（油气储运工程专业论文）旋转涡轮分离器中两相喷嘴研究.pdf

r e s e a r c ho f t h et w o - p h a s en o z z l ea p p l i e di nt h er o t a r yt u r b i n es e p a r a t o r w a n gx i u l a i ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n go fo i la n dg a s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh el i m i na n dl e c t u r e rl u ox i a o m i n g a b s t r a c t r o t a t i n gt u r b i n es e p a r a t o ri s an e wf o r e i g no i la n dg a st r e a t m e n tp l a n tw h i c hi s d e v e l o p m e n tr e c e n t l y b e c a u s eo fi t sn o v e ld e s i g nc o n c e p t sa n du n i q u ep r a c t i c a lf u n c t i o n , r o t a r yt u r b i n es e p a r a t o rh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n , b u ti s s t i l li nt h ed e v e l o p m e n ta n d t e s t i n gs t a g e ，t h e r ea r es o m ek e y i s s u e sh a v en o ty e tb e e nr e s o l v e d t w o - p h a s en o z z l ea st h e c o r ec o m p o n e n to ft h er o t a t i n gt u r b i n es e p a r a t o r , t h et w o - p h a s en o z z l ei st h er o l eo ft h el o w s p e e do ft h ef l o wo fh i 曲p r e s s u r ei n t oah i g h - e n e r g yo fl o w - p r e s s u r em i x t u r e f l u i d t w o - p h a s en o z z l ed i r e c t l yd e t e r m i n et h el e v e lo fp e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n gt u r b i n e s e p a r a t o r t h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yc a nb ea c h i e v e d t h et w o - p h a s en o z z l ef l o w p a r a m e t e r so ft h ea n a l y s i s ，d e s i g na n dt e s tr e s e a r c hi sd e t a i l e d ，s y s t e m a t i cs t u d i e df r o mb o t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n g t ot w o - p h a s ef l o wo fg a s l i q u i da n dg a sn o z z l ef l o wt h e o r y ，a t w o - p h a s en o z z l ef l o wm o d e l - t w o - p h a s en o z z l ec o u p l e dm o d e lw a sb u i l t t h i sm o d e l c o n s i d e r st h er o l eo fd r a g ( m o m e n t u mt r a n s f e r ) ，t h eh e a tt r a n s f e re f f e c t sa n di m p a c to f d r o p l e t sr u p t u r e u s i n gt h i sm o d e lt h ei m p a c to nt h ef l o wo ft w o - p h a s en o z z l e f l o w p a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c