天然氣超音速旋流脫水裝置設(shè)計及凝結(jié)特性分析①

劉 清　王 超

1.武漢商學(xué)院機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院　2.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室

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天然氣超音速旋流脫水裝置設(shè)計及凝結(jié)特性分析①

劉 清1王 超2

1.武漢商學(xué)院機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院2.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室

摘要天然氣中含有的水蒸氣往往會導(dǎo)致單位體積氣體發(fā)熱量降低，減少輸送管道的流通面積，其中的CO2和H2S溶于液態(tài)水后還會腐蝕管路。針對實際開采過程中的高壓天然氣含水問題，結(jié)合流體力學(xué)和工程熱力學(xué)原理，設(shè)計了1套前置式超音速天然氣旋流脫水裝置?；趪鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，建立了超音速旋流天然氣凝結(jié)流動的數(shù)值模型，包括多組分兩相膨脹流動模型和水蒸氣凝結(jié)模型。對超音速旋流天然氣脫水裝置各個工作段的流動特性進行了數(shù)值研究，得出裝置內(nèi)部壓力、溫度、馬赫數(shù)、水蒸氣內(nèi)部成核率、濕度的分布規(guī)律，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對超音速旋流天然氣脫水裝置進行了優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞超音速天然氣旋流脫水凝結(jié)特性

井口開采的天然氣中含有少量水蒸氣和固體顆粒，容易在油氣儲運過程中發(fā)生均質(zhì)凝結(jié)和非均質(zhì)凝結(jié)，導(dǎo)致輸送管道的流通面積減小，增加管路壓損，降低有效輸運能力[1-3]。天然氣中的CO2和H2S等酸性氣體易溶于水，對輸送設(shè)備有一定的腐蝕作用[4-5]。天然氣脫水是油氣輸運前的必要工序，只有嚴(yán)格控制天然氣中的水含量，才能保證氣體高效輸送。基于國內(nèi)外研究情況，天然氣脫水工藝主要包括：溶劑吸收、膜分離、固體吸附、冷凝分離等[1-3,6]。近年來，隨著天然氣脫水技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了超音速旋流分離脫水技術(shù)，該技術(shù)基于冷凝分離法，利用Laval噴管和旋流葉片，實現(xiàn)了水蒸氣與天然氣的分離[7-8]。與其他方法相比，超音速旋流分離技術(shù)具有脫水效率高、工藝簡單、設(shè)備可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

超音速分離過程涉及多組分混合氣體凝結(jié)相變和傳熱傳質(zhì)，故研究天然氣脫水凝結(jié)特性較為困難。對超音速凝結(jié)流動的研究主要以濕空氣、濕蒸汽為工質(zhì)，對含濕天然氣凝結(jié)特性的相關(guān)研究尚不多見[9-11]。1997年，荷蘭Twister公司和俄羅斯Translang公司開始進行天然氣超音速旋流脫水研究，相繼研究出了Twister天然氣脫水裝置和3S型旋流分離裝置[6]。近幾年，西安交通大學(xué)、西南石油大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)科研機構(gòu)開始進行天然氣超音速旋流脫水裝置的設(shè)計[8-9]。西安交通大學(xué)主要對噴管型線選擇進行了研究[6]；西南石油大學(xué)對旋流分離器和擴壓器設(shè)計方法進行了研究；北京工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種后置式旋流分離裝置，并試驗研究了該裝置的除濕效果[2]。

根據(jù)分離器裝置中旋流發(fā)生器的位置不同，將分離器裝置分為前置式和后置式。后置式分離裝置在結(jié)構(gòu)性能上有一些缺點：①高速氣體與超音速翼片碰撞后會引發(fā)激波影響流場，造成能量損失，容易導(dǎo)致液滴再次揮發(fā)，降低旋流分離器的分離性能；②旋流分離器整流管段型線為直線，其長度很難確定，管段過長會破壞冷凝段超音速流場，過短會使氣液分離不徹底。

由于后置式脫水裝置壓損較大，設(shè)計了一套前置式超音速天然氣旋流脫水裝置，建立了超音速旋流天然氣凝結(jié)流動的數(shù)值模型，數(shù)值研究了脫水裝置各個工作段的流動特性，得出了裝置內(nèi)部壓力、溫度、馬赫數(shù)、水蒸氣成核率、濕度的分布規(guī)律，為今后分離器設(shè)計提供了理論參考。

