（油气储运工程专业论文）超音速旋流分离器结构设计与流场特性研究.pdf

a b s t r a c t t h es u p e r s o n i c s w i r l i n gs e p a r a t o ri s ar e v o l u t i o n a r yn e wn a t u r a l g a sp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h es e p a r a t o rh a st h e r m o d y n a m i c ss i m i l a rt oat u r b o - e x p a n d e r , c o m b i n i n g t h e r m a li n s u l a t i o n e x p a n s i o n ，l o wt e m p e r a t u r ec o n d e n s a t i o n ，s w i r l i n g s e p a r a t i o na n d r e c o m p r e s s i o ni n ac o m p a c tt u b u l a rd e v i c e i th a sn om o v i n gp a r t s ，a n dt h en e e df o r a s s o c i a t e dr e g e n e r a t i o ns y s t e m si se l i m i n a t e d s ot h en e wt e c h n o l o g yc a nc u tc a p i t a la n d o p e r a t i n ge x p e n d i t u r e se f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r b a s e do nt h eo r i g i n a ls t u d yb o t ha th o m ea n da b r o a d ，an e w t y p eo f s u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t e rw a sd e s i g n e du n d e rt h ep r i n c i p l e so ff i r s te x p a n s i o na n dt h e n s w i r l i n g ，w h o s es w i r lc o m p o n e n tu s ew e d g e - s h a p e db o d ya n ds w i r l i n gl e a v e s w h a t sm o r e ， t h es w i r l e ri sp l a c e da tt h ec o n d e n s a t i o ns e c t i o no fn o z z l e ，s ot h es e p a r a t e rc a no b t a i nb e t t e r c y c l o n ee f f e c t sa n dr a i s et h ee f f i c i e n c yg r e a t l y t h es w i r l e ri st h ek e yp a r to ft h es e p a r a t o r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f s w i r l e r , t h es t r u c t u r eo fs w i r l e rw a saw e d g ew i t hs e v e r a ls w i r l i n gv a n e s b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i t so p t i m u ms t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e da sf o l l o w s ：e 18 6p h y l l i f o r m p r e f e r r e da ss w i r l i n gv a n e s ，t h es w i r l i n gv a n e si n s t a l l e db yt h ea n g l eo f4 0t o4 2d e g r e e sa n d t w i s t e db y3 0d e g r e e s ，t h el o c a t i o nf o rt h ei n s t a l l a t i o no f9 4t o9 6 m m ，t h en u m b e ro f12 a n d t h ew e d g ec u r v a t u r eo f1 ：4 b e s i d e s ，s u b s o n i cc o n v e r g e n ts e c t i o no fl a v a ln o z z l ei