（油气储运工程专业论文）超音速旋流分离器技术研究.pdf

t e c h n i q u er e s e a r c ho f s u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t o r h uy a n m e i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc a ox u e w e n a b s t r a c t n a t u r a lg a sd e h y d r a t i o na n dh e a v y h y d r o c a r b o ns e p a r a t i o na r et w oi m p o r t a n tp r o c e s s e si n s u r f a c eo p e r m i o n so fg a sf i l e d t r a d i t i o n a ll o w t e m p e r a t u r es e p a r a t i o nh a sb e e np r o v e nt ob e i n e f f i c i e n ta n dr e q u i r eh i 曲c a p i t a la n do p e r a t i n gc o s t i ti sd i f f i c u l tt op r e v e n tf r e e z i n gb y h e a t i n gw e tg a sa n dc o n s u m e sa m o u n to fa n t i - h y d r a t ea g e n t i no r d e rt os o l v e t h o s ep r o b l e m s ，a n e wg a sc o n d i t i o n i n gp r o c e s s - - s u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t o rh a sb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h et h e o r yo fg a sd y n a m i c s ，t h e r m o d y n a m i c sa n df l u i dd y n a m i c s ，t h ep a p e r a n a l y s e st h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fs u p e r s o n i cs e p a r a t o ra n ds e tu pt h em e c h a n i cm o d e l so f c o m p r e s s i b l eg a sf l o wi nc y c l o n eg e n e r a t o r , b l a d e s ，l a v a ln o z z l e ，s t a b i l i z i n gt u b e ，d i f f u s e r b y u s i n gc f ds o f t w a r e f l u e n t , t h ep a p e rs t u d i e st h ed i s t r i b u t i o n so fv e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ei ng e n e r a t o rb l a d e s ，n o z z l e ，d i f f u s e ra n dt h ew h o l es e p a r a t o r b yc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fd i f f e r e n tb l a d ed e s i g nm e t h o d s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h eo p t i m u md e s i g nm e t h o df o r t h es e p a r a t o r s u b s o n i c c 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 sd e s i g n e da c c o r d i n gt od o u b l e c 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 ds u p e r s o n i cd i v e r g e n t s e c t i o ni sd e s i g n e da c c o r d i n gt of 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 s p r e f e r a b l eu n i f o r m i t y o fv e l o c i t y , l e s s e n e