e i sa n a l y s e d d r a gc o e f f i c i e n t ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dw e b e r n u m b e ro nt h en o z z l ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sh a v eg r e a ti m p a c t a c c o r d i n gt ot h i sp a p e r , t w o - p h a s ec o u p l e dm o d e la n do t h e rm o d e l sd e s i g nf o u rd i f f e r e n t n o z z l e s ，a n dr e s e a r c ht h e s en o z z l e st h r o u g han o n w o r k i n gc o n d i t i o i as t u d ya n de x p e r i m e n t t h e s es t u d i e sp r o v et h a tt h et w o - p h a s en o z z l ec o u p l i n gm o d e li sa p p l i e dt ot h en o z z l ed e s i g n o ft h et w o p h a s ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no ft h et w o p h a s er o t a t i n g t u r b i n en o z z l es e p a r a t o rp r o t o t y p ew a st e s t e da n df u r t h e rp r o v e dt h a tt h et w o - p h a s en o z z l e d e s i g nm e t h o d i sf e a s i b l ea n da p p l i c a b l e t h et w o - p h a s ec o u p l e dm o d e ld e s i g no ft h en o z z l e i ss u p e r i o rt oo t h e rt h r e em e t h o d s p i t o tt u b ei su s e dt om e a s u r et h et o t a lp r e s s u r eo f j e ta n dt h et w o p h a s em a c hn u m b e ro f t h en o z z l ee x i ti sc a l c u l a t e d ，t h e nt h eg a sv e l o s i t yo fn o z z l ee x i ti sc a l c u l a t e d t h r o u g ht h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h ev e l o s i t yo fg a sa n dt e s tr e s u l t ，w h e nt h e a m o u n to fl i q u i di ss m a l l , t h er e s u l tm e a s u r e dt h r o u g hp i t o tt u b em e a s u r e di sg r e a t e rd i f f e r e n t f r o mt h e o r e t i c a lr e s o l u t i o nv a l u e s n em a i nr e q u i r e m e n to ft h et w o - p h a s en o z z l ei nt h er o t a t i n gt u r b i n es e p a r a t o ri st h e k i n e t i ce n e r g yp r o d u c e da sm u c ha sp o s s i b l e ，s ot h ee f f i c i e n c yb e c o m e st h em a i np a r a m e t e r s t om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo f t w o p h a s en o z z l e t h et w o - p h a s en o z z l ee f f i c i e n c yw i t hl i q u i d m a s sf l o wi n c r e a s e sa f t e rt h ef u s td e c r e a s e b e c a u s eo ft