s d e s i g n e d a c c o r d i n gt od o u b l ec u b i cc u r v em e t h o d ，t h r o a ti sd e s i g n e da sas m o o t hc i r c u l a ra r c ，a n d s u p e r s o n i cd i v e r g e n ts e c t i o ni sd e s i g n e do nt h eb a s i so fa r ct r a n s i t i o n 、l i n e a rp o r t i o na n d f o e l s c hm e t h o d t h es t r e a mf r o mt h i st y p eo fn o z z l eh a sp r e f e r a b l eu n i f o r m i t yo fv e l o c i t y , l e s se n e r g yl o s s a n dt h ed i f f u s i o ns e c t i o ni sd e s i g n e da c c o r d i n gt oc o n i c a lc o n t o u r a tt h el a s tp a r to ft h ea r t i c l e ，t h en e w h y d r o c y c l o n es u p e r s o n i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，t o t a l p r e s s u r el o s s ，s t e p u pr a t i o ，t h es c o p eo ft h ee x p o r ta n di m p o r to fp r e s s u r e ，a n df l o w s e l f - a d a p t i v es c o p ei ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nc o m p a r e st h eo t h e rt w om e t h o d so ff o r e i g n a n ds h o w st h a tt h es u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa b l et oo b t m nb e t t e r r e s u l t sa b o u ts w i r l i n ga n de x p a n s i o ne f f e c t i v e n e s s e s k e y w o r d s ：s u p e r s o n i c s ，s w i r l e r ，s w i r l i n gv a n e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 主要符号表 声速( m s ) 马赫数 定压热容j ( m o l k 、) 静压( p a ) 密度( k g m 3 ) 总压( p a ) 总密度( k g m 3 ) 绝热指数 湍流粘性比 直径( m ) 效率( ) 管壁平均摩擦系数 上标 木 滞止状态 主要符号表 流速( m s ) 分子量 定容热容j ( m o l k ) 静温( k ) 气体常数j ( m o l k ) 总温( k ) 通用气体常数( k j ( k m o l k ) 湍流强度 雷诺数 长度( m ) 摩擦系数 面积( m 2 ) 下标 仃临界状态a v g 平均值 y m g ， 厅 n ， 尼 工厂 a 口 胁 q p p 矿 胪 七 k d 矽 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：势m 、 聊年多月珂日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 聊年 乡月节日 碲月节日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及其目的、意义 根据能源发展“十一五规划，加快油气开发、节能、环保是我国能源发展的 重要措施，天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支 柱。2 0 0 5 年中国天然气产量为4 9 3 亿立方米，占一次能源消费总量的2 7 。“十一五” 规划要求，2 0 1 0 年全国天然气产量要达到9 2 0 亿立方米，占一次能源消费总量的5 3 。 根据已探明的天然气资源分布特征，海上天然气特别是深水天然气的开发将是实现能源 供应立足国内战略的重点。 天然气气田从井口出来的气流几乎都为水汽所饱和，并含有少量重烃。含饱和水的 天然气进入管线常常造成一系列的问题：( 1 ) 增加管线输送的动力消耗，降低输气量； ( 2 ) 天然气中的c 0 2 和h 2 s 溶于游离水中会形成酸，腐蚀管路和设备；( 3 ) 水与天然 气形成的水合物结晶造成天然气水合物的局部积累减少输气管道截面积，降低输气量， 影响平稳供气，严重时可堵塞输气管线和其它处理设备，给天然气储运和加工造成很大 困难。