гидродинамического канала для изучения влияния сносящего потока на струю электрического ветра. Относительная погрешность определения компоненты скорости не превышала 5%, абсолютная погрешность определения пространственного положения области измерения не более 1 мм. Ширина аппаратной функции зависит от тщательности настройки и не превышает 10/* Расчетная величина измерительного объема
составляла величину 3x10"'*мэ. Измерение скоростей ЭГД-течения в свободном пространстве и в присутствии сносящего потока производилось в широком диапазоне параметров коронного разряда.
Б результате исследований получено пространственное распределение скоростей электрического ветра в системе электродов острие-плоскость. Показано, что электрический ветер представляет собой струйный поток со скоростью газа в ядре, превышающей 10 м/с, вовлекающий в движение большие массы газа в межэлектродном промежутке (рис.2).
Уменьшение напряжения и увеличение расстояния между электродами' приводит к общему снижению скорости электрического ветра, хотя характер течения в основном определяется межэлектродным расстоянием. Данные о распределении скоростей на оси струи электрического ветра для различных режимов обнаруживают неравномерность движения газа, наличие областей разгона и торможения.
На рис.3 представлены результаты измерений средней скорости на оси струи электрического ветра в зависимости от напряжений для характерных точек разрядного промежутка при наличии и отсутствии сносящего потока воздуха. Видно, что в результате взаимодействия электрического ветра с внешним потоком воздуха струя электрического ветра как гидродинамическая структура возникает при напряжении U между электродани выше 20 кВ. При U > 30 кВ сносящий поток со скоростью 1 м/с уже не оказывает столь
- ІЗ -значительное влияние на положение струи, а- -сана' струя электрического ветра продолжает существовать во всей разрядном промежутке между острием и плоскостью.
Важными характеристиками, влияющими на процессы тепломассопереноса, а также процессы сепарации и осаждения дисперсной фазы, являются статистические характеристики, такие как величина продольных и поперечных пульсаций скорости и степень турбулентности. В главе приводятся и анализируются результаты измерения этих характеристик. Так, на рис.4 представлена относительная интенсивность продольных и поперечных пульсаций скорости для струи электрического ветра в зависимости от напряжений в тех же характерных точках разрядного промежутка. Видно, что пульсационная составляющая скорости электрического ветра у самого острия не превышает 40%. В центре струи с ростом напряжения пульсационная составляющая вдоль струи падает, что говорит о стабилизирующем влиянии электрического поля. Высокий уровень относительной интенсивности пульсаций продольной составляющей скорости в центре струи электрического ветра при низких напряжениях обусловлен нестационарностью коронного разряда со слабым стабилизирующим влиянием электрического поля в центре струи. Общий высокий уровень интенсивности пульсационной составляющей у плоского электрода С кривая 3, рис.4 в,г) обусловлен характером взаимодействия струи электрического ветра с плоской стенкой. Высокая интенсивность поперечной компоненты пульсационной составляющей объясняется малой величиной поперечной компоненты скорости струи электрического ветра и сложным характером взаимодействия со слоями воздуха, прилегающими к струе.
Так, на кривой 1 рис.4 б видно, что у острия при напряжении 40 кВ и при данной геометрии канала сильно сказывается
- 14 -дестабилизирующее влияние неустойчивого полокения точки корокирования. С увеличением напряжения интенсивность поперечных пульсаций скорости спадает, что связано со стабилизацией коронного разряда. Это приводит к упорядочению взаимодействия струи с прилегающими слоями газа. У стенки С кривая 3) характер поперечных пульсаций скорости с ростом напряжения не меняется, что говорит о сильном влиянии стенки. Характер зависимости относительной интенсивности поперечных пульсаций электрического ветра при наличии сносящего потока такой же, что и в отсутствие его, хотя и существенно меньше, что связано с увеличением поперечной составляющей суммарного потока воздуха.
Высокий уровень турбулентности приводит к нарушению процесса осаждения мелкой дисперсной фазы. Следовательно, в рамках традиционного исполнения электрофильтров нельзя увеличить эффективность улавливаения мелких частиц при наличии высокой степени пульсаций потока. Основой механизма электроосакдения дисперсной фазы является образование униполярного облака в межэлектродном промежутке. В этом облаке дисперсные частицы приобретают одноименный заряд и под действием электрического поля движутся к осадительному электроду. Источником униполярного газового облака является коронный разряд, который приводит к такому отрицательному явлению, как образование струи электрического ветра с высоким уровнем турбулентности.
Г/олученные результаты позволили предложить новую конструкцию фильтра, отличительной чертой которого является покрытие коронирующего электрода изотопом металла, обладающим
б5»г „
только одним типом радиоактивности, например Ml.' При этом полюс высоковольтного источника, подключаемого к этому электроду, совпадает со знаком радиоактивности этого электрода. Это дает возможность создать униполярное облако газа в межэлектродном
- 15 -промежутке, устранить электрический ветер и снизить уровень
турбулентности. Уменьшение вероятности пробоя позволит
использовать это устройство для очистки агрессивных газов.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию возможности применения электрических полей для регулирования параметров потоков в газлифтных скважинах.