h ed r a gr o l eo ft h em o m e n t u m t r a n s f e rb e t w e e nt h eg a s - l i q u i dt h ek i n e t i ce n e r g yc o n v e r s i o nc a p a b i l i t yr e d u c e s ；e f f i c i e n c y r e d u c e s 、) r i t hm a s sf l o wi n c r e a s e s ；b u td r o p l e t si nt h en o z z l ef l o w , a sah e a t s o u r c e ， c o m p e n s a t e sp a r to ft h ee n e r g yd u et ot h ee x p a n s i o no fg a s e ss u c ha se n t r o p ya r i s i n gf r o mt h e l o w e rt e m p e r a t u r e ，s o 谢t ht h ea m o u n to fl i q u i dt of u r t h e ri n c r e a s et h ed r o p l e t sh e a te n h a n c e t h er o l eo ft h ec a p a c i t ye x p a n s i o no ft h eg a s ，t h en o z z l ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d k e yw o r d s ：r o t a r yt u r b i n es e p a r a t o r ；t w o - p h a s en o z z l e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；t w o - - p h a s en o z z l e c o u p l e dt h e o r y ；n o z z l ed e s i g n 主要符号表 v 音速( m s ) 鸩p 两相马赫数 c ， 定压热容j ( m o l k ) 静压( p a ) 密度( k g n 1 3 ) 总压( p a ) 质量加权比热j ( m o l k ) 绝热指数 液滴直径( 呻 效率 形液体流速( 州s ) 圪 气体流速( 州s ) g 定容热容j ( m 0 1 k ) 转速( r p m ) r气体常数j ( m o l k ) 丁温度( k ) 灭通用气体常数k j ( k m o l k ) 胎雷诺数 三长度( m ) 上标 p p 肋 一c 七 d 叩 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丕彰肛 日期： 乃护彦年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：冽年月日 日期：2 彦年歹月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题的研究背景 气液分离、天然气净化和天然气凝析液回收以及凝析气处理等在油气集输工作中占 有很大的比例【1 1 ，这些工作的完成通常需要各种有效的工艺和设备，其中气液分离设备 是非常重要的一部分，现今的分离设备的应用存在重复购置，投资成本高，运行费用大， 经济效益低等不足。同时，来流的大部分压能被节流阀或其他方式白白损失掉了。 近年来，天然气工业得到了快速的发展。天然气的加工和处理是开采出的天然气商 品化的一个重要组成部分，是安全而经济地进入输气管线或用户之前的一个必要的中间 环节。而天然气脱水又是天然气净化过程中必不可少的一环。 水是天然气从采出至消费的各个处理或加工步骤中最常见的杂质组分。在一定的压 力和低于露点温度的条件下，天然气中将会有液相水析出。液相水对输气管线及处理装 置是非常有害的，主要表现为：冷凝水的局部积累将限制管线中的天然气的流量，冷凝 水也是造成设备、仪表和管线腐蚀破坏的重要因素之一。液态水与c 0 2 和h 2 s 生成具有 腐蚀性的酸，加剧了酸性成分对钢铁的腐蚀；冷凝水也可能形成水化物冻堵，导致输气 中断，给天然气的储运与加工带来很大困难。因此，研究天然气的脱水措施是十分必要 的。 1 1 1 气液分离 气液分离是把管路内自发形成并交错存在的气液两相分离为单一相态的液体和气体 的过程，通常在分离器中进行，它是油气田用得最多、最重要的设备之一。 目前，国内外石油工业中使用的分离器主要有两种类型：传统分离器和小型分离器。 传统分离器主要包括垂直、水平重力沉降分离器，其主要的分离力是重力；小型分离器 主要包括旋流分离器和旋转分离器以及离心分离器，其主要分离力为离心力、旋转动力 和冲击力。 1 传统分离器设备f 1 1 0 l 传统重力式分离器随着石油工业的不断发展，分离设备和工艺技术日臻完善，分离 技术从自然沉降、加热沉降、化学沉降、热化学沉降、电化学沉降发展到当前的多层板 式聚结沉降，相应的分离设备也得到了很大的发展。 