超声速旋流天然气分离技术2.0PPT课件.ppt

超声速旋流分离器研究 中国石油大学 华东 曹学文2007 8 第一章绪论 一 凝析气田集气工艺开发凝析气田的主要目的是为了获得合格的气液相产品 而天然气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 增加管线输送的动力消耗 降低输气量 天然气中的CO2和H2S溶于游离水中会形成酸 腐蚀管路和设备 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 限制管线中天然气的流量 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 重烃的存在会降低天然气热值 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 目前 因凝析气藏都具有较高的压力 凝析气田集气方式主要有以下几种 井口加热节流 油嘴搬家 加入水合物抑制剂 常规的集输工艺都通过节流来降低井流的压力 损失了高压能量 而加热 注醇又增加了动力消耗 付出了经济代价 所以 常规的加热或注醇工艺被动地解决水合物冻堵问题 二 超声速旋流分离技术多年来 在凝析气田开发的研究中 许多学者针对集输流程优化 尽量利用节流所提供的冷量以及抑制水合物形成的问题进行了深入研究 壳牌石油公司最早于1997年提出并开始研究超声速天然气分离技术研究 2003年至2005年 该公司先后就该项技术申请了技术专利 该技术完美地结合了气体动力学 热力学和流体力学的理论 经过绝热膨胀形成低温超声速流动 利用旋流场分离经过低低温冷凝的水份和重烃组分 第一章绪论 超声速旋流分离技术集膨胀降温 旋流式气 液分离 再压缩等工艺于一个密闭紧凑的装置里完成 与传统工艺相比 该系统具有密闭无泄漏 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10 25 三 超声速旋流分离器的结构和工作原理超声速旋流分离器由拉伐尔喷管 超声速整流管 超声速翼 扩压管等构件组成 图1 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 在超声速旋流分离器中 天然气通过喷管绝热膨胀至超声速 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 第一章绪论 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 图1 1超声速旋流分离器结构 第一章绪论 超声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声速 同时形成低温低压 温度20 压力10MPa的饱和天然气通过拉伐尔喷管后 马赫数Ma 1 温度骤降为 40 压力降为3MPa 2 低温使天然气中的重烃和水份开始凝结产生相变 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70 80 分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的少量气体 并将这部分气体与干气流会合 这些处理设备都在一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 低温天然气经过气液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 第一章绪论 四 超声速旋流分离器的优点与以往的常规气体处理工艺相比 超声速旋流分离器具有很大的优势 主要表现为 1 不需水合物抑制剂 乙二醇或甲醇 因为物流在超声速分离器里停留时间很短 仅几毫秒 水合物还来不及形成 故这个过程不需水合物抑制剂 相应地就无需乙二醇再生设备 2 系统密闭无泄漏这是一个密闭系统 避免了有害的BTX 苯 甲苯 二甲苯 向大气泄漏 对人体无害 有利于环境保护 3 投资和运行费用低由于分离器的设计紧凑轻巧 没有旋转部件的维护费用 从而节省大量的成本和运行费用 与传统气体处理技术相比 该技术可节约总成本的25 第一章绪论 4 简单可靠 无移动部件 安装灵活整个气体处理过程在一根管子里就可全部完成 该装置无运动部件 重量轻 占据空间小 适于海上平台 因此也简化了操作 5 支持无人操作 海底 海上以及环境恶劣地区 超声速旋流分离器是简单可靠的静态装置 没有转动部分 无需化学药剂 因此无再生系统 设施简单 可用于无人值守系统 6 结构紧凑轻巧 气体处理能力强由于在超声速下运行 通过很小直径超声速旋流分离器管的流量相当大 从而确保了其设计的紧凑和轻巧 小口径的超声速管处理量很大 在10MPa下直径1英寸的分离器的处理量可达到100 104Sm3 d 7 应用范围广超声速旋流分离器的这些特点允许对其空间布局和重量进行优化 因此可广泛应用于海上 陆地等各种生产环境 第一章绪论 五 超声速旋流分离器的干燥和露点降性能将超声速旋流分离器与焦耳 汤姆逊阀 J T阀 和透平膨胀机进行热力学比较 相比之下 超声速旋流分离器的等熵效率约为90 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 超声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 1998年至2003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 2003年12月首次在马来西亚海上石油平台进行了商业应用试验 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 