而重烃的存在也会降低天然气热值，降低输气效率，严重时堵塞管线。因此天然 气防冻、脱水和重烃分离是油气集输系统的重要工艺环节。将天然气中的水汽含量控制 在工艺流程要求的范围内，才能保证气体输送和轻烃回收工艺的实施。 井口加热节流和加入水合物抑制剂集气工艺是当前天然气开发常规集气工艺，通过 节流降低井流压力，损失了高压能量，而加热、注醇又增加了能源消耗，显然常规的加 热、注醇工艺被动地解决水合物的冻堵问题，增加了运行设备，提高了天然取得开发成 本。 常温分离工艺和低温分离工艺是常用的天然气分离技术，传统的油气分离技术有诸 多弊端。如：在天然气集输系统中存在油气分离不彻底、能源浪费、凝析油采收率不高 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、节流膨胀制冷和膨胀机制 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，需要庞大的设备，成本和运行费用很高。 深海气田的开发迫切需要提出新的湿气分离原理，开发出结构紧凑、稳定性好，精 度高，基本无须维护的模块化设备超音速旋流分液器，用于从天然气中分离水和凝 析油。本课题来源于国家8 6 3 项目深水湿气计量与分离新技术研究，本课题的研究 第l 章绪论 内容对于完善和发展天然气集输和加工处理工艺、降低深水天然气开发成本都具有十分 重要的意义。从国内外天然气气工业的发展来看，超声速旋流天然气分离技术顺应了天 然气工业安全、环保、节能降耗、降低开发成本的要求，支持无人值守，顺应边际油气 田、沙漠油气田特别是海洋油气田发展的趋势，有着广阔的发展前景。 1 2 超声速旋流分离器研究进展 1 2 1 超音速旋流分离技术结构和工作原理 超音速旋流分液技术其理论最初应用于1 9 8 9 年，以空气旋流器的名义获得专利， 主要用于空调上，空气加压以超声速流经管道，将水从空气中分离出来。直到1 9 9 7 年，壳牌石油公司提出并开始研究超声速旋流天然气分离技术乜1 ，研制出一种名为 t w i s t e r 的超声速分离装置，该技术才在油气加工处理领域受到重视。国内对超声速旋流 天然气分离技术的研究刚起步，主要是对国外技术的报道和综述。 超音速旋流分液技术完美地结合了空气动力学、工程热力学和流体力学的理论，将 膨胀降温、旋流式气液分离、再压缩等处理过程在一个密闭紧凑的装置中完成，其技术 核心是借助超音速和旋流场使天然气中的水和重烃组分冷凝分离。因此具有密闭无泄 漏、无需化学药剂、结构紧凑轻巧、简单可靠( 无转动部件) 、支持无人值守等优点， 从而实现了节约成本和保护环境的双重效益。 超音速旋流分离的结构，主要由拉伐尔喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等 构件组成( 图1 1 ) 瞄1 ，这些构件形成了一个连通的管道，保证流体能够顺利通过。在 超音速旋流分离器中，天然气通过喷管绝热膨胀至超音速，其温度和压力将降低，形成 低温低压，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态开始凝结，发生成核现象，并且液 滴开始生长，形成气液混合物。然后，气液混合物通过置于喷管后直管道中产生旋流的 尾翼，形成强烈的旋流场，在流动中液滴在离心力的作用下旋流到管壁处。因而居于管 道中心处的气流变成干气，液体沿管壁流动，而管壁处的气体将包含部分重烃和水分成 份。最后，分离器将气流外层与中心处气流分离，实现气体和凝析液的分离。然后干气 流入扩压管压缩，减速升压。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 地耙 气 液+ 滑脱气j 图1 - 1 超音速旋藏分离器结构 f 蜒l 一1s h n c t n m e o f s n p e r s o = i c s w i r l i n g s e l m w s t o r 超音速旋流分离器主要工作原理包括： ( 1 ) 拉伐尔喷管用来将气体绝热膨胀至超音速，同时形成低温低压。如温度2 0 c 、压力 l o m p a 的饱和天然气通过拉伐尔喷管后，马赫数m a - 1 ，温度骤降为一4 0 ，压力降为 3 m p a 。 ( 2 ) 低温使天然气中的重烃和水分开始凝结产生相变，出现液滴。 ( 3 ) 气液混合物贴着尾翼经过直管，形成剧烈的旋流场，液滴受到离心力作用被抛至管 壁。 ( 4 ) 由于同轴旋流，液体在管壁流动而干气居于主流中心，分离器实现气体和凝析液分 离。 ( 5 ) 经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压管，速度转化为压力，气流压力恢 复到进口压力的7 0 8 0 。分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的部分气体， 并将这部分气体与干气流会合。 这些处理设备都在个密闭紧凑的装置里，无移动部件。其中拉伐尔喷管相当于透 平膨胀机，低温天然气经过气渡分离区的尾翼由轴流变为旋流实现旋流分离，扩压管相 当于二次压缩机。 