超音速旋流分离器技术研究

论文摘要

天然气脱水和重烃分离是油气田地面生产的重要工艺环节,本文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,研制出一种新型天然气处理设备——低压降旋流分离器。本文依据气体动力学、热力学和流体力学理论,分析了低压降旋流分液器的基本工作原理,建立可压缩流体在旋流发生器前端、叶片、喷管、扩压器流动的数学模型,借助大型CFD软件FLUENT,求解气流在旋流发生器前端、叶片、喷管、扩压器和整个分离器内的速度、温度和压力分布。通过对不同叶片设计方法对比分析,得到了叶片的最优设计方法,喷管亚声速收缩段按照双三次曲线成比例的缩小设计,喉部设计成一段光滑圆弧,扩张段按照富尔士法设计,喷管出口流速均匀性较好,具有较小的能量损失;经过对轴流叶轮叶片设计方法设计的叶片进行优化,提高了离心加速度、增加了旋流比。对混合气流场进行数值模拟,根据液滴颗粒在叶片的旋流分离效率,模拟计算低压降旋流分离器分离段水的分离效率为75.2%,重烃的分离效率73.2%。水和重烃在喷管后的最大滞留时间约为9.6毫秒,水化物来不及形成,因此低压降旋流分离器实现了免添加水化物抑制剂防冻。利用HYSYS计算,出口压力4MPa下烃露点温度降至-27.83℃,水化物的形成温度降至1.17℃。对低压降旋流分离器内气流特性进行数值模拟分析,得出气流速度、压力和温度特性的变化情况,控制激波趋于扩压器入口,降低气流动能,增加了旋流比,提高了旋流分离的效率,保持升压比达40%～47%,分离器可正常工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 我国天然气矿场加工处理现状
• 1.2 超声速旋流分离器研究进展
• 1.2.1 超声速旋流天然气分离器的工作原理
• 1.2.2 低压降Twister 的工作原理及与原设计的比较
• 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
• 1.3.2 节流制冷
• 1.3.3 透平式膨胀机
• 1.3.4 实际气体喷管效应
• 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
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 当前面临的问题
• 第二章 叶片和叶栅设计
• 2.1 叶型和叶栅参数
• 2.2 叶片设计要求
• 2.3 叶片设计
• 2.3.1 初始参数
• 2.3.2 叶片设计最终参数
• 第三章 旋流发生器前后端曲线立体设计和结构设计优选
• 3.1 旋流发生器前端设计
• 3.1.1 旋流发生器前端设计
• 3.1.2 喷管收缩段设计
• 3.1.3 喷管喉部设计
• 3.1.4 喷管扩张段和超音速整流段设计
• 3.1.5 超音速分离器扩压器段设计
• 3.1.6 旋流发生器曲线设计总结
• 3.1.7 实际工况下旋流发生器、喷管及扩压器设计尺寸
• 3.1.8 实际工况下喷管段设计方案
• 3.2 数值模拟计算模型及参数的确定
• 3.2.1 可压缩流场描述及简化假设
• 3.2.2 数学模型建立
• 第四章 低压降混合气流场的数值模拟
• 4.1 多相流模型介绍
• 4.2 混合气流场分析模型的建立
• 4.2.1 气相场计算
• 4.3 气液分离机理分析
• 第五章 旋流分离器分离特性数值模拟
• 5.1 流体物性与流动特性
• 5.2 低压降旋流分离器性能影响分析
• 5.2.1 总压损失分析
• 5.2.2 升压比分析
• 5.2.3 入口、出口压力自适应范围
• 5.2.4 流量适应范围
• 5.2.5 升压比对激波位置的影响
• 第六章 全文结论
• 主要符号表
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果