传统分离器主要依靠重力来分离相间密度差较大的不同流体，要求有很长的液体滞 第1 章绪论 留时间和很大的沉降空间，从而导致了分离设备的体积巨大。这种设备用在海上时需要 很大的支撑平台，增加了投资运行费用，而且该种分离器较难移动，也不太适合于海上 油气生产的应用。 2 小型分离装置 目前，由于更多的油气储藏于深水和海底中，小型分离器是近年来石油工业中最感 兴趣的、应用研究最广泛的分离器。最常见的小型分离器有旋风分离器、水力旋流器、 旋转动力分离器、在线式旋转分离器等。 ( 1 ) 旋转式分离器【1 1 - 2 4 1 旋转式分离器是没有运动构件而能够使混合流体产生旋转而进行相间分离的一种 小型分离器，它们的分离力为惯性离心力和重力。主要有旋风分离器和水力旋流器。 旋转式分离器所产生的g 力一般是重力分离器g 力的数十到几百倍，而且液体滞 留时间较短，从而体积和重量相对较小，比较适合于海上和井底油气分离应用。但是这 种分离器比传统分离器对流体变化更加敏感，对段塞流的控制和适应能力比较弱。而且 这种类型的分离器对石蜡、砂砾、腐蚀介质以及机械故障等适应能力比较差，容易造成 分离壁面的腐蚀和破坏。 ( 2 ) 旋转动力分离器 旋流式分离器是利用压降使流体发生旋转流动，然后利用流体不同相间的密度差异 分离具有不同密度的相组分。旋转动力分离器的分离力是旋转离心力和重力，它是利用 旋转设备所提供的能量消除了旋流式分离器静止壁面( 边界层) 效应，增加分离效率， 同时也增加了设备的复杂性。但是综合比较，在某些应用中它的利大于弊，例如井底 e s p 系统中。这类设备包括：生产水离心分离器、动力旋流分离器、多层盘片离心分离 器等。 动力旋流分离器是在1 9 8 5 年井底分离应用中首次提出的【2 1 1 ，流体进入一个旋转转 子和静止腔之间的环型空间，混合相很快被加速到转子速度，由于相间密度的差异产生 离心力的差异使得不同相发生了分离。多层盘片离心分离器是一个碗状分离器【2 5 1 ，包括 一个高速旋转的多层锥型圆盘，由多层圆盘提供的高离心力和大的等效沉降区域获得很 好的分离效果，其机构原理如图1 1 所示，图1 2 是用垂直盘片替代多层盘片，图1 3 是垂直盘片的不同类型的流道结构。 2 中同m 大学( 毕东) 颤i 学位论立 痞。懈蘸 圈1 - 1 离心分离器结构原理图1 - 2 离心分离器垂直盘片图1 - 3 不同流道垂直盘片 f i 9 1 - 1 s t r e c t u r ep r i e i p i a m f i g l - 2 v e r t i c a lp l a t t e ro f f i 9 1 - 3 v e r t i c a lp l a t t e r o f d i f f e r e n c e o fc e n t r i f u g a ls e p a r a t o r c e n t r i f u g a ls e p a r a t o r f l o wc h a n n e l 该种类型的分离器不但体积小而且分离效率、分离能力较高，适合于对单相组分纯 度要求较高的场台，但是该分离器需要提供额外的动力，增加了投资运行费用，并且降 低了生产的安全性。 ( 3 ) 在线式旋转分离器( i r s i ) 2 e - 3 9 l 在线式旋转分离器0 r i s ) 是近几年由m p p t 公司丌发的一种超小型的在线式旋转分 离器口”，如图i - 4 所示，它的总体柿局与轴流旋流器相似，分别为：涡旋发生器、分离 区、扩散部分和液体收集区。混合流体通过涡旋发生器中的静叶片使流体沿一个更大的 半径流动，同时增加了流体的切向速度，然后，流体进入分离区，它是一个带有静止内 壁和旋转外壁的环型区域，产生了一个涡旋场，使液体在外壁t 与气体分离。 该分离器的一个显著特点是它具有旋转外壁面，其优点有：1 、对被分离液体施加 一个连续向外的径向力，迫使流体黏附在运动固壁上：2 、没有很厚的剪切边界，与静 止固壁旋流器相比，液层分布均匀、光滑；3 、运动壁面迫使被分离出的液体流出排出 口。 1 9 9 9 年1 0 月到2 0 0 0 年6 月，在德孚e r a m i r e z 气体生产厂对该分离器进行了试 验，最高的效率可达9 9 以上。2 0 0 0 年9 月进行了c e e s i 测试，同时在测试时发现， 该分离器可以用作湿气流量计【删。 在线式旋转分离器是分离器发展史上的一次革命，它的重量只有传统分离器的 1 1 0 ，分离效率在昂大时可达到9 9 9 9 以上，特别适用于现场空间比较小的情况但是 它的分离能力不高，而且对石蜡堵塞、机械故障等更加敏感。该分离器的一个更大的不 足之处是虽然利用了两相流体中的部分能量，但是分离出的单相能量没有的得到充分利 用，对f 游的设备冲击很大。 3 第1 # 绪论 l h i _ - i t n 圉1 4 在线式旋转分离器 f i gi - 4 i n l i a em t a r ys e p a r a t o r 在现有的分离器巾，传统分离器问题是体积大、重量大，而且损失了多相流体中的 大部分可利用能量；而小型的分离器虽然利用了这部分可利用能量，但比传统分离器对 流体变化的适应能力要差对段塞的控制液位和界面很困难，因此只适合于对分离质量 要求不高的应用中，而且该种分离器对石蜡堵塞、腐蚀产品以及机械故障更加敏感，同 时，比传统分离器复杂，投资和运行费用更高。 