超音速分离器充分利用超音速的优点，在气体处理中运用了从根本上不同的概念。 通过有效地将轴功用动能即速度替换，热力学第一定律得到应用。因此，与透平膨胀机 中的系统轴功不同，这里是速度增加。因为流体在超音速分离器中的停留时间特别短， 这是一个不平衡的瞬态过程。尾翼的作用，产生巨大的离心加速度，约为3 0 0 ，0 0 0 5 0 0 ， 0 0 0 倍重力加速度“5 。“，无须使用旋转设备来获得这种离心力。另外，因为不需化学药 剂，这个过程就显得独特。在极短的停留时叫内水合物形成在动力学中的时间条件不 满足，则不会形成水台物。同时也因为这是一个密闭系统，不会存在乙二醇再生设备中 1 第l 章绪论 诸如乙二醇之类的泄漏问题。 1 2 2 超音速旋流分离器的干燥和露点降性能 将超音速旋流分离器与焦耳一汤姆逊阀( j t 阀) 和透平膨胀机进行热力学比较 7 , s l 。图l 一2 是某天然气的相包络线和水凝析曲线。在这个例子中，三种处理方法的出 口压力( 即外输压力) 相同。j t 阀是绝热等焓过程，效率最低。透平膨胀机的等熵效 率接近8 5 ，因此进入相包络线要深一些，需使用二次压缩机压缩气体以达到出口压力 的要求。相比之下，超音速旋流分离器的等熵效率约为9 0 ，进入相包络线最深，在给 定压降下能获得较低的温度，而且它无需移动部件，利用扩压管就可将气体压缩到所需 的出口压力。故从热力学的观点来看，超音速旋流分离器充分利用了热力学原理，并将 理论上的优势成功地转化为气体处理的实际应用。 1 9 9 8 年至2 0 0 3 年先后在荷兰、尼日利亚和挪威进行了中试，水露点达到2 至9 。c ， 2 0 0 3 年1 2 月首次在马来西亚海上石油平台进行了商业应用试验旧1 。实际露点降的性能 取决于气体组成、入口温度及压降，在很多情况下，可以将气液旋流分离器置于一个气 气换热冷却回路中，从而获得稍高于水合物形成温度的入口温度。随着该项技术的深入 研究，超音速旋流分离器的露点降性能将会得到大幅度提高。 图l - 2 超音速旋流分离器与j _ t 阀和透平膨胀机的热力学比较 f i g i - 2 e n e r g e t i cc o m p a r i s o no fs u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t o r ，j - tv a l u ea n dt u r b oe x p a n d e r 1 2 3 喷管、节流、透平式膨胀机制冷效率比较 1 2 3 1 喷管制冷 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文 天然气流经喷管时，由于加速时间很短，可以认为该过程为可逆绝热过程，根据熵 的定义，出= 等， 可逆绝热时，国。，= o ，故：f f d s = 。，s = 定值。可逆绝热过程又可陈为 定熵过程。 设喷管入口的气体参数为p l ，v l ，t l ，喷管任意截面上的气体状态参数为p 2 ，v 2 ， t 2 ，将天然气视为理想气体，可逆过程的热力学第一定律解析式的两种形式为： 句= c ，d t + p d v 和 国= c 。d t 一叻 ( 1 - 1 ) 因绝热过程国r e v = 0 ，将两式分别移项后相除，得 生：c pd v 式中比热容比生：y ：1 + r l g 。c ，是温度的复杂函数，上式积分解 pc y v c yc ” 十分复杂，不便于工程计算。设比热容比为定值，则7 也是定值，上式可以直接积分： 塑+ 7 尘：0l n p + 7 1 n v ：c 。珊f p v 7 = c o n s t ( 1 - 2 ) 将初态的p l ，v l ，t l 参数代入过程方程及理想气体状态方程可得， ，、r - _ 2 1 p 2 v 2 r = p l v r 詈= 阿 3 ) 所以，可以推出鲁= ( p 1 很明显在p - t 图上p 与t 呈指数关系，见图1 - 3 0 p r 陛 包 丐 瓦t i t 图1 - 3p - t 图 f i g1 - 3 p - tc h a r t 当天然气加速到超音速经过旋流分离段后，天然气的压力、温度降至只，五，再经 扩压管压缩增压，使压力恢复到原来压力的8 0 。其过程方程、气体状态方程和喷管一 样只是初态、终态不同。 5 第1 章绪论 1 2 3 2 节流制冷 工程上的实际节流过程，由于气体经过节流阀时的流速很大，时间短，来不及与外 界进行热交换，可近似地当作绝热过程来处理。节流过程是典型的不可逆过程，流体在 孔口附近发生强烈扰动及涡流，处于极度不平衡状态，如图i - 4 所示。 l 上 l 、：7 一= 系 i1 图l 一4 实际节流图 f i gl _ 4 t h r o t t l e c h a r t 故不能用平衡热力学方法分析孔口附近的状态，但在距孔口较远的地方，如图1 8 中的截面l 一1 和2 - 2 ，流体处于平衡状态。若取管段1 2 为控制体积，引用绝热流动的能 量方程式，并整理可得 肠= 灰2 + 2 l _ l c 2 ，2 一c 2 ，1 ) ( 1 - 4 ) 在通常情况下，节流前后流速勺，和c f 2 的差别不大，流体动能差与而h 2 相l l ： 小，可忽与不计，故得厅- - h 2 。