r g y l o s sa n dd e s i g n e dm a c hn u m b e ra f t e r b o u n d a r y l a y e rc o r r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h es w i r l i n gs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi nt h eb l a d es e c t i o n ，7 5 2 o fw a t e ra n d 7 3 2 o fh e a v yh y d r o c a r b o nc a nb es e p a r a t e da c c o r d i n gt os i m u l a t e dc o m p u t a t i o n h y d r a t e f o r m a t i o nw i l ln o to c c u rb e c a u s et h em a x i m u mr e s i d e n c et i m eo fl i q u i dd r o p l e t sf r o mt h e n o z z l eo u t l e tt ot h ed i f f u s e ro u t l e ti sa b o u t9 6m i l l i s e c o n d sd u et o r e l a t i v e l y s l o w h y d r a t e c r y s t a lg r o w t h s ot h es u p e r s o n i cs w i r l i n gs e p a r a t o rc a np r e v e n tf r e e z i n gw i t h o u t a n t i h y d r a t ea g e n t a si ss h o w nb yt h es i m u l a t i o no fh y s y s ，w h e nt h eo u t l e tp r e s s u r ei s4 m p a t h ed e wp o i n to fh y d r o c a r b o nd e c r e a s e st o - 2 7 8 3 。cw h i l eh y d r a t ef o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s 1 1 7 t h ep a p e rs t u d i e st h ed i s t r i b u t i o n so ft h ev e l o c i t y , t h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ei nt h e s w i r l i n gs e p a r a t o rb ys i m u l a t i o na n da n a l y s i s t h es h o c kw a v ei sc o n t r o l l e dn e a rt h ed i f f u s e r i n l e t t h es h o c kw a v ed i s s i p a t e st h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ef l u i ds t r e a m ，i n c r e a s e st h es w i r lr a t i o a n dt h es w i r l i n gs e p a r a t i n ge f f i c i e n c y , w h i c hi st h ek e yf a c t o rt od e s i g nt h es e p a r a t o r t h e p r e s s u r er e c o v e r yr a t i oi sc o n t r o l l e db e t w e e n4 0 a n d4 7 ，t h es e p a r a t o rc a nb ei nn o r m a l o p e r a t i o n k e yw o r d s ：c o n d e n s a t eg a s ，s u b s o n i cv e l o c i t y , s w i r l i n gs e p a r a t i o n ，p r e s s u r er e c o v e r i n g r a t i o ，d e wp o i n t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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 掌 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 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 c r临界状态a v g 平均值 4 7 矿 m g r 足 n 如 ， 咫 三厂 a 口 坳 q p p 后 k d 矽 一厂 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：堕旦塾蛰日期：矽万年，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。 