2 天然气处理 1 天然气净化 天然气净化包括脱出天然气中的饱和水和酸性气体( h 2 3 、c 0 9 。通过脱水使气体 在管线输送时不析出液态永，以满足商品天然气对水露点的要求；或用冷凝法回收凝液 时未析出的液态水。商用天然气对酸性气的含量有严格的规定，原料气内酸性气含量超 过规定值时，就需要脱除硫化氢、二氧化碳等酸性气体。 ( 1 ) 天然气脱硫 天然气脱硫的方法很多，主要有问歇法、化学吸收法、物理吸收法、混合溶剂吸收 法、直接氧化法和膜分离法等。这些方法都有各自的优缺点，例如在化学吸收法和物理 吸收法工艺中，在汽提再生塔和闪蒸罐总要排出酸气，这些酸气或者直接排放，或者送 火炬灼烧产生s 0 2 ，这既浪费资源又破坏环境，同时浪费了原料天然气的一部分压能。 其他方法的特点在参考文献中有详尽的讲解，这里不再赘述。 ( 2 ) 天然气脱水 从油、气井生产出的天然气，一般都台有一些饱和的水蒸汽。气体中存在饱和的水 汽不仅降低了商品天然气管道的输送能力和气体热值，而且在油、气m 集输和气体加工 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 过程中由于气体工艺条件的变化引起水蒸汽凝析，形成液态水、冰或固态气体水合物， 从而增大了集气管路的压降，严重时会造成水合物堵塞管道，生产被迫中断等事故。因 而，油气田生产的天然气一般都需要脱水，以满足气体后续加工工艺、管输和商品天然 气对含水量的要求。脱水过程一般在脱酸之后进行。天然气脱水的常用方法有：溶剂吸 收法、固体吸收法、低温分离法。在实际生产中，可根据对天然气脱水程度的要求和经 济方面考虑选择适当的脱水方法。目前，最常用的方法是三甘醇吸收和固体干燥剂脱水 两种。这两种常规方法工艺很成熟，而且脱水效果比较好，但是需要添加药剂或工艺要 求比较复杂。随着科学研究和科学技术的发展，出现了一些新的脱水方法，其中壳牌公 司研发的t w i s t c r - i 和t w i s t e r - i i 以及由中国石油大学、北京工业大学和西安交通大学对 其进行相关研究得到的天然气超音速分离器是较新颖的一种脱水技术。所有这些脱水技 术虽然在一定程度上解决了天然气的脱水问题，但对原料天然气的压能最终没有很好的 得到利用，浪费了这部分可利用能量。 传统的集气工艺方法和油气分离技术都存在着一些弊端。如：在凝析气田地面集输 工艺的设计基本上是参照气田集输工艺，在实际生产中产生了诸如油气分离不彻底、能 源浪费、凝析油采收率低等问题。从天然气中分离水和凝析油通常采取蒸汽压缩制冷、 节流膨胀制冷和透平机制冷等方法获取冷量，实现低温分离，必要时还需加热或加水合 物抑制剂以防止水与天然气形成的水合物结晶在管输及后续深冷加工过程中冻堵管线、 设备，整个过程极为复杂，耗资巨大，并且需要庞大的设备，成本和运行费用很高。 1 2 旋转涡轮分离器的研究现状 1 2 1 旋转涡轮分离器结构原理 旋转涡轮分离器是一种结合了紧凑高效油气分离以及常规分离操作中产生压降损 失能量的恢复的独特分离设备，该设备最初是由a k e rk v a e m e r 处理系统公司开发的， 1 9 9 8 年，该公司与d r e s s e r - r a n d 合资组建了m p p t 公司。m p p t 公司将分离处理技术 和能量恢复知识相结合，推出了工业化的旋转涡轮分离器【4 。 5 第1 章绪论 k i 珧i n k i n m 幢c i k w 瞎 图1 5 两相旋转涡轮分离器机构示意图 f i g1 - 5 s k e t c ho ft w o - p h 瓢辩r o t a r yt u r b i n es e p a r a t o r 图1 5 是两相旋转涡轮分离器的结构图，该分离器利用两相喷嘴将两相流体的压能 转化为高速动能，该高速射流沿近切线方向冲击一个可以自由旋转的表面并使其旋转， 高速旋转的表面产生的高离心力使多相分离并产生轴功，产生的轴功可以用于其他设备 的运行，如泵，分离出的气体和液体通过各自的排出口排出分离器。 1 2 2 旋转涡轮分离器试验研究 在1 9 9 8 年至2 0 0 2 年年间，m p p t 公司和其他石油公司对旋转涡轮分离器进行了大 量的现场生产测试，验证其结构的可行性、可靠性、分离效率、分离能力及能量恢复能 力。 1 9 9 8 年3 月一5 月，道格拉斯等九大石油公司组成了一个工程小组，在t e x c a oh u m b l e 试验工厂安装和测试了一台两相涡轮分离器，在1 5 天的运行中，分离效率在9 9 4 l 一 9 9 8 8 之间，但是输出功率较低，这是因为分离器中的气体叶栅消耗了涡轮的部分能量。 1 9 9 8 年后半年，工程小组又对一个三相旋转涡轮分离器进行了测试【4 2 】。 