張衛(wèi)兵

摘 要：針對(duì)天然氣在長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中，所含水蒸汽雜質(zhì)會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水的問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理與液滴成核生長(zhǎng)理論，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種全新的前置式超聲速旋流脫水裝置。利用CFD中的用戶自定義接口建立了含濕天然氣的凝結(jié)流動(dòng)模型，數(shù)值分析了裝置內(nèi)部的馬赫數(shù)、過(guò)冷度、液滴成核率、液滴半徑和濕度等關(guān)鍵凝結(jié)參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：所建立的三維含濕天然氣的凝結(jié)流動(dòng)模型可以真實(shí)描述超聲速旋流分離器中的流動(dòng)變化規(guī)律，為以后裝置的工業(yè)應(yīng)用和下一步提高分離效率提供了理論參考。

關(guān) 鍵 詞：前置式超聲速分離器；自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)；數(shù)值模擬；分離效率

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1892-05

Abstract： Aiming at the problem that the water vapor can condense into liquid water in the long distance pipeline， a type of supersonic separation structure was designed according to principle of dynamics and droplet nucleation and growth theory. Based on CFD custom user interface， a spontaneous condensation model was established to simulate the degree of supercoiling， nucleation rate， droplet radius and humidity distribution. The results show that， under the design condition， the reasonable condensation model can reveal the change rule of condensation flow field in the supersonic separation tube， which provides the theoretical reference for industrial application of the device and improvement of the separation sufficiency in the future.

Key words： front-placed supersonic separator； spontaneous condensation flow； number simulation； separation efficiency

從地下礦井第一時(shí)間開(kāi)采出來(lái)的天然氣，是一種以烴類物質(zhì)為主，同時(shí)含有水蒸氣、二氧化碳、固體顆粒等雜質(zhì)的混合物，其中水蒸氣在長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中遇冷會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水，液態(tài)水的存在不單會(huì)與重?zé)N結(jié)合形成水合物，堵塞運(yùn)輸管道，而且還會(huì)與二氧化碳結(jié)合形成酸，造成設(shè)備的慢性腐蝕，后果十分嚴(yán)重 [1]。近些年以來(lái)，不斷轉(zhuǎn)變思路，克服原有脫水裝置的局限，提出了一種非常先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?？煽康拿撍夹g(shù)—超聲速旋流脫水技術(shù)[2-4]，這種技術(shù)把氣體動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和液滴的成核生長(zhǎng)理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了含濕天然氣在膨脹降溫的同時(shí)進(jìn)行切向旋流，從而高效率的分離出凝結(jié)成的水分。超聲速旋流脫水技術(shù)它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在處理過(guò)程中不需要添加任何化學(xué)藥劑，具有效率高、可靠耐用、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn) [5-8]。

為了了解含濕天然氣在超聲速分離裝置內(nèi)的流動(dòng)變化規(guī)律，搞清楚水蒸氣在此過(guò)程中的凝結(jié)相變至關(guān)重要。在這種前提下，古往今來(lái)不少海內(nèi)外學(xué)者對(duì)含濕天然氣中的凝結(jié)相變進(jìn)行了不懈探索。在國(guó)外，Anahid Karimi對(duì)超音速噴管中的凝結(jié)相變進(jìn)行了二維模擬，分析了操作參數(shù)對(duì)于凝結(jié)的影響；荷蘭的Eindhoven大學(xué)[9]主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種組分時(shí)自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)過(guò)程中的液滴成核與生長(zhǎng)進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究。在國(guó)內(nèi)，此項(xiàng)工作開(kāi)展的相對(duì)較遲，經(jīng)過(guò)學(xué)者們的努力，也取得了不錯(cuò)的研究成果，北京工業(yè)大學(xué)的蔣文明等[10]建立了Laval噴管中的超音速自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)一維數(shù)學(xué)模型，得出了噴管軸向的液相參數(shù)分布；大連理工大學(xué)的馬慶芬[11]，結(jié)合經(jīng)典成核與液滴生長(zhǎng)理論，建立了兩相雙組份冷凝湍流模型，分析了超音速脫水離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)凝結(jié)參數(shù)的影響；中國(guó)石油油氣工藝技術(shù)研究院的張書(shū)平[12]在忽略氣相與液相滑移的條件下，建立了天然氣超音速凝結(jié)數(shù)學(xué)模型，分析了噴管擴(kuò)張半角對(duì)凝結(jié)的影響；但是大部分針對(duì)超音速凝結(jié)特性研究只是單純的兩相流動(dòng)研究，并沒(méi)有考慮氣液兩相的組分傳輸，而且受到條件限制不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本文通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)的分離器結(jié)構(gòu)，改進(jìn)國(guó)內(nèi)原有前置式和后置式分離器的不足，對(duì)每一個(gè)部件重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了一套高壓條件下的超聲速旋流分離器的設(shè)計(jì)，并由此建立了三維幾何模型；在現(xiàn)有計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)Fluent中提供的用戶自定義接口，編寫(xiě)相關(guān)方程的代碼，建立了可以真實(shí)描述含濕天然氣在超聲速分離器中凝結(jié)相變的計(jì)算模型，數(shù)值計(jì)算得到了關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律，為以后裝置的工業(yè)應(yīng)用和下一步提高分離效率提供了理論參考。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前置式超聲速旋流脫水裝置包括：位于前段的懸流發(fā)生器、中段的超音速噴管和位于后段擴(kuò)壓器組成[13]，如圖1所示，每個(gè)部件分別承擔(dān)不同的作用，且彼此作用又緊密相連，首先開(kāi)采出來(lái)的含濕天然氣通過(guò)管道進(jìn)入分離器，在位于前段旋流器的作用下產(chǎn)生一定的旋流，這樣含濕天然氣以軸向速度為主，且伴有周向切向速度的形式進(jìn)入超音速噴管；在噴管加速膨脹的作用下，不僅含濕天然氣的溫度和壓力降低，導(dǎo)致水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，而且隨著通流半徑的不斷減少，切向速度也是在不斷大幅增大，這樣就產(chǎn)生了可達(dá)105次方的離心加速度，由于液態(tài)水和氣態(tài)天然氣的密度不同，液態(tài)水受到更大的離心力，在離心力的作用下，液滴被甩向壁面，在進(jìn)入擴(kuò)壓器之前，通過(guò)排液口流出，而脫去水分的干氣，則經(jīng)過(guò)位于后段的擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓作用，壓力溫度得到回升，被輸向用戶。與后置式旋流分離器相比較，前置式超聲速分離器避免了在超聲速條件下產(chǎn)生旋流，從而避免了正激波和斜激波的產(chǎn)生，保護(hù)了所需要的低溫低壓環(huán)境，相比于原先的前置式旋流分離器，本裝置增加了旋流器的內(nèi)芯，加大了旋流強(qiáng)度，并且使冷凝分離過(guò)程都集中在噴管后半段，減少了直管段分離，從而優(yōu)化了分離器結(jié)構(gòu)。