学位论文作者签名：壶囵舞乞蛰 指导教师签名： 圣：坦 日期：矽万年月，日 日期：2 裤月，日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 近几年随着我国经济的高速发展，能源消费快速增长，与资源约束形成明显对比。 我国单位g d p 能源消耗比世界平均水平高2 2 倍左右，是发达国家的4 8 倍。尤其是 最近几年，高耗能产业发展较快，经济增长方式粗放，能源消耗量不断增加，能源产出 效率大大低于国际先进水平。为保持国家的可持续发展，节能减排已成为今后促进经济 高效快速发展的重点。“十一五”规划纲要提出的万元g d p 能耗降低2 0 和主要污染物 排放减少1 0 的目标，为确保实现该目标必须大力研发节能环保技术。2 0 0 6 我国没有 实现预定的万元g d p 能耗降低4 0 o 、主要污染物排放减少2 的目标，全年万元g d p 能 耗下降1 2 3 ，主要污染物排放不降反升，加大了实现“十一五”节能减排总体目标的难 度。 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 。我 国天然气勘探开发潜力大，处于勘探早期阶段，储量产量将快速增长，随着我国油气勘 探技术的发展，预计今后五年还将有更多的天然气田得到开发。 我国天然气工业的迅速发展和国家节能减排促进经济高效快速增长的要求迫切需 要研发低能耗、节能环保的天然气加工处理设备，以完善和发展天然气集输和加工处理 工艺，促进高能耗、高污染的石油化工行业节能减排。 1 1 我国天然气矿场加工处理现状 目前，我国的天然气资源多为凝析气田和酸性气田，开发也较晚。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。 第一章绪论 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。 针对传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂 用量大的特点，提出了免加热或免加注防冻剂的超声速旋流分离重烃和水的新技术 超声速旋流天然气分离技术。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 超声速漩流分离技术是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 工领域而研发的一项新技术。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n 1 。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a n - r _ 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。下面从超声速旋流天 然气分离技术的基础理论与数值模拟研究、实验室与现场试验研究等方面介绍国内外研 究现状和发展趋势。 1 2 1 超声速旋流天然气分离器的工作原理 1 9 9 7 壳牌公司研发的t w i s t e r 超声速旋流分离器结构如图l 所示1 ，由拉伐尔喷管、 超声速整流管、超声速翼、扩压器等构件组成。其工作原理包括天然气通过拉伐尔喷 管绝热膨胀至超声速，形成低温低压；低温使天然气中的重烃和水份凝结成液滴，形 成气液混合物；气液混合物通过超声速翼，形成强烈的旋流场，液滴在离心力的作用 2 中国石油大学( 华东) 碰士学位论文 下旋流到管壁处，而居于管道中心处的气流变成干气，实现气液分离。生成的干气流 入扩压管，速度转化为压力。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台。 ，。j 一 图1 - 1 超声速旋流分离器结构 隐l - 1s t r e c t e r eo f s u p e r s o n i cs w i c l l n g s e p a r a t o r 该处理设备集膨胀降温、旋流式气液分离、再压缩等工艺于个密闭紧凑的装置里， 与传统工艺相比，具有密闭无泄漏、无需化学药剂( 乙二醇或甲醇) 、结构紧凑轻巧、 简单可靠( 无移动部件) 、支持无人值守等优点，该技术与常规处理工艺相比可使投资 和运行费用减少1 0 2 5 。1 ，更适于海上深水天然气的开发。 改进的低压降t w i s t e r 设计图如下： 图1 - 2 低压降t w i s t e r f i g l 一2 l o w p _ s u m d r o p t w i s t e r 罔1 3 低爪降i 、；v i s t e r f i g l - 3 l o w p r 雌u 他d r o p n v i s t e r 2 0 0 7 年4 月到8 月之间，s s bb i l 气体处理厂对改进的t w i s t e r 系统进行了测试， 由测试结果可知：在同样的压力降下，改进的t w i s t e r 在1 4 5 b a r 的入口压力下去除的液 第一章绪论 体是原设计的大约3 倍，噪声比原设计的更低，在主要出口气体中水的含量比原设计降 低了3 0 。