2 0 0 0 年9 月，道格拉斯和m p p t 在陆上和海上油田对三相旋转涡轮分离器进行了进一 步的测试，该分离器解决了需要利用外在能量推动旋转涡轮进行三相分离的问题，而且 体积和重量只有传统分离器的十分之一【4 3 】。 2 0 0 0 年至l j 2 0 0 1 年间，m p p t 公司、壳牌深水服务公司和勘探开发公司在墨西哥湾的 拉姆一鲍威尔t l p 上对两相旋转阻力涡轮分离器进行了一系列试验 4 4 4 5 1 。试验结果如 下： ( 1 ) 总效率 现场试验的主要目标就是验证在现场流动环境里操作范围尽可能宽的情况下分离 器的总分离效率。图1 - 6 显示了分离效率与液体背压之间的关系。当液体出口背压增加 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 时，效率有一个下降的趋势。当分离器在小于设计速度2 0 的情况下运行时，设备仍然 证明其能够分离体积或者质量的9 9 以上。分离效率与分离器转速成正比，并且只有在 分离器达到设计转速的8 2 时，转动能力开始有明显的下降，分离器的设计转速范围为 2 2 0 0 到2 4 0 0 r p m ，但在整个测试期间都没有达到此设计转速。 图l _ 6 效率与液体背压的关系 f i g1 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f i c i e n c ya n dl i q u i db a c k p r e s s u l t ( 2 ) 液体携气量 液体携气量受到扩散器进口滑动浮子移动位置的影响。这个部件的损害由于不能被 及时替换，因此液体携气量比预期的要高。当扩散器在转子上被分离液膜内运行时，可 以通过增加从涡轮出口液体的背压来降低携气量。通过绘制背压的增加与涡轮出口液体 的比重读数的对比显示其影响，如图1 7 所示。液体密度的增大表明了从涡轮出来的液 体携气减小。 图1 7 液体比重与背压的关系 f i g1 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i q u i ds p e c i f i cg r a v i t ya n db a c k p r e s s u l e 增加液流的背压能够推动扩散器内液气界面向其进口处移动，当这种情况发生时， 在扩散器的边缘形成了更多的水雾，因此液体残留物增加。图1 8 说明了这种影响。这 种影响是扩散器在液层中运动所固有的，基于这种影响，就必须考虑被分离液体的压力 7 第1 章绪论 要求，如果不要求分离液体有较高的压力，则反作用喷射转子将是更好的选择。 图1 - 8 液体回收与背压的关系 f i g1 - 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i q u i dr e c o v e r ya n db a c k p r e s s n r e ( 3 ) 液体残留 测试中将液体残留的测量数值与流过分离器的质量及液体出口处的背压作了比较。 过滤室可以除掉9 9 9 9 直径不小于3 微米的液滴，同时，通过过滤器也有一个轻微的 压降从而增加了液体凝结物进入容器。当循环流从聚集过滤器排放出来并通过容器放泄 阀下游的涡轮流量计测量到了液体残留量。对测试结果分析发现，当有少量闪蒸气体析 出时，仪表的位置不是最佳的，因此，当液体和气体流经仪表时增大了仪表的表值。通 过应用h y s y s 计算了误差，对流速作了大约1 - 3 的修正。 为了计算效率等性能参数，测试工作者把该循环转化为铭牌流量，通过应用辛普森 积分方法得到曲线下的面积，然后除以测试期间的时间得到了该速度，如图1 - 9 所示。 图1 - 9 液体回收与时间的关系 f i g1 - 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i q u i dr e c o v e r ya n dt i m e ( 4 ) 能量恢复能力 虽然这次现场试验的主要目的是为了评价旋转涡轮分离器的分离效率，但是同时也 测试了分离器的能量恢复能力，从而为今后的能量恢复涡轮动力特性提供了数据支持。 涡轮转子的内部结构从最初的粗陋的测试体到包括气体叶片和控制气流经过叶片的流 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 动转换器都经过了改进，该涡轮也是首次单独在实际流体流动过程中运行。 由于该设备的试验介质流速较低，所以该设备回收的能量不是很明显。该涡轮中采 用的气体叶片是一种冲击型叶片，该叶片的流道是可以改变的，通过改变叶片的入口面 积使得与设计的气体流速相适应。这就允许了叶片的长度既在标准生产的范围内同时又 使得叶片通道能够适合现有轮毂的尺寸。当转子推力保持最小值时应用脉冲叶片是合适 的，但是如果应用反作用型叶片则转子推力不能保持长时间稳定。考虑到这些问题，不 难理解为什么流过涡轮的流速较低但对能量的回收有很大的影响。 该涡轮叶片适合于一定范围内的套管上涡流气体速度，该涡流是由两相喷嘴产生 的，并使套管上的喷射流发生旋转运动。随着压差的降低，喷嘴出口喷射速度降低，因 此涡旋速度也降低了，从而脉冲叶片所能抽取的能量也减少了。