从工程热力学，我们知道 一，打一陷h 和 对于焓值不变的过程砌= 0 ，若用, u g 表示焦耳汤姆逊系数， 胪( 羽矗：掌 由于节流过程压力下降( d p 0 ) ，所以 若丁( 刳p 一。， 若丁( 嘉) ，一。， z g 取正值，节流后温度降低。 儿取负值，节流后温度升高。 若r ( 乳一o ，节流后温度税 6 ( 1 5 ) 上式可以改写为 ( 1 6 ) 中国石油大学( 华东) 硕十论文 工程上多数都是节流膨胀降温过程，节流过程的温度变化可以从分析焓值不变时温 度对压力的依变关系即焦耳汤姆逊系数。 肌钡飘咖= 训m 7 ， 又根据气体质量守恒方程，p v a = c o n s t ，因为节流前后流速c ，1 和c ，：的差别不大， 所以气体的比体积v 可近似认为相同，又因为气体状态方程 = 尺g 丁，鲁：吾 在节流过程中，气体的压力与温度可认为成正比例关系，这在工程中是可以满足 p r 也t i 图1 5p - t 图 f i g l 一5p - tc h a r t 1 2 3 3 透平式膨胀机 压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，同时对外做功的过程( 压缩气体使气体恢复原 来的状态) ，因此整个过程可以看作是可逆的，是等熵过程。该过程的特点是气体膨胀 对外做功而其熵值不变，膨胀后气体温度降低，同时产生冷量。 气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以口。表示。 铲( 飘 m 8 ， 同样，可推出口s = ( 器) s = 土c p 丁( 万o v 户 m 9 ， 对于理想气体，由其状态方程p y = r g t 可得： ( 飘= 7 r g ( 1 - 1 0 ) 口。：生三代入式( 1 - 8 ) 中，几分可得膨胀前后温度的关系式 c pp = p 下 正 l。j 由此即可求得膨胀过程的温差 7 第1 章绪论 a 耳= t t = z l ( 鲁 7 一l c ，一，：， 对丁实际气体，积分等熵效应通常用热力学国去查，最方便的是r s 图。 i2 4 低压降t w i s t e r 的工作原理 早期的t w i s t e r 超声速旋流天然气分离实验室的研究开始于1 9 9 7 年，实验室设在 g r o n i n g e n 的g a s u n i e 试验厂，并于1 9 9 8 年在荷兰安装了一套5 1 0 d 的试验研究装 鼍，处理湿气。第一套商业化的脱水系统于2 0 0 3 年1 2 月在马来西亚的b 1 1 海上平台上 安装“3 。该脱水系统包括6 个超声速分离嚣，每个分离器的处理能力约为28 0 1 0 6 m 3 d ， 总处理能力接近85 0 1 0 6m 3 d ( 有备用分离器) ，该气田富含h 2 s 、c 0 2 等酸性气体，压 力降达2 5 - - 3 0 ，出l j 水露点达1 0 c ，大修时间可达2 0 0 0 0 h r 。该系统运行稳定， 可靠性高，还节约投资和操作费用3 - - 8 千万美元。 2 0 0 5 年低压降超声速旋流天然气分离器开发成功，并与2 0 0 5 年5 月开始在荷兰 g r o n i n g e n 的g a s u m e 试验厂进行测试研究。 改进的低压降t w i s t e r 设计图如下： 罔1 4 t w i s t e r 管子的艺术效果 f i g l - 6e f f e c t d r a w i n g o f t w i s t e r 图1 - 6 是t w i s t e r 管子的艺术效果，详细的描述了低压降旋流分离器的横截面和主 要的组成部分。流动的方向是从左到右，干燥的气体继续从右边出来，而分离出来的液 体和带出的气体被转移到底部 天然气从左边进入，通过内体中的旋流叶片，旋流叶片安装在内体的最大环面处。 然后随着内径的减小，根据角动量守恒原理，切向流速急剧增加。随着切向速度的增加， 内径的减小，轴向速度也会相应增加，外部轮廓的形状类似于超音速喷管的轮廓。 由此产生了低温，气体自蝗开始凝结。山于相当高的转动力( 加速度大于5 0 0 0 0 0 9 ) ， 小液滴被甩向管了的外壁。简单的涡流定向器把干燥的7 t 体核心流和液体分开，滑移气 体则沿着管壁流动。在最低温度点发生分离后，为r 恢艇动能，在两个同中心的扩压器 中国石油大学( 华东) 硕十= 论文 里，两个支流将会再次降速。图1 7 中，这个过程被描绘在p t 图里。在相包络线的边 界点a 点处开始，气体膨胀到点b ，在点b 处气体开始分离。分离后，气体在扩压器 里再次被压缩到点c 点，也就到了t w i s t e r 装置的出口处。 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 至2 5 42 0 1 5 l o s 0 5 f j一3 01 01 0 ! l ( 15 0 ti c l 图l - 7 膨胀和再压缩轨迹线，并结合相包络线和等熵膨胀线 f i 9 1 7 c u r v eo fs w e l l ，r e c o m p r e s s i o n ，e n v e l o p ea n di n s e n t r o p i ce x p a n s i o n 与最初设计不同的是，这种高性能的t w i s t e r 使用静止转向的叶片在管子入口产生 旋涡。