1天然氣旋流脫水裝置設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外已有實驗結(jié)果，超音速旋流脫水裝置進口壓力一般取8～11 MPa，進出口壓降一般為進口壓力的20%～30%。因此，本裝置設(shè)計流量為500×104m3/d(折合質(zhì)量流量為37.62 kg/s)，進口壓力為10 MPa，進口溫度為300 K。本試驗設(shè)計的前置式超音速旋流脫水裝置主要由進口旋流段、Laval噴管段、旋流分離段、擴壓器4部分組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該裝置分為外部殼體和中心實體兩部分，兩部分之間為圓環(huán)形腔體，通過一系列螺栓連接。為了方便加工，中心實體由3部分組成，各部分之間通過螺栓連接；外部殼體由旋流器殼體、Laval噴管段、分離段和擴壓段組成。

進口旋流段主要由旋流器外殼和旋流器本體構(gòu)成，旋流器葉片安裝角為40°，葉片扭曲角為30°，葉片數(shù)目為12個。旋流器本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Laval噴管段可使天然氣迅速膨脹并獲得超音速，使氣流溫度降低，在噴管喉部下游某處水蒸氣迅速凝結(jié)成小水滴。采用BWRS實際氣體狀態(tài)方程計算噴管喉部尺寸，并利用維托辛斯基曲線法設(shè)計Laval噴管漸縮段，采用特征線解析法設(shè)計Laval噴管的擴壓段。擴壓器可將超音速流動天然氣的動能轉(zhuǎn)化為氣體的勢能。Laval噴管中凝結(jié)產(chǎn)生的小水滴通過旋流分離段和擴壓段之間的間隙進入旋流分離段內(nèi)部，從而達到脫水的目的。

相比于后置式旋流分離器，前置式超音速旋流脫水裝置不會產(chǎn)生因高速氣流與分離器葉片碰撞造成的激波損失，避免了旋流激波的破壞。此外，本裝置的水蒸氣凝結(jié)和氣液分離均集中在漸擴噴管中，縮短了裝置長度，從而優(yōu)化了裝置整體結(jié)構(gòu)。

2數(shù)值計算方法

建立兩相流動控制方程組時，通常采用如下假設(shè)[10]：

(1) 流體與外界沒有熱交換，系統(tǒng)處于絕熱狀態(tài)。

(2) 氣液兩相在噴管中的流動可視為可壓縮流動。

(3) 流動介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)在流動過程中是連續(xù)的。

(4) 形成的液滴為不可壓縮的球體，體積很小，流動過程中液滴之間沒有碰撞。

(5) 成核所需時間很短，自發(fā)成核之后液滴數(shù)目不變。

(6) 沒有外界電場、磁場的干擾。

2.1控制方程組

對天然氣脫水凝結(jié)特性進行研究，首先應(yīng)建立氣相控制方程，在此基礎(chǔ)上確定成核率方程、水滴生長速率方程、液相控制方程、氣體狀態(tài)方程和組分輸運方程。

氣相流動控制方程組見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中:ρg為氣相密度，kg/m3；u為速度，m/s；mv為單位體積內(nèi)凝結(jié)產(chǎn)生的液滴質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；hfg為水蒸汽凝結(jié)潛熱，kJ/kg；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);i,j表示方向。

氣體狀態(tài)方程采用維里方程：

(4)

式中：R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為溫度，K；B、C、D為1、2、3階維里系數(shù)。

液相流動控制方程見式(5)～式(6)。

(5)

(6)

選擇Kantrowitz提出的非等溫修正成核模型計算水蒸汽成核率，其計算式見式(7)。

(7)

非等溫影響修正系數(shù)θ見式(8)。

(8)

式中:qc為凝結(jié)系數(shù)，無量綱；M為水分子的質(zhì)量，kg；σ為水滴表面張力，N/m；Kb為波爾茲曼常量，J/K；γ為蒸汽定熵指數(shù)，無量綱。

水滴生長速率計算見式(9)。

(9)

式中:λg為氣相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；r為水滴半徑，m；Kn為克努森數(shù)，無量綱。

濕天然氣與水滴間的傳質(zhì)過程由組分輸運方程進行描述，見式(10)。

(10)