在叶片系统中由于叶片 的进口角不准确也会发生一些能量的损失。 1 2 3 旋转涡轮分离器的应用 旋转涡轮分离器在油气工业中的应用包括【删以下几个方面： 1 ) 气体处理应用： 天然气的处理及相关的过程包含很多的压降和分离装置，两相分离器的应用将非常 有效。 2 ) 气体脱水： 设想在乙二醇循环中用两相分离器替代阻塞阀和闪蒸滚筒。分离器将气体及充足的 乙二醇进行分离并从过程压降中恢复能量。 3 ) 气体脱硫； 4 ) n g l s 回收及凝析气处理。 总之，到目前为止，专门用于多相流体分离并且能够恢复可利用能量的分离器一旋 转涡轮分离器( r s t ) 虽然在国外已有研究，但所有相关文献只是对该分离器的原理和试 验进行了介绍，其具体的结构和设计参数都是未公开的，而且这种分离器或者提高了被 分离液体的压能( 利用扩散液收集器) ，或者将被分离液体的部分能量转化为轴功，但 被分离气相的部分能量却被损耗掉了( 通过气体叶栅) ，而国内这方面还没有研究。所 以对这种分离器及其构件进行理论研究、详细分析设计和试验研究是非常必要的。 9 第1 章绪论 1 3 收缩扩张型喷嘴的研究现状 1 3 1 收缩扩张型喷嘴的结构原理 收缩扩张型喷嘴是旋转涡轮分离器的核心构件，此构件的主要作用是将两相流体 的压能转化为动能。本项目所研究的两相喷嘴的流动介质是气体与悬浮于其中的热液滴 的两相混合流体。两相喷嘴与传统的气体喷嘴的最大不同之处是：热液体可作为两相喷 嘴的一种热源，部分液体的热能传递给气体，提高气体的温度，从而两相热焓转化为动 能，所以两相喷嘴中气体的温降要远远低于气体喷嘴中的温降，这也是两相喷嘴的最大 优点。两相收缩扩张型喷嘴表面看起来结构简单，但与传统的气体喷嘴相比，其中的 流体流动特性却非常的复杂。 目前两相喷嘴的研究领域一般可以分为三个方面：1 ) 气体一颗粒：2 ) 气体一液体； 3 ) 蒸汽一液体流动。气体一颗粒喷嘴主要应用于火箭发动机中的金属化固体推进燃料流 动，是最易于分析的一种。气体一液体喷嘴是比较复杂的，主要是因为液滴的影响，但 它的应用范围比较广泛，包括低速高压透平机，气体喷射泵，m h d 电力生产以及雾化 和喷涂设备。蒸汽一液体喷嘴流动是最复杂的一种，因为其中有相间的传质影响，主要 应用于地热发电涡轮和蒸汽涡轮中的蒸汽一水流动。本研究主要研究的是第二种两相喷 嘴。 1 3 2 收缩扩张型喷嘴的理论及模拟研究现状 国文学，胡思科等人【4 7 1 研究了喷管流动特性与管道截面变化规律的关系，针对管内 流动规律的一般应用中存在的问题，着重讨论了喷管内工质流动特性与管道截面变化规 律的关系，从而更准确更完整地反映了喷管内工质流动规律。杨福峰，刘晓波f 4 8 】基于气 体动力学原理由数学模型得出气流一元流动的特性流速与压力的关系，流速与断面的关 系并分析说明原因，然后根据用软件进行数值模拟结果与理论相符合，为设计与制造超 音速喷嘴提供了依据。淡林鹏，张振鹏等1 4 9 等对长尾喷管两相流流场进行了数值模拟， 在长尾喷管喉部附近以及扩散段的相同轴向位置，两相流情况下轴线上的燃气马赫数小 于纯气相情况下的马赫数；两相流情况下轴线和壁面上的燃气温度大于纯气相情况下的 燃气温度；在进行长尾喷管热防护结构设计时应以两相流流场作为热边界条件。姚亚夫， 张静【5 0 】采用有限元分析软件a n s y s 对l a v a l 喷管内的混合气流场分布进行了流体动 力学的有限元数值模拟，得到了比较直观的混合气的流动轨迹。经过计算仿真找到了空 气补偿装置的较佳位置，经试验发现发动机油耗降低，尾气排放减少，功率、扭矩增加。 获得了所研究流场内流体的流动特性，理论分析与实验结果比较一致，可对发动机尾气 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 排放、电控化油器的技术改造等问题的研究提供参考。陈林泉，李岩芳等【5 1 1 用f l u e n t 计算流体力学软件对固体火箭发动机嘴管流场进行了数值计算，研究了嘴管收敛半角、 喷管喉部上游圆弧曲率半径和喷管圆柱段长度对喷管流场的影响。研究结果表明：喷管 喉部圆柱段长度对流场影响不大；嘴管流量随嘴管收敛半角的增大而减小：喷管流量随 喷管喉部上游圆弧半径的增大而增大。王明波，王瑞和【5 2 】基于连续介质理论，考虑了液 固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k 吨两 方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优 选。 r u d i n g e r 5 3 1 将k l i e g e l 的定比滞后喷嘴理论扩展到必须考虑颗粒体积的高颗粒流量。 此模型计算机求解表明，在一定操作条件下，在整个喷嘴中气体和颗粒( 或液滴) 的温 度实际上仍然是定常的，这对于高质量流量比也是适合的( 质量流量比是液滴颗粒的质 量流量与气体流量之比) 。这些结果似乎是合理的，因为等温流动意味着一个单一的等 熵膨胀指数，当质量流量比增加时迅速接近的一个值。在流动可以认为是等温的情况时， 闭式解析解方程成为速度和流动面积是整个喷嘴压力的函数，便于手工计算。 