水的含量比s s b 的目标低了1 0 。 1 2 2 低压降嘶s t e r 的工作原理及与原设计的比较 t w i s t e r t m 是一种新型气体露点指向装置，在装置里天然气以超音速速度流经分离 段。t w i s t e r 用来从气流中去除可压缩的蒸气，例如水或液态天然气( n g l ) ，这是为了 降低气体的露点或提取重烃中的气体。 t w i s t e r t m 里面三个主要的物理过程如下： 1 近等熵膨胀，由于高的速度( 超音速) 导致低压、低温； 2 蒸气的非平衡凝结，使得产生了由亚微米级的小液滴形成的细水雾； 3 很强的旋流使得比周围气体重的液滴由于惯性而产生了分离； 虽然这些物理过程结合后的应用是新的，但是每个过程的物理学知识已早为人知。 在高速流动中，粘性和热传导对薄边界层的影响，通常是有限的，因些主要流程可 以看作是一个等熵过程。在这种情况下，压力，密度和温度的关系如下： j 二 p 芘p r o ct 7 一 ( 1 1 ) 在喷管中，含可压缩蒸汽的气体快速绝热膨胀到超音速，而混合物的温度却以一个 非常高的冷却速度( 1 0 4 1 0 6 k s ) 降低。形成了一个过冷的非平衡状态，但是在这个状 态下凝结不会发生。这个亚稳定状态不会持续很久。在喷管超音速部分的一些点处蒸气 分子的凝结核将会自发形成。核化速率变得非常高，而大批非常小的液滴，其尺寸通常 为几毫微米，几乎是瞬1 8 - 3 n 成的。由于小液滴的浓度极高( 1 0 1 5 m q ) ，外部粒子作为 凝结核的环境不能形成，在这个冷凝过程中起不到作用。因些可以把这个过程看作是均 匀成核过程。当蒸气混合物仍然处在过冷( 或过饱合) 状态时，这些凝结核将会长成小 液滴，然后蒸气消失，重新回到平衡或饱合状态。 常规相分离器的原料流( 进料) 通常是两相混合物。分散相可以是小液滴，气泡或 着固体颗粒能在惯性的作用下分离开，但是在这些装置里通常不会发生相变。在t w i s t e r 装置里原料流通常是一个单相的包含很多组分的液体，超音速膨胀和后来蒸气的凝结过 程产生了第二个相亚微米级的小液滴。 图1 4 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。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 嗡 f 。0 8 lds d 5 圈1 4 低压降t w i s t e r f i g l 4 l o w p r d l s n r e d r o p t w i s t p r 图1 - 4t w i s t e r t m 装置的艺术效果，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 产生了低温气体开始凝结。由于相当高的转动力( 加速度大于5 0 0 0 0 0 9 ) 外液滴被甩 向管子的外壁。简单的涡流定向器把干燥的气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，为了恢复动能，在两个同中心的扩压器里，两个支 流将会再次降速。图1 - 5r f | ，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u 处。 5 0 4 5 4 1j 一3 0 巧 2 1j 1 5 i n t | ( i 图1 - 5 在i l t 图里的膨胀和再压缩轨迹线，并结合丰u 包络线和等熵膨胀线 n g l 一5 l s e n t r o p i c e x p a n s i o n l i n e ，p h a s e e n v e l o p e l i n ea n d t w i s t e r e x p a n s i o n l i n e i n p _ t f i g u r e 第一章绪论 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【2 1 ( 如下 图1 6 ) 。 图1 石测试环路系统 f i g l - 6t e s to r a c l el i n es y s t e m 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。 多相泵使整个测试环路里压力增到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 管子里被处理。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。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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 3 喷管、节流、透平式膨胀机制冷效率比较 1 3 1 喷管制冷 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，d s ：鱼旦，可逆绝热时，国脚：o ，故有凼= 0 ，s ：定值。