式中:Ys為水滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m為濕天然氣質(zhì)量，kg。

2.2模型驗證

為了驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將G.Lamanna測得的超音速噴管內(nèi)壓力比試驗數(shù)據(jù)與本模型計算數(shù)據(jù)進行對比，見圖3。噴管型線及壓力比數(shù)據(jù)取自文獻[12]，該試驗工質(zhì)為氮氣和水蒸氣混合物，噴管進口壓力為84.8 kPa，進口溫度為279.8 K，噴管出口馬赫數(shù)約為1.3，為超音速流動。

由圖3可以看出，隨著流體向噴管下游流動，壓力比不斷降低，且下降速度越來越快，在距喉部下游約0.7 cm(距喉部0 cm處)的位置，壓力有一個明顯的突躍，此處水蒸氣開始成核，并釋放大量潛熱，存在較為劇烈的激波現(xiàn)象。由于激波位置不易捕獲，因此壓力突跳點處的試驗值和計算值吻合度欠佳，但噴管其余位置處的吻合度均較好，因此，本文模型能較準(zhǔn)確地描述雙組分凝結(jié)流動。

根據(jù)超音速旋流天然氣脫水裝置結(jié)構(gòu)建立對應(yīng)物理模型，使用Gambit建立實體模型并進行網(wǎng)格劃分，由于裝置整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，并對Laval噴管喉部下游進行網(wǎng)格加密處理，具體網(wǎng)格的劃分如圖4所示，網(wǎng)格總數(shù)為245萬個。

3凝結(jié)特性分析

采用了Fluent軟件中的壓力求解器，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。工質(zhì)入口壓力取 10 MPa，溫度300 K，出口壓力取7 MPa，溫度300 K，對超音速旋流噴管內(nèi)的濕天然氣凝結(jié)特性進行數(shù)值模擬[13]。圖5(a)、(b)、(c)分別給出了裝置內(nèi)部的壓力、溫度、馬赫數(shù)沿軸向的分布情況。

由圖5(a)可知，在旋流分離管段，激波使壓力陡然升高，隨后壓力上升速度變慢。在Laval噴管段，氣流壓力沿流動方向不斷減小，噴管出口處達到最低值，為3.316 MPa。圖5(b)給出了裝置內(nèi)部的溫度分布，在Laval噴管喉部附近溫度達到最低值，隨后開始出現(xiàn)成核和水滴生長過程，由于相變產(chǎn)生了大量凝結(jié)潛熱，對工質(zhì)起到了加熱作用，故Laval噴管后半段的溫度逐漸升高。從圖5(c)可以看出，氣流速度沿流動方向逐漸增大，在噴管喉部達到音速，在噴管的出口處速度最大，達到超音速，速度最大值為460.7 m/s，馬赫數(shù)為1.19。

旋流分離器的脫水效率主要由激波位置確定，如果激波位置比較靠前，則在噴管后半段水滴還可能被蒸發(fā)。為了提高脫水裝置的分離效率，激波位置應(yīng)在噴管喉部之后，擴壓器之前[14]。圖6為噴管喉部下游成核率分布放大圖，該圖的起始點為噴管喉部。由圖6可知，在喉部下游4 cm處，成核率達到最大值，隨后成核現(xiàn)象消失，進入水滴生長階段。

由于管壁處摩擦力較大，靠近壁面處會產(chǎn)生摩擦熱，水滴在壁面附近會出現(xiàn)閃蒸，因此，壁面處的成核率較低。

圖7給出了超音速噴管內(nèi)的濕度分布情況。本試驗選擇的天然氣工質(zhì)中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，數(shù)值模擬得到的噴管出口濕度約為0.057%，表明裝置脫水效果良好。

由分析結(jié)果可知，影響凝結(jié)特性的部分主要為Laval噴管后半段(喉部之后)，因此，通過改變Laval噴管后半段型線參數(shù)，適當(dāng)擴大外管尺寸，縮小內(nèi)管尺寸，可增強超音速噴管漸擴段的作用，從而提高含濕天然氣出口馬赫數(shù)，降低出口溫度，有利于獲得更大的過冷度，提高脫水效率。

4結(jié) 論

針對實際開采過程中高壓天然氣含水的問題，結(jié)合流體力學(xué)和工程熱力學(xué)原理，設(shè)計了1套前置式超音速天然氣旋流脫水裝置，并得出以下結(jié)論：

(1) 含自發(fā)凝結(jié)的兩相流動控制方程組能較準(zhǔn)確地描述雙組分凝結(jié)流動。

(2) 激波位置決定了旋流分離器的脫水效率，為了提高脫水裝置的分離效率，激波位置應(yīng)在噴管喉部之后，擴壓器之前。

(3) 影響凝結(jié)特性的部分主要為Laval噴管后半段，通過改變Laval噴管后半段型線參數(shù)，適當(dāng)擴大外管尺寸，縮小內(nèi)管尺寸，可提高脫水效率。

參 考 文 獻

[1] 柳海, 呂孝飛, 張鋒, 等. 節(jié)流閥內(nèi)天然氣組分凝結(jié)規(guī)律研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2012, 48(10): 139-144.