1 3 3 收缩扩张型喷嘴的试验研究 沈跃栋、凌志光和周炯【5 4 】为使流经缩放形喷管的低温热水得到充分膨胀和加速，在 此对缩放形喷管的喉部及扩张段进行试验对比分析。试验结果表明：喉部形状直接影响 喷管性能；对于汽液两相流必须充分考虑相间不平衡度问题，通过试验获得高效喷管的 设计参数。金捷，赵景芸等蚓在模拟实际发动机喷管落压比的情况下，利用轴对称矢量 喷管的缩比模型对其壁面静压分布进行了试验研究。研究结果表明：当矢量偏转后，轴 对称矢量喷管的收敛段与扩张段内流场均呈现出复杂的三维流动的特征( 当喷管落压比 小于完全膨胀落压比时，喷管内部存在周向不对称的斜激波和分离区，且激波位置随几 何矢量角的增大而前移。 n e t z e r ( 5 6 】对空气一水喷嘴进行了一些试验，研究了韦伯数破碎准则对液滴破碎的影 响，尽管在他的分析中摩擦被忽略。对于短喷嘴，摩擦影响可以被忽略；但是，在长喷 嘴中，摩擦影响很大，所测量到的速度比这个无摩擦模型所预测的速度低了将近2 5 。 h u l t b e r g 及s o o 【5 3 】对气体固体颗粒( 定常直径) 两相混合物进行了试验研究，他们 的模型包括固体颗粒和气相之间的速度滑移和热传递效应，对于给定的喷嘴形状，他们 运用迭代数值方法来求解控制方程，并且对解的收敛性进行了检验。因为该模型的提出 是为了研究火箭发动机喷嘴中包含氧化铝或氧化镁( 固体) 颗粒的金属化助推剂的流动， 1 1 第1 章绪论 所以没有考虑液滴的破碎。 e l l i o t ( 1 9 6 8 ) 5 3 1 通过一系列试验测量了水一氮喷嘴的出口射流推力，液气质量比从 1 4 到7 0 。测量了喷嘴沿轴线压力分布，并且与计算机程序结果进行了比较。同时测量 了流量，测量到的出口速度比计算值高3 5 。用水氟利昂喷嘴进行测试，得到了相似 的结论。 1 4 课题研究的目的和意义 、 通过了解气液分离和天然气净化、天然气凝析液回收以及凝析气处理的现状，发现： ( 1 ) 在石油工业中传统的气液两相分离技术有了很好的发展，但大多数是基于重力、离心 力、旋转动力和冲击力分离，主要表现形式是重力分离器和旋流分离器。还有一些正在 研究中新的分离器，比如旋转分离器。这些分离器对石油工业的发展和生产单位的经济 效益起一定作用，但石油生产经济的日益变化以及更少的不可再生的油气藏要求改善目 前所使用的分离方法，以减少开发和运行费用。目前的分离技术存在三个方面的主要问 题：一是体积大、重量大；二是多相流体中的有用能量被部分或完全消耗：三是当泡沫 和乳化产生时，分离不彻底。如在海上平台和油船上，大体积和重量的传统分离器需要 重大的支撑结构，而且这些分离器对移动有很大的敏感性，所以需要重量轻、对移动不 敏感的小体积分离器。在高压多相流中可利用的能量很大，目前的分离系统通过止回阀 和减压阀以压降的形式损失掉了这部分能量。而且，这种节流所产生的强烈的剪切和摩 擦力加剧了乳化和泡沫，导致分离更加困难。当这些有用的能量不能够被恢复时，就必 须提供其他形式的动力，从而导致了投资和运行费用的增加，有些国家如挪威增加了二 氧化碳排放税；( 2 ) 天然气净化和天然气凝析液回收以及凝析气处理归根结底是从原料天 然气中分离出杂质比如水、凝析液等，得到商品天然气的过程。目前上述天然气处理过 程已经相当成熟了，但存在如下两方面的主要不足之处：一是处理过程和气液分离过程 分开，工艺复杂，设备多，经济效益低；二是不能将原料气的高压能有效地利用，损失 了可用能量，增加了设备投资。 综上所述，小型的应用范围大的能够实现多相流体分离和将有用能量转化为轴功的 旋转涡轮分离器的研究便成为石油工业发展的迫切需要，该分离器不但可以对多相流体 进行高效分离，而且产生的轴功可以用来驱动其他设备，例如泵或压缩机，减少了投资 运行费用，具有很大的实用价值和经济效益。旋转涡轮分离器是最近几年才发展起来的 一种新型分离器，美国的m p p t 公司已经开发并在海上平台进行了现场试验，效果很好， 然而对其结构模型和尺寸等方面的文章国内外没有公开发表过。两相喷嘴是旋转涡轮分 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 离器的核心构件。两相喷嘴对于实现旋转涡轮分离器的功能起着至关重要的作用，所以 对两相喷嘴的流动特性和设计方法的研究成为亟待解决的问题。 1 5 本文主要的研究内容 本文首先建立两相喷嘴流动模型一两相喷嘴耦合模型，其次利用建立的两相喷嘴耦 合模型对两相喷嘴流动进行了分析，然后利用四种不同的方法设计了两相喷嘴并对其进 行非设计工况分析，最后对所设计的两相喷嘴和应用两相喷嘴的旋转涡轮分离器进行试 验研究。具体而言，需要完成下列工作： 1 ) 建立两相喷嘴流动模型一两相喷嘴耦合模型； 2 ) 对分离器中的主要零部件两相喷嘴进行详细的理论分析、计算设计，最终得到 最优的适合旋转涡轮分离器的两相喷嘴； 3 ) 对两相喷嘴进行非设计工况分析； 4 ) 编制两相喷嘴参数分析，设计和非设计工况分析软件； 5 ) 对两相喷嘴和旋转涡轮分离器进行试验研究并分析结果。 1 3 第2 章两相喷嘴理论及其参数分析 第2 章两相喷嘴理论及其参数分析 2