可逆绝热过程又 1 1 可陈为定熵过程。 设喷管入口的气体参数为p 1 ，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： 国= c ，d t + p d v 和 国= c j p d t v d p ( 1 - 1 ) 因绝热过程国r e v - - - - - 0 ，将两式分别移项后相除，得 一d p ：c p d v 式中比热容比垒：7 ：1 + 生。巳是温度的复杂函数，上式积分解 pc ，1 ，c yc v 十分复杂，不便于工程计算。设比热容比为定值，则y 也是定值，上式可以直接积分： 虫+ y d v ：0l n p + 7 1 n v ：c 。刀盯 p v p v 7 = c o n s t ( 1 2 ) 将初态的p l ，v l ，t 1 参数代入过程方程及理想气体状态方程可得， p 2 v 2 r = p l v l r 寻：盯 m 3 ， 第一章绪论 所以，可以推出鲁：( 吉很明显在p t 图上p 与t 呈指数关系，舢f l 1 - 7 0 p r 陛 包 瓦t t 图1 - 7p - t 图 f i g l - 7p - tg r a p h 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e ，正，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。 1 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1 8 所示。 图1 - 8 实际节流图 f i 9 1 - 8a c t u a lt h r o t t l i n gg r a p h 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1 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 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 办1 = 办2 十1 c 2 - c 2 1 ) ( 1 4 ) 在通常情况下，节流前后流速c ，和c ，z 的差别不大，流体动能差与办，及 ：相比极 砌= c ，d r 一 r ( 言 ，一v 和 ( ，一5 ) 对于焓值不变的过程砌= 0 ，若用t j 表示焦耳汤姆逊系数，上式可以改写为 舻旧：盐 6 ， 舻( 飘= 芝 6 ， 由于节流过程压力下降( d p 。，儿取正值，节流后温度降低。 若? ( 等 口一y 。，鳓取负值，节流后温度升高。 若丁( 乳帅，- o ，节流后温度不变。 度对压力的依变关系即焦耳一汤姆逊系数【1 1 。 一钡现和= 珏砧7 ) 又根据气体质量守恒方程，, o v a = c o n s t ，因为节流前后流速c 门和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n 瑚工丢= 罢 9 第一章绪论 p r 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s 表示。 铲( 器) s 8 ， 脯可推出铲( 飘= 1 ( 飘 9 ) 对于理想气体，由其状态方程p y = r g 丁可得： ( 飘= 了r g ( 1 - 1 0 ) ：生三代入式( 1 8 ) 中，几分可得膨胀前后温度的关系式 = p t 正l ，j 瓦= 瓦一正= 互 ( 鲁 竿一， c - 一，2 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 实际气体状态方程： 1 、考虑压缩因子的气体状态方程 p v = z r g 丁 2 、凡德瓦尔方程 3 、r - 方程 式中a= ( p + 毒卜卅一 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) p = 历r t 一而丽a ( 1 - 1 5 ) p 2 百万一尹丽 u 1 0 4 2 7 4 8 0 r2 t ，2 j b = 0 0 8 6 6 4 r t c , p 。 式中参数见下 a j 2 a ( t ) a 。 a 。= 0 4 5 7 2 4 r 2 疋2 p 。 b 。= b = 0 0 7 7 8 0 r t c p 。 口仃) ：b + 尼o 一乃0 5 ) 后：0 3 7 6 4 + 1 5 4 2 2 6 彩一0 2 6 9 9 2 国2 ( 1 - 1 6 ) ( 2 ) 比热容的一般关系式 ( 等) ，= 一( 豢) ，( 1 - 1 7 ) ( 针丁暾 旷钿川( 别p 咖 式中c p o 是r 足够低时的比热容，也就是理想气体的比定压热容，它只是温度的函数。 ( 3 ) 比定压热容c 尸与比定容热容g 的关系 旷c v 一一歹( 新( 刳丁= 唣 2 。) 式忆为体膨胀系数哺= 一文孰为等温压缩率。 对于实际气体喷管效应的过程方程式只能用定熵指数鬈的形式来表示。 