主要的改进包括由于更高的径向速度、轴向速度和再蒸发影响程度的变小而增加 了的分离效率，当然还有压力降的降低。 除了入口的转向叶片，新的设计利用角动量守恒算出一个比原来设计小的内径。经 过c f d 模拟可知在这个设计里离心力被大大的提高，内部结构也确保了涡流是同中心 的，从而也使得旋流器的分离效率得到了大大的提高。新的设计产生了更加稳定的流动， 降低了液体从主要出口被带走的危险。 改进的设计使得t w i s t e r 能够在比较低的压力降下建立一样的分离和露点性能，或 着在同样的压力降下大大的提高的烃分离和n g l 回收的性能。 为了更好的控制测试的变量：水和持液量，压力和温度，采用封闭的环路系统( 如下图 1 8 ) 。 9 第1 章绪论 图l 遗测试环路系统 f i g l - 8c y c l es y s t e mf o rt e s t i n g 从外部网络送来的气体用来增加环路的压力，因为这些气体是干燥的贫气，在测试 环路增压之前，水在多相泵套管里被引入系统。为了使气体富足，一个缓冲器被应用在 液烃能够注入气体中的结合点。 多相泵使整个测试坏路里压力增到3 5 b a r ，从而使混合气体，冷凝物和水能够循环 流通。混合物被冷却至水合物形成的温度之上一点，当液体从入口分离器里分离出后， 湿的气体在t w i s t e r 管予里被处理。有一部分气体被液体带出，称为“滑移气体”，这些 滑移气体在旋风分离器中被分离出来，然后再与从t w i s t e r 主要的出口出来的干气相混 合。混合后的气体与从入口分离器和旋风分离器中出来的液体最后又回到多相泵中。 大量的仪器可得到可控制的数据、水露点和目的在于连续的基础上的气体质量分析。这 包括卡尔一费休法对水分含量的测定和在线用气相色谱分析仪检测烃含量。 测试结果证实： 1t w i s t e r 能够在非常稳定的超音速工况下运行； 2 压力降从3 3 降到2 5 ； 3 在4 5 的压力降下，液体分离效率超过9 5 ； 4 c 5 + 脱除正如c f d 模拟所得到的结果； 5 水的回收率正如c f d 模拟所得到的结果； 6 管子的性能不会受从入口分离器带出来的液体的影响，并且允许冷凝物与气体的 比率在2 5 到2 5 之间变化； 在封闭的环路测试系统里测得的组分是c 1 到c 1 2 的各类烃的回收率和用模拟软件 得到的回收率表现出很好的一致性，特别是液化天然气( n g l ) 的回收性能。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 1 2 53 s 超音速分离器 超音速分离器( s u p e rs o n i cs e p a r a t o r 简称3 s ) ，是俄罗斯专家团将航天技术的空气动 力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离设备。 3 s 超音速分离器是基于天然气旋流在超音速喷管内绝热膨胀降温，分离天然气中的 水分和天然气液烃( n g l ) 组分的一种新型、高效分离设备。 3 s 由旋流器、超音速喷嘴、工作段、两相分离器、扩散器和导向叶片组成，其结构 见示意图卜9 图1 - 93 s 超音速分离器结构示意图 f i g l - 9 s k e t c hm a po f t h ec o m p o s i t i o no f3ss u p e r s o n i cs e p a r a t o r 3 s 的工作原理是，天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为1 0 6 m s 2 的旋流，该 旋转气流在超音速喷管入口表面的切线方向产生一个或多个气体射流( 这种有选择性的 喷射可以对3 s 进行优化设计) ，并在喷管内降压、降温和增速。由于天然气温度降低， 其中的水蒸汽和n g l 组分凝结成液滴，在旋转产生的切向速度和离心力的作用下，液 滴被“甩”到管壁上从而实现气液分离。然后，液体通过专门设计的工作段出口流出， 气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。在超音速喷管中不会生成水合物。 图1 1 0 膨胀制冷设备进出口压差与温差关系图 f i g l - 1 0t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fi m p o r t sa n de x p o r t so fb l o a t i n g r e f r i g e r a t o r 第1 章绪论 天然气流在扩散器内压力回升，使3 s 进出口压差小于超音速喷嘴的进出口压差， 因此3 s 与传统的、通过天然气自身压力膨胀降温的制冷设备( j - t 阀和膨胀机) 相比，在 相同压差情况下，3 s 可使天然气产生更大的温降见图1 1 0 另外，在制冷温度相同的情况下3 s 具有更高的n g l 收率，见图1 - 1 1 i o o 黛曲 铸 芒 r j 2 。 