Основной особенностью исследуемого газожидкостного потока является его относительно небольшая скорость и малая относительная скорость газовых пузырьков. Это накладывает определенные особенности на технические характеристики ЛДА. Для получения приемлемой точности измерения необходимо уменьшить начальный частотный сдвиг и увеличить значение доплеровской частоты от исследуемого потока. Это было осуществлено путем изменения геометрических параметров оптических элементов измерительного блока и блока сдвига частоты, а также путем уменьшения скорости вращения рассеивающего диска. При планировании зкспєрішента учитывалось, что значение доплеровской частоты не будет превышать 20 кгц, а также необходимость измерять частоту следования газовых пузырьков. Поэтому спектральный метод выделения доплеровского сигнала был несколько модифицирован, что дало возможность получить значения частот следования пузырьков.
Пузырьковое течение создавалось в прозрачной камере 40x40x400 мм, в основании которой через уплотнение вставлен
. -4 . -2
стальной капилляр с радиусом 1,2^10 ми длиной 5x10 м. Каигра
заполнялась диэлектрической жидкостью - трансформаторным маслом. Неоднородное электрическое поле создавалось системой электродов тор-острие С капилляр). Воздух подавался через капилляр, с возможностью контроля расхода с помощью расходного капилляра и U-образного дифманометра. Напряжение на электродах с помощью источника постоянного напряжения могло меняться от 0-30 кВ при
этом капилляр подключался к отрицательному полису источника, а тор к положительному. Для определения размера пузырьков был таксе кспользован метод масштабного фотографирования.
Для получения доплеровского сигнала не было необходимости дополнительно вводгггь в гидкость дисперсную фазу. Достаточный уровень доплеровского сигнала имел место при рассеянии лазерного света на естественных включениях в трансформаторном масле.
Измерение поля скорости пузырькового течения осуществлялось в описываемой выше камере при высоте трансформаторного масла над капилляром в 10 см. На рис.5 представлена зависимость скорости от частоты отрыва пузырей. Из анализа данных видно, что движение пузырей приводит к образованию спутных течений с ярко выраженным максимумом скорости жидкости на оси ОУ. При удалении от оси У скорость Vy уменьшается. Характерно такие большое значение скорости Vy в области расположенной вокруг зоны образования пузырей. В более высоких слоях жидкости скорость ее падает практически до нуля, что говорит о том, что поверхностные слои жидкости в движении не участвуют.
Рассматривалось влияние неоднородного электрического поля на жидкость в отсутствии пузырей при разности потенциалов между электродами U = 4 кВ и расстоянии между электродами Н=5 см с превышенным уровнем трансформаторного масла над капилляром h=10 см. При наличии неоднородного электрического поля возникало ЭГД-течение. Из анализа его картины можно заключить, что в межлектродном промежутке существует циркуляционное движение жидкости. Диаметр ядра струи при данном потенциале составляет 5-6 мм и с увеличением разности потенциалов диаметр ее растет. Были найдены зависимости скорости струи ЭГД течения от напряжения в отсутствии пузырей на расстояниях 1 мм и 0,5 мм вверх от капилляра С рис.6). Максимальное значение скорости
Vy=l,4xl0 м/с СН=1 мм). Кривая зависимости скорости от
— г'? _
напряжения в точке (Н=0,5 км) гаеет тот ze характер, что и предыдущая. Ко крішзя лепит несколько ніеїє первой, так что разница в скорости при каждом значении потенциала раЕна
приблизительно 0,1хЮ"г м/с. Естественно предпологоть, что скорость течения 2ИДКОСТИ в неоднородной электрическом поле в присутствии пузырей изменится.
Скорость нздкости измерялась на уровне среза капилляра на расстоянии 0,5 ни от его оси. Получено, что скорость движения
пццсости за счет движения пузырьков равнялась Vy=0,61xl0"z м/с. С увеличением разности потенциалов скорость жидкости
возрастала так, что при U = 9 кВ компонента Vy скорости
достигала величины 3,7x10 м/с, в то время, как скорость
падкости без подачи пузырей составляла величину всего 0,60x10
м/с, т.е. наблюдалось увеличение скорости пргаерно в б раз. Характер зависимости скорости течения лсидкссти при подаче пузырей в зависимости от разности потенциалов представлен на рис.7. Замечено, что при изменении разности потенциалов изменялись частота отрыва и размер пузырей.
Зависимость радиуса и частоты следованш пузырей от напря-кения показана на рис.8. Из анализа этих данных моаго сделать вывод с возможности управления структурой газохидкостного потока с поможет неоднородного электрического поля.
Описан способ получения регулярной структуры газогидкостно-го потока с уменьшенный уровнем коалесценции применительно к газлидзтному подъему гидкости.