丽 、l-，一t仃f 器 口 一十 2 而 一 丁一托旦m = p 程方 rp 第一章绪论 又 一盖( 筑 茁= 一一l 二i p 鲫几 凼：c y 鱼+ c ，鱼：0 凼2y 二+ c p 一= p 1 ， ( 熹) s = 一孑 旷铲一丁( 新( 斋) r = 唾 ( 考) s = 一器= 一 研c 矿+ n 口矿2 k t c y ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) 一p ( 1 - 2 4 ) 1 ， r ：一兰r 塑、：l + 一t a v z ( 1 - 2 5 ) p l d v j ， i c t c 矿 。：c d 珊f ：p v t , 印碲j = c d 瑚f( 1 2 6 ) f ，。+ 丝1 又实际气体状态方程p r 方程： p = i r 百t 一可燕 k r = 一吉( 毒) r 1 ，ir ，ni 又实际气体状态方程p r 方程： r 丁 p2 而v 一 一d v ( 1 矧删 2 7 ) j “7 a ( r ) 不石f 叹面 a ( t ) = a ( t ) a 。 代入上式可得 ， 1 f ，o v 、 1 r ( 、v 2 + 2 b y b 2 ) 一口7 仃x v 一6 ) 2 了i 而j p2 了丽万荔万五矿乏而i 赢诵 口7 仃) 一。【1 + 后( 1 一坩5 0 一矿5i k 1 2 ( 1 - 2 8 ) ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) 裔 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 、口y：吉(鲁)p：吾二墅二_!苫誓三三三三三三竺三耋害呈三：美三一k。，3。) 酶：一! f ，堡、1 ：一三! ：二盟晕鲨二塑彳 ( 1 _ 3 2 ) 1 v t j 丁 v 2 口( 丁) ( 6 + v ) ( 6 一v ) 2 一r t ( v 2 + 2 b v b 2 ) 2 降黑一v ( 1 + 期一删 3 3 ) l v - bv ( v + b ) + b ( v - b ) - j 叼川 假设c y 与温度成线性关系，即勺= a + b t ，a 、b 均为常数。代入上式可得 f r t a ( 丁) l = 一i i 盖丽j v= c o n s t ( 1 3 4 ) 虽然超声速旋流天然气分离技术是油气加工处理领域的创新性新技术，但众多学者 早已对其工作原理的各个物理过程进行了研究。自1 9 世纪至今，超声速流动的研究主 要是在航空领域，许多学者已对高亚声速风洞和超声速风洞中气体高速流动的凝结问题 进行了大量的研究。 在超声速旋流天然气分离装置的入口，原料气一般为多组分单相低速气流，通过超 声速膨胀和凝结相变产生第二相亚微米级液滴，混合气流以超声速作旋流运动，实 现气液分离。超声速旋流天然气分离技术的数值模拟是c f d 技术的一项挑战性应用， 涉及到可压缩气体跨声速凝结流动和强旋流运动。气体为带有非平衡相变过程的多组分 真实气体，气体速度( m a = 0 1 3 ) 、压力( 0 1 ，- - 2 5 m p a ) 和温度( 一l o o - 5 0 0 c ) 范围变化 大。t w i s t e r 分离技术基础理论和数值模拟研究主要在荷兰的埃因霍恩科技大学等三所大 学、s t o r kp r o d u c te n g i n e e r i n g 公司和s h e l l 的研究机构中进行。 为了采用计算流体动力学两相模拟技术改进t w i s t e r 分离器的性能，2 0 0 3 年t w i s t e r b v 启动了数值模拟技术的研究工作，基于a n s y sc f x 5 商业软件开发专用c f d 程序h 1 。 】3 第一章绪论 2 0 0 4 年完成了数值模拟软件的开发，对超声速旋流分离器的内部流场进行流体动力学模 拟，用来预测其性能。 1 3 5 超声速旋流天然气分离技术的实验室与现场试验研究 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，并予1 9 9 8 年在荷兰安装了一套5 x 1 0 6 m 3 d 的试验研究装 置，处理湿气瞄1 。1 9 9 9 年初，在荷兰的b a r e n d r e c h t 安装了一套试验设备，用于研究富 天然气的处理，从而进一步证明了t w i s t e r 系统分离重烃的能力口3 。2 0 0 0 年11 月在尼日 利亚的试验装置开始运转，成功地将8 5 x 1 0 4 m 3 d 的天然气脱水到管线要求的标准。共测 试了6 个不同的t w i s t e r 管，探索了超声速脱水技术在富天然气中的应用。在尼日利亚 的实验水露点降低2 2 2 8 。c ( 进气温度为2 0 。c 时，出口气体的露点为2 8 。c ) 1 。 自1 9 9 8 年至今，超声速旋流分离器的试验装置先后在荷兰、尼日利亚和挪威的5 家天然气工厂投入运行。一系列现场试验表明超声速旋流分离器具有良好的分液性能， 严格的测试证实了超声速旋流器的设计理念是合理的。这些现场试验验证了天然气超声 速脱水系统长期稳定工作的能力，并在实际应用中不断地改进，所有的研究都取得了满 意的结果。 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 l l 海上平台上安装口1 。