0 = 鲆3 - s 膨眠 朋 = 3 0z o- 帕 后冷器的气体温度，c 图1 1 l 膨胀制冷设备的制冷温度与液烃收率关系图 f i g j - nr e l a t i o n s h i po fa c c e p t e dl i q u i da n dt e m p e r a t u r eo fb l o a t i n gr e f r i g e r a t o r 与传统的、通过天然气自身压力膨胀制冷的脱水、脱烃方法相比，3 s 具有以下优点： 1 、效率高 发生在超音速喷管中的膨胀降压、降温、增速过程，以及发生在扩散器中的 减速、升压、升温过程，都是气体的内部能量转换，不存在能量损失。因此，3 s 不仅比 等焓节流膨胀制冷的j t 阀效率高，而且还比等熵膨胀的膨胀机制冷的效率高。与j t 阀和膨胀机相比，在同等的电力需求下，使用3 s 分离器，重组分回收率可增加3 0 。 2 、能耗低 与j t 阀制冷相比，在n g l 收率相同的情况下，3 s 减少压缩机电力消耗5 0 一7 0 ；用3 s 代替膨胀机，在n g l 收率相同的情况下，可减少1 5 2 0 的压缩功率。特别 是，当膨胀机由于技术原因( 诸如进口压力太高) 或因在中小油气田用膨胀机制冷不经济 的场合下，3 s 的优势将更加突出。 从已经取得的成果足以表明：3 s 用于石油天然气处理、加工领域，具有很高的运 转安全性和可靠性，并能获得很好的经济收益，是非常适合陆上和海上油气田，在各种 不同场合使用的天然气脱水、脱烃设备。 1 3 本文研究内容 在超音速旋流分离技术领域，目前较先进的理念是基于先旋流再膨胀的原理进行设 计，天然气通过旋流器产生旋流后，经拉法尔喷管绝热膨胀至超声速的同时产生较大的 中国石油大学( 华东) 硕士论文 切向速度，使天然气在低温低压下形成的气液混合物在强烈的旋流场作用下实现气液分 离。 现阶段国际上出现的典型结构如上文介绍：一是以壳牌国际e & p 开发出的t w i s t e r 为代表的超音速旋流分离器，二是以俄罗斯开发的“3 s ( s u p e rs o n i cs e p a r a t o r ) 技术 为代表的超音速旋流分离器。这两种结构的分离器都是基于先旋流再膨胀这一原理，其 结构主要由旋流器、拉伐尔喷管、超音速整流管、扩压器等构件组成，但旋流器的结构 有所不同，t w i s t e r 采用静态导向叶片的结构形式，“3 s 技术采用楔形体加旋流叶片的 形式。 本文在以上两种结构的超音速旋流分离器研究的基础上，为了更好的结合膨胀制冷 和旋流分离两个过程，设计出了一新型的超音速旋流分离器旋流器采用楔形体加旋流叶 片的形式，和以上两种设计不同之处在于楔形体形状不同，并把旋流器后移至拉法尔喷 管的收缩段，该设计能在不影响膨胀制冷的前提下取得更好的旋流效果，提高分离器的 效率。主要研究内容归纳如下： 1 研究超音速旋流分离器的结构，对旋流分离器的各个构件进行设计研究。 2 通过数值模拟，对旋流叶片的结构参数进行优化设计，确定叶片最优结构参数，尽 可能在不损害拉法尔喷管的等熵膨胀效应的条件下，最大程度提高超声速旋流分离 器的分离效率。 3 对低压降旋流分离器整体流场进行数值模拟，研究旋流分离器内天然气流动规律， 确定分离器的工况适应条件。 1 3 第2 章超音速旋流分离器结构设计 第2 章超音速旋流分离器结构设计 2 1 拉伐尔喷管设计 对于超音速旋流分离，要想产生超音速气流，管道的截面形状在亚音速段应是收缩 的，在超音速段应是扩张的，以音速处截面积为最小。另外，上下游压差也是必须的， 管道先收缩后扩张是必要的几何条件。拉伐尔喷管是使气流膨胀以获得高速流动的主要 设备。其结构分为四部分：稳定段、亚音速收缩段、喉部、超音速扩张段。 喉部d 。 j l么一 九 1r 、 一爵 弓目 超音速拉伐尔喷管的剖面形状 + 1l a t r a ls h a eo fu p r s o n i cl a v ln o z l e 管相当于透平膨胀机，当天然气通过喷管时绝热膨胀至超声速，其温度和 压力低，形成低温低压，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态开始凝结，发生 凝结现象，并且液滴开始生长，形成气液混合物。由于天然气在位于拉法尔喷管前 部的发生器作用下高速旋转，尤其在喉部位置将产生极大的离心力。流动中液滴在 离心作用下旋流到管壁处。因而居于管道中心处的气流变成干气，液体沿管壁流动， 而靠壁处的气体将包含部分重烃和水分，分离器将气流外层与中心处气流分离，实 现气凝析液的分离。 喷管内影响气体流动的主要因素有：截面积的变化、换热、粘性摩擦等。 实际在喷管内流动时，气流与管壁之间有摩擦作用，同时气体还通过管壁向外界散 热。整个流动而言，摩擦作用是很小的：其次，由于气体的速度很大，管道又不长， 气体喷管时与管壁接触的时间很短，在没有特殊冷却的情况下，散失的热量与气流 的总相比也是很小的，可近似地认为是绝热的。气体在喷管中流动，除受上下游压 差、粘性摩擦等因素影响外，主要受喷管截面积变化的影响。喷管的结构设计， 首先给定的条件下(进口参数及背压)下确定管形，再根据给定的流量计算有关的 尺寸实质就是使喷管的外形与截面积的尺寸完全符合气体在降压增速过程中所形成 的外截面积，以实现将气体的内能尽可能地转化为机械能。