超声速旋流分离器喷管设计方法的对比分析

超声速旋流分离器喷管设计方法的对比分析

超声速旋转天然气生产能力是一种基于传统低温分离技术分离效率低、投资和运营成本高、耐寒性差、耐用性高的新设备。它提出了一种新设备，可以加热或添加防冻剂。天然气在喷管内绝热膨胀形成低温低压,使天然气中的水分和重烃分离出来,为后面的旋流分离提供先行条件。所以,拉伐尔喷管设计的优劣决定了超声速旋流分离器分离效率的高低。设计合格的拉伐尔喷管可保证出口气流均匀一致,达到超声速,紊流度小,且流场中不存在激波。一、拉默尔喷管的超声速决策拉伐尔喷管设计包括亚声速收缩段、喉部和超声速扩张段3个部分的型线设计。1.设计方法该方法收缩段按维托辛思基曲线设计,扩张段按富尔士法设计入。(1)积的比及收缩段曲线亚声速收缩段的作用是使气流加速,同时要保证收缩段的出口气流均匀、平直而且稳定。收缩段的性能取决于收缩段进口面积和出口面积的比值及收缩段曲线形状。将收缩段设计成维托辛思基曲线,收敛段上任意截面半径为:R=R21−[1−(R2/R1)2](1−x2/L12)2/[1+x2/(3√L1)2]3√R=R21-[1-(R2/R1)2](1-x2/L12)2/[1+x2/(3L1)2]3式中:R1、R2、R分别为收缩段进口、出口及任意x处的截面半径,L1为收缩段长度(如图1所示)。(2)喉咙喉部是气流从亚声速转变为超声速的过渡段,喉部直径的选取受到气流流量的限制。喉部曲线变化不能太快,这里选用了一段圆弧作为过渡曲线。(3)扩张段曲线及各节段分析扩张段曲线采用基于特征线法的富尔士法进行设计。超声速扩张段曲线包括3段曲线(如图2)。喉部过渡段、直线段和消波段,其中喉部过渡段和直线段是使气流加速的,消波段是设法将膨胀波在壁面的反射消灭,以保证实现出口气流均匀。2.喷管渐扩顶锥角该方法收缩段按维托辛思基曲线设计,扩张段按锥形管设计。亚声速收缩段与方法Ⅰ中的设计相同。这里仅说明超声速扩张段的设计。对于喷管扩张段,为简化设计过程,取其形状为锥形。由不同渐扩顶锥角的模拟对比发现,当喷管渐扩顶锥角φ(如图3所示)在8°~12°范围内变化时,φ对流动特性影响不明显,实际效果颇佳。当φ取10°时,其流动更接近等熵流。这里取顶锥角φ为10°。故有:L2=D2−Dcr2tan(φ/2)=D2−Dcr2tan5°L2=D2-Dcr2tan(φ/2)=D2-Dcr2tan5°3.喷管内部形状该方法亚声速收缩段和超声速扩张段均按面积比公式设计。假定喷管每一截面上流动参数均匀,根据气体动力学原理设计喷管内部形状曲线,当Ma<1时,其曲线方程类似于椭圆形;当Ma>1时,其曲线方程类似于双曲形。4.喷管型线的确定在超声速旋流分离器入口压力7MPa、流量11.767×104m3/d、温度30℃工况下,流体介质为中原油田白26井天然气组分,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种方法设计的喷管型线分别如图4中a、b、c所示。5.喷管流场计算方法的确定超声速旋流分离器内部流场十分复杂,CFD(计算流体力学)技术是研究开发超声速旋流分离器的重要手段,FLUENT软件是一大型的CFD模拟软件,适于模拟亚声速、跨声速和超声速流动的很大范围内的复杂流场结构的可压缩流动。计算中网格采用GAMBIT的六面体结构网格,解算器选用耦合显式格式,湍流模型选用RNGk—ε模型,采用压力边界条件。按不同方法设计的喷管连上一段50mm的等径管,进行数值模拟对比分析,确定喷管的最优设计方法。由喷管马赫数等值线(图5)可以看出,喷管1(图5-a)的出口气流更均匀。超声速气流从喷管超声速扩张段进入等径管,通道面积缩小,气流受到压缩,产生压缩波。喷管2(图5-b)和喷管3(图5-c)在喷管出口与等径管之间的过渡曲线曲率半径小于喷管1,所以喷管1产生的压缩波为微弱压缩波,对气流的影响不大,出口气流更均匀。因此,设计方法Ⅰ是超声速旋流分离器喷管设计的最佳方案。二、流体静温和静压在分离器入口压力4MPa、流量10×104m3/d、温度30℃工况下,按照设计方法Ⅰ对喷管进行设计和数值模拟。如图6~8所示,在整个拉伐尔喷管内部,马赫数沿管道轴向呈增加趋势,而流体静温及静压则是沿轴向降低的,在喉部处流体马赫数达到声速,出口截面处为超声速流,并形成低温低压(-67.76℃,527924Pa),凝析出了大量的游离水和重烃液,为后面进入旋流场实现离心分离提供了条件。同时喷管出口气流稳定分布,无明显激波系进入整流段中,有利于后面的整流分离。喷管出口凝析形成的液滴直径介于1.0~1.5μm,液滴在超声速旋流分离器中的滞留时间介于1~13ms,而水合物形成的时间一般为1000s甚至更长时间,因此极短的滞留时间不会形成水合物,亦不需添加防冻剂。三、气流超声速,出口均匀,无激波下无激波(1)亚声速收缩段用维托辛思基曲线设计,超声速扩张段按富尔士法设计,喉部型线按照光滑圆弧设计的喷管,气流在扩张段达到超声速,出口达到设计的马赫数的要求,出