该 脱水系统包括6 个超声速分离器，每个分离器的处理能力约为2 8 0 1 0 6 m 3 d ，总处理能 力接近8 5 0 x 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 - 一3 0 ，出口水露点达1 0 ，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 n i e 试验厂进行测试研究订1 。 综上所述，目前对于超声速旋流天然气分离技术的研究刚刚起步，技术还不成熟， 还有待于进一步研究发展。目前该技术主要应用于脱水、脱重烃，降低露点，还未应用 于脱h 2 s 、c 2 0 ；没有探求超声速旋流混合流场流动特性及其影响因素；为了提高超声 速旋流天然气分离性能，需要深入研究各个影响因素对分离器性能的影响。 1 4 本文研究内容 本课题提出的免加热或免加注防冻剂的超声速旋流分离重烃和水的新技术对于完 善和发展凝析气田集输和加工处理工艺、降低凝析气田开发成本都具有十分重要的意 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 义。目前，国内外关于该技术的文献报道仅限于基本原理和商业新闻层面，其核心技术 和设计方法未见报道。前期已经对超声速旋流分离器各组件进行初步研究与设计，并对 超声速流场进行了研究。为了更深入研究分离器分离性能，研究分离器内流场特性、优 化分离器内各部分结构参数，提高分离器的分离效率，提出了这一研究课题。 主要研究内容如下： 1 研究低压降旋流分离器的结构设计方法，对旋流分离器的各个构件进行设计研究。 2 利用f l u e n t 软件进行数值模拟，对叶片，喷管，收缩段，整流段，扩压段进行模 拟： 3 通过数值模拟，对轴流叶片的结构参数进行优化设计，确定叶片最优结构参数，使 叶片后切向速度更加均匀，证明了对于不同的设计工况，轴流叶片设计方法的通用 性。 4 对低压降旋流分离器整体流场进行数值模拟，研究旋流场流动特性，确定分离器的 工况适应条件，并分析工况参数对分离器性能的影响； 5 研究超声速气流在管内的流动规律和影响流动特性、分离效率的因素。 1 5 当前面临的问题 ( 1 ) 改用新设计方法( 改进的低压降t w i s t e r ) 进行研究，这需要重新进行分离器结构 的设计，研究其内部流动特性，并用f l u e n t 软件进行数值模拟； ( 2 ) 有必要建立实验装置，并进行室内实验研究。把实验得到的结果与数值模拟得到 的结果进行比较，更有利于研究的进展。 t w i s t e r 数值模拟计算难度高、工作量庞大、时间紧，而且数值模拟的结果和实际情况有 所差距，要想出新的成果，应该进行必要的室内实验研究。 本章小结 1 给出超音速旋流分离器的研究近况及工作原理。 2 做出本文的具体研究内容及面临的问题。 1 5 第二章叶片和叶栅设计 2 1 叶型和叶棚参数 第二章叶片和叶栅设计 图2 - 1 叶片厚度控制参数示意图 f i 9 2 - 1s k e t c hm a po fc o n t r o lp a r a m e t e r so fb l a d et h i c k n e s s 图2 1 所示的叶型参数如下： ( 1 ) 叶型中线：叶型内切圆中心的连线。 ( 2 )叶型弦长b ：叶型中线与叶型前、后缘交点a 与b 之间的距离，即中线两端之间连线 的长度。 ( 3 ) 中线最大弯度l ：叶型中线的最高点至叶型弦长的距离，其相对值厂= 丘6 ( 4 ) 中线最大弯度的相对位a ：叶型中线的最高点与前锋点的距离( 沿弦长) 。 ( 5 ) 叶型最大厚度c 一：叶型凹面和凸面之间最大内切圆的直径，相对值c = c 一6 ( 6 ) 叶型最大厚度的相对位置e ：叶型最大厚度到前缘点的距离。 ( 7 ) 叶型前缘方向角z ，和后缘方向屁：叶型中线在前缘点和后缘点的切线与叶型弦长线 的夹角。 ( 8 ) 叶型弯折角0 ：叶型中线在叶型前缘点和后缘点的两条切线的夹角，0 = 石+ z ： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 吼 图2 - 2 叶栅参数示意图 f i 9 2 - 2s k e t c hm a po fb l a d ep a r a m e t e r s 图2 2 图所示的叶栅参数如下： ( 1 ) 叶栅额线为1 1 或2 2 ：叶栅前缘点或后缘点的连线。 ( 2 ) 叶型的安装角以：叶型弦线与叶栅额线之间所夹的锐角。 ( 3 ) 叶栅栅距t ：沿叶栅额线方向相邻两叶型对应点之间的距离，它与弦长b 的比值 t b 陈为相对栅距：相对栅距的倒数陈为叶栅稠度彳= b t 。 ( 4 ) 叶栅进出口几何角屈_ 、殷_ ：叶型中线在前缘、后缘的切线与叶栅额线之间的 夹角。 屈一= 尻一筋；织爿= 尾- 4 - z 2 ；厦_ 一层j 4 = 石+ 筋= 0 ( 2 一1 ) ( 5 ) 叶栅进、出1 2 1 气流角p l 、p 2 ：进出1 2 1 气流相对速度w 1 、w 2 与叶栅额线之间 的夹角。 ( 6 ) 进口冲角f ：来流方向与叶型中线在前缘点的切线之间的夹角，江屈月一b ：_ 。 ( 7 )出口落后角万：气流出口方向与