1 4 中国石油人学( 华东) 硕士论文 2 1 i 稳定段设计 稳定段通常为一个等截面管道。下游与收缩段相接，其目的是使进入喷管的气流均 匀或降低紊流度。喷管收缩段的设计以均匀来流为前提，如果来流不均匀则收缩段出口 的气流也不均匀。而气流经过阀门、弯头等装置后，不论是速度还是方向都是不均匀的， 紊流度也比较高，甚至主流中还可能存在大尺度的旋涡。因此当气流进入收缩段以前， 必须经过一个稳定段，使气流变得比较均匀，从而保证喷管入口流场的品质。 稳定段的直径d o 和喉部的直径玩有关。从理论上来说和玩的比值越大越好， 但是实际上不可能太大。稳定段的长度三0 需要有足够的长度才能保证来流均匀。理论上 厶应是喉部直径的1 0 倍左右，但是厶要根据实际条件来确定【1 2 1 。收缩段入口与出口面 积之比定义为收缩比，则稳定段的长度毛一般有下列数据确定1 1 3 】：对于小收缩比的喷管 收缩段，如收缩比小于5 ，稳定段长度为直径的1 o 1 5 倍；对于大收缩喷管收缩段， 如收缩比大于5 ，稳定段长度为直径的o 5 1 0 倍。稳定段中气流速度很低，因而压力 损失比较小，稳定段长度引起的损失占超音速旋流分离器总损失很小的一部分，所以可 以使稳定段长一些，以改善喷管入口气流。 2 1 2 收缩段设计 良好的气流品质对于喷管段无疑是十分重要的。收缩段是喷管段的重要组成部分， 它的主要作用不仅是使来自稳定段的气流均匀加速，而且能提高分离段的气流均匀性， 即改善流场的均匀性、稳定性，降低湍流度。随着超音速旋流分离器研究的深入发展， 对于提高入口气流稳定性、均匀性也愈来愈重视，所以喷管收缩段的优化设计倍受关注， 而且收缩段设计的好坏对于超音速旋流分离器性能的优劣有着直接的影响。 收缩段设计应满足以下几个方面的要求： 气流沿收缩段流动时，壁面不出现分离。一般来讲，气流在加速过程中是不易 出现分离的，只要壁面收缩不太剧烈，可以避免分离； 收缩段出口气流要求均匀、平直而且稳定，出口截面速度的不均匀度不宜超过 0 0 2 ； 收缩段不宜过长。收缩段过长，会使建造投资成本增加，而且能量损失也增大。 收缩段性能的优劣主要决定于两个因素：一是收缩段进口面积和出口面积的比值， 即收缩比，二是收缩段曲线形状。喷管收缩段收缩比的大小，主要决定于以下因素：对 喷管出口段气流的均匀性和紊流度的要求，喷管段的能量比以及造价。提高收缩段的收 1 5 第2 章超爵速旋流分离器结构设计 2 小l o c r l ，2 鼢 倍，) 蕊d - d c , d 1 小专x ( 主) 3一以。2l i 丽d - d e , = 南( 一主) 3 一= 一l _ 一一i q 一以( 1 一x 。) 2l 三 ( 4 ) 五次曲线 箍斗，村椰( * 饼 倍3 ， 以上各式中：q 、以、d 分别为收缩段进口、出口及任意x 处的截面直径，l 为 收缩段长度，x 。为前后两段曲线连接点的相对坐标。 1 6 一、j、li、 晰 r 小 l 三，三、。_l_二，一， 中国石油人学( 华东) 硕士论文 设定一收缩半径，将上述曲线方程以曲线图形的形式表示出来如下所示： 图2 _ 2 ( a ) b a t c h e l o r - s h a w 收缩曲线 f i 9 2 - 2 ( a ) i h t c h e l o r - s h a ws h r i n kc u r v e 即 5 5 4 5 童4 0 曜3 5 萎3 0 擎2 5 2 0 1 5 1 0 5 o 图2 _ 2 ( b ) w i t o z i n s k y 收缩曲线 f i 9 2 - 2 ( b ) w i t o z i n s k ys h r i n kc u r v e 图2 - 2 ( c ) 双三次收缩曲线( 以= o 4 5 ) 图2 2 ( d ) 五次收缩曲线 f i 9 2 - 2 ( c ) b i c u b i cs h r i n kc u r v ef i 9 2 2 ( d ) q u i n t i cs h r i n kc u r v e 由上图可直观的看出，b a t c h e l o r s h a w 提出的一维流公式型面曲线和 b 1 4 t o i i i b h c k l 4 f i 提出的w i t o z i n s k y 型面曲线入口处收缩剧烈，出口非常平缓，且出口段很 长。双三次曲线和五次曲线入口处和出口处的收缩变化不大，整条曲线形状的曲率变化 比较平缓，出口段相对较短。具体分析如下： ( 1 ) 收缩段流动参数的变化 根据杜永军按喷管入口压力4 m p a ，入口温度3 0 。c ，流量4 0 0 0 s m 3 h 的工况对喷管 收缩段管道，对收缩段管道进行的模拟，如下图： 1 7 叫：f；的惦：5；巧侣5 o 口号井骣掣 弱惦；穹为俘5 o 一昌一硭井骚娶 第2 章超音速旋流分离器结构设计 图2 - 3 马赫数变化图 f i 9 2 - 31 1 8 c hm m b e rc h a n g e 矿 暑 瓷 芒 口 瑙 糖 图“酋愠变i 化图 f i 9 2 - 4s t a t i ct e x p e r a t u r ec h a 醒e 图2 - 5 静压变化图。图2 密度变化图 f i 9 2 - 5s