超声速旋流分离器的露点降性能将会得到大幅度提高 第一章绪论 六 本文研究内容本课题是中国石化集团公司立项的 白庙凝析气田开发地面工程技术研究 子课题之一 针对白庙凝析气田含水量相对较高 加热防冻困难 防冻剂用量大的特点提出了免加热和免加注防冻剂的超声速旋流分离重烃和水的新技术 国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 国内也未见相关报道 本文研究目的是通过对超声速旋流分离技术的深入研究 建立超声速旋流分离器的具有自主知识产权的设计方法 超声速旋流分离器的成功操作取决于流速 旋流强度 成核速率 液滴生长速度及其它相关因素之间的巧妙平衡 和这些因素之间的相互影响 如果液滴太小 液滴将沿流场的流线运动 许多液滴不能分离出来 如果液滴太大 液滴的惯性将很大 许多液滴将不能旋流到管壁处 为了提高设备的性能 需要深入了解各个影响因素的过程 第一章绪论 主要研究内容如下 对超声速旋流分离器组件进行设计理论研究 对超声速旋流分离器各部分结构进行优化设计 通过对多种设计方法的对比分析 利用FLUENT软件对各部分结构进行数值模拟 确定出最优设计方法 利用FLUENT软件进行数值模拟确定超声速流体在拉伐尔喷管 扩压管内和经过翼段后旋流场的流动规律 通过数值模拟确定超声速旋流分离器在不同的工况下应用的可行性 确定分离器工作范围 利用FLUENT软件建立混合气流场的数值计算模型 分析凝析相变颗粒的运动轨迹 分离效率及气液分离的主要机理 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 研究喷管内天然气凝结相变规律 加工超声速旋流分离器试验件 进行现场实验 总结分析分离特性 验证理论研究成果 第一章绪论 图3 17超声速旋流分离器结构示意图 第二章超声速旋流分离器系统设计方法优选 超声速旋流天然气分离器气流轨迹 本文基于气体动力学 热力学和流体力学等理论 以白庙凝析气田26井天然气全组分为例 对新型高效天然气处理装置 超声速旋流分离器进行了理论研究 数值模拟 设计加工和现场实验一系列工作 提出了超声速旋流分离器的优化设计方法 分析了影响超声速旋流分离器流动特性 分离效率的影响因素 探讨了这项技术的可行性 主要结论如下 超声速旋流分离器是集透平膨胀机 气 液分离器 二次压缩机三种设备的优势而成的一种新型天然气处理设备 将绝热膨胀 低温凝析 旋流分离 减速扩压等处理过程都在一个密闭紧凑的装置内完成 其等熵效率可达90 在给定压降下能获得较低的温度 该装置无移动部件 无再生系统 经济效益好 与常规处理工艺相比可使投资和运行费用减少10 25 国外1997年提出并开始该项技术研究 本文在国内首次进行超声速旋流天然气分离器设计 加工制造和现场实验研究 本文提出三种不同的拉伐尔喷管的设计方法 对按照三种不同方法设计的喷管进行数值模拟对比分析 确定出亚声速收缩段按照维托辛思基曲线设计 喉部设计成一段光滑圆弧 超声速扩张段按照富尔士法设计的喷管出口气流均匀 达到设计的马赫数 全文结论 提出四种超声速翼的设计方法 根据数值模拟结果 确定轴流叶轮叶片设计方式设计超声速翼型 该翼型可以提高翼后离心加速度和避免翼前激波 前缘进气角为70 后缘进气角为80 进口角40 最大厚度2 65mm 整流段采用等径直管 长度小于临界管长 避免超声速摩擦壅塞的发生 扩压管为渐扩锥形管 张角为6 研究提出了拥有自主知识产权的超声速旋流天然气分离器系统设计方法 根据4MPa 10 104Sm3 d的生产工况 完成了超声速旋流天然气分离器系统设计 管全长749 19mm 喷管段长度181 06mm 翼段长160mm 扩压管长137 73mm 喷管入口直径80mm 喉部直径12 36mm 喷管出口直径16 76mm 扩压管出口直径31 20mm 建立了描述有相变的喷管中天然气高速流动的数学模型 喷管中高速流动的气体发生凝结时 会释放潜热 加热气体 产生凝结突跃现象 随着入口压力的升高 相变起始点位置逐渐前移 水蒸汽凝析率逐渐增大 给出了一种估计分离器正常工作的压力范围的方法 当入口温度为 水蒸汽摩尔含量为0 03 时 本文所设计的分离器的正常工作范围为 3 11MPa 在设计工况下 分离器可以使61 01 的水份析出 全文结论 在4MPa 10 104Sm3 d工作工况下 对拉伐尔喷管 翼段和整个分离器进行数值模拟计算 气流在喷管喉部达到声速 在扩张段达到超声速 形成低温低压 为水份和重烃凝析提供了条件 喷管出口处温度达到 67 76 压力527924Pa 翼段出口平均切向速度达98 88m s 旋流比达0 22 离心加速度达到119 000 572 000g 旋流效果理想 在扩压管内压力得到恢复 控制激波于超声速翼段和扩压管之间 并且趋近于扩压管入口 降低气流动能 增加了旋流比 提高了超声速旋流分离的效率 分析操作参数对超声速旋流分离器的影响 升压比达50 60 分离器可正常工作 随升压比增加 激波发生的位置逐渐前移 超声速旋流分离器的工作流量随入口压力的增加而增加 对于粒径为1微米的液滴颗粒 水的旋流分离效率为67 54 重烃的旋流分离效率为56 63 液滴颗粒在喷管后的最大停留时间约为13毫秒 水化物来不及形成 因此超声速旋流分离器实现了免添加水化物抑制剂防冻 液滴颗粒在翼段管壁上的浓度分布变化 证明了液滴颗粒与壁面发生碰撞并被壁面吸附是气液混合气分离的主要机理 全文结论 根据液滴颗粒在喷管内的成核凝析率和在翼段的旋流分离效率 超声速旋流分离器水的分离效率41 21 重烃的分离效率34 55 分离后压力2MPa下烃露点温度由 5 27 降为 14 29 水化物的形成温度由 0 24 降为 5 50 设计 加工和现场安装了国内第一套试验样机 在中原白庙凝析气田进行了现场实验研究 实验表明 经