[2] 文闖, 曹學(xué)文, 楊燕, 等. 環(huán)形超聲速噴管內(nèi)天然氣流場特性[J]. 化工進展, 2011, 30(4): 720-725.

[3] 王治紅, 朱超, 王小強, 等. 再循環(huán)腔進口位置對超音速分離器流場影響數(shù)值分析[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(2): 117-121.

[4] 靳亮, 諸林, 王磊. 超音速脫水在天然氣處理中的應(yīng)用[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(6): 578-581.

[5] 程霖, 額日其太, 計維安, 等. 天然氣超音速分離器中漩渦發(fā)生器及噴管的數(shù)值模擬研究[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(3): 232-235.

[6] 呂孝飛, 常春, 白博峰. 正戊烷節(jié)流凝結(jié)規(guī)律研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2011, 47(16): 133-138.

[7] MAHMOODZADEH V B, SHAHSAVAND A. Analysis of supersonic separators geometry using generalized radial basis function artificial neural networks[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering, 2013, 13(3): 30-41.

[8] LIU H W, LIU Z L, FENG Y X, et al. Characteristics of a supersonic swirling dehydration system of natural gas[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2005, 13(1): 9-12.

[9] 韓中合, 韓旭, 李鵬. 濕蒸汽非平衡凝結(jié)流動的熱力學(xué)特性[J]. 化工學(xué)報, 2015, 66(11): 4312-4319.

[10] 楊勇, 沈勝強, 董國海, 等. 水蒸氣超音速流動中非平衡相變的溫度特性[J]. 化工學(xué)報, 2012, 63(2): 401-407.

[11] 劉克強, 王瑞, 鐘詩勝. 長油氣管線泄漏遙測激光器位姿控制算法[J]. 機械設(shè)計與制造,2011(10): 1-3.

[12] LAMANNA G. On nucleation and droplet growth in condensation nozzle flows[D]. Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2000.

[13] 葛漢林, 姜芳, 吳明. 油氣管道帶壓不停輸折疊式封堵技術(shù)及設(shè)備的研究設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造, 2014(4): 209-211.

[14] 武心壯, 夏栓, 邱健. 超音速噴射器內(nèi)部流場及變工況CFD分析[J]. 機械設(shè)計與制造, 2014(9): 49-51.

Design and condensing characteristics analysis of natural gas supersonic vortex dehydration unit

Liu Qing1, Wang Chao2

(1.SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomobileService,WuhanBusinessUniversity，Wuhan430056,China; 2.StateKeyLaboratoryofCoalCombustion,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Water vapor in natural gas often leads to the decrease of gas calorific value per unit volume; it also reduces the flow area of pipeline. Moreover, the CO2 and H2S will corrode the pipeline when dissolved in liquid water. According to the containing water problems in high pressure natural gas during development, a roof-mounted type supersonic cyclone flow natural gas dehydration unit was designed in combination with the fluid mechanics and engineering thermodynamics principle. Based on the research status at home and abroad, the supersonic natural gas condensate flow numerical model was built, including multicomponent two-phase expansion flow model and water vapor condensing model. The flow characteristics of each work section of supersonic natural gas dehydration unit were numerical analyzed, and the device internal pressure, temperature, Mach number, vapor nucleation rate, moisture distribution were obtained. According to the results of numerical simulation, optimization design was carried out to improve the efficiency of separation.

Key words:supersonic, natural gas, vortex, dehydration, condensing characteristics

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“濕式煙氣循環(huán)氧燃料燃燒方式下超細(xì)顆粒物和典型重金屬排放機理”(51276072)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“汽車手動三級換擋變速演示臺的研制”(B2015390)。

作者簡介：劉清(1973-)，女，漢族，湖北武漢人，碩士，副教授，主要研究方向包括：流體熱質(zhì)交換、流體機械及新能源應(yīng)用等。E-mail：l_iuqing@sina.com

中圖分類號：TE868

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.001

收稿日期：2015-12-21；編輯：溫冬云