按照開(kāi)采輸送的實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，分離器入口含濕天然氣的流量為200萬(wàn)m3/d，壓力為為10 MPa，溫度為300 K。首先按照實(shí)際氣體狀態(tài)方程（BWRS）對(duì)超聲速喉部尺寸進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合維托辛斯基曲線法設(shè)計(jì)噴管漸縮段，特征線法來(lái)設(shè)計(jì)噴管的漸擴(kuò)段；為了使得液滴方便沉降與收集，采用環(huán)形截面的分離腔，擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)成錐形，這樣方便加工制造，也不影響整體性能，旋流器在前研究的基礎(chǔ)上，決定選用12個(gè)可以長(zhǎng)生足夠旋流的E186葉片，葉片扭轉(zhuǎn)角為30°，安裝角為40°。圖1具體長(zhǎng)度尺寸為：旋流段95 cm，Laval噴管段57 cm，擴(kuò)壓段103 cm，穩(wěn)流直管段50 cm。

2 數(shù)值計(jì)算方法

為了使研究問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，必須對(duì)分離裝置中的含濕凝結(jié)流動(dòng)采取一些合理假設(shè)：

天然氣在流動(dòng)過(guò)程中與往壁面和外界不進(jìn)行熱交換，處于絕熱狀態(tài)；（2）含濕天然氣在整個(gè)過(guò)程作為連續(xù)相處理，由水蒸氣凝結(jié)成的小液滴對(duì)連續(xù)相的影響忽略不計(jì)；（3）液滴成核時(shí)間極短，成核后液滴的數(shù)量將不發(fā)生變化，液滴之間不會(huì)碰撞聚合；（4）整個(gè)過(guò)程不存在外界電磁場(chǎng)干擾。

2.1 控制方程組

涉及到含濕天然氣的凝結(jié)相變，CFD軟件自帶的模型不能夠滿足要求，需要通過(guò)用戶自定義接口添加一些精準(zhǔn)描述相變和組分輸運(yùn)的方程，這些方程包括：液滴成核方程、液滴生長(zhǎng)方程、液滴狀態(tài)描述方程以及液滴與氣相之間的傳質(zhì)傳熱方程，下面給出描述模型的全部控制方程組。

2.2 計(jì)算方法與邊界條件

在前置式超聲速旋流分離器中含有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的內(nèi)芯，內(nèi)心前段的旋流發(fā)生器上有多個(gè)扭曲的旋流葉片，面對(duì)如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格的精準(zhǔn)劃分顯得至關(guān)重要，在此我們采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)喉部之前的復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行劃分，喉部之后相對(duì)簡(jiǎn)單的后半段則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用應(yīng)用廣泛應(yīng)用于高速湍動(dòng)的RNG k-ε模型和上述控制方程來(lái)描述整個(gè)復(fù)雜的含濕天然氣的超聲速凝結(jié)流動(dòng)。對(duì)液相和氣相的差分分別采用一階迎風(fēng)和二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，同時(shí)選用Simple算法求解來(lái)確保有足夠的計(jì)算精確度。

邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖2，分別是含濕天然氣的壓力進(jìn)口，干氣的壓力出口和液滴的壓力出口。凝結(jié)流動(dòng)的初始化形式以等熵流動(dòng)來(lái)進(jìn)行，這樣可以有效避免迭代過(guò)程中的參數(shù)發(fā)散。

3 結(jié)果與分析

在確定了裝置結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，開(kāi)始對(duì)含濕天然氣在分離器內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，含濕天然氣按照成分簡(jiǎn)化為甲烷和水蒸氣的混合物，其中水蒸氣占總質(zhì)量的百分比為0.06%，設(shè)置入分離器的口壓力為10 MPa，入口溫度為300 K，兩個(gè)出口壓力和溫度統(tǒng)一為為7 MPa和300 K。

圖3為甲烷與水蒸氣混合物在中心軸向截面上的馬赫數(shù)分布圖。由圖可見(jiàn)，混合物的速度從進(jìn)入噴管中開(kāi)始增加，在喉部位置馬赫數(shù)達(dá)到1，在噴管出口位置馬赫數(shù)達(dá)到1.6，明顯為超音速，符合設(shè)計(jì)要求。而且混合氣體經(jīng)過(guò)前段旋流器后，還會(huì)產(chǎn)生且切向速度，隨著氣體不斷進(jìn)入噴管，由中心體和外部管殼形成的環(huán)形通道不斷變窄，根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，混合氣體的切向速度不斷增大，隨之與裝置壁面的摩擦效應(yīng)也會(huì)不斷增大，最終導(dǎo)致壁面處的馬赫數(shù)比其他地方的馬赫數(shù)小，從整體來(lái)看，馬赫數(shù)分布呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且分布比較均勻。

圖4為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的過(guò)冷度分布圖。模擬介質(zhì)為甲烷和水蒸氣的混合物，所以不考慮外來(lái)的凝結(jié)核心，在這種情況下，水蒸氣只有在一定過(guò)冷度的情況下才能夠發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，這個(gè)過(guò)冷度發(fā)生的點(diǎn)稱之為Wilson點(diǎn)。由圖可見(jiàn)，在進(jìn)入超音速噴管之前，不產(chǎn)生過(guò)冷度，在進(jìn)入噴管之后，混合氣體開(kāi)始加速膨脹降溫，過(guò)冷度也在隨之增大，最大過(guò)冷度并沒(méi)有發(fā)生在喉部，而是在軸向位置x=40 cm處，說(shuō)明在喉部還不能發(fā)生凝結(jié)，還沒(méi)有達(dá)到過(guò)飽和凝結(jié)的那個(gè)點(diǎn)，在喉部到x=40 cm的這段距離，水蒸氣繼續(xù)降溫，直到到了臨界點(diǎn)處，大量的凝結(jié)核心在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，此后就不斷有水蒸氣分子附著在凝結(jié)核心上，使得凝結(jié)核心逐漸長(zhǎng)大。

圖5為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的成核率分布圖。由圖可見(jiàn)，整個(gè)成核過(guò)程區(qū)域非常的短，在超音速流速下，可見(jiàn)成核過(guò)程的發(fā)生時(shí)間也很短，在這個(gè)短時(shí)間內(nèi)最大的成核率可達(dá)3.16×1018 kg-1·s-1。

圖6為圖5中成核率區(qū)域的局部放大圖。在這個(gè)放大圖中，我們可以清楚看到成核率在到達(dá)最大值3.16×1018 kg-1·s-1之后，也就是x=40 mm之后，成核現(xiàn)象迅速消失，說(shuō)明液滴的成核階段已經(jīng)完成，之后將進(jìn)入液滴的生長(zhǎng)階段。仔細(xì)觀察還可以發(fā)現(xiàn)，通道中心處的成核率一直比壁面附近的成核率要高，這是因?yàn)樵谛餍?yīng)下，凝結(jié)核心與裝置壁面存在摩擦，摩擦的存在使得壁面處的溫度升高，如此高的溫度使得凝結(jié)核心再次蒸發(fā)，這種現(xiàn)象也稱作閃蒸。

圖7為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的液滴半徑分布圖。在液滴成核之后，不斷有水蒸氣分子撞擊到核心上，由此液滴半徑要不斷增大，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在噴管的后半段，在凝結(jié)發(fā)生的同時(shí)，也會(huì)釋放大量的凝結(jié)潛熱，潛熱釋放出來(lái)后，水蒸氣的溫度和壓力上升，過(guò)冷度下降，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)最終達(dá)到平衡后，液滴不再生長(zhǎng)，液滴半徑也就不會(huì)再發(fā)生增大，此時(shí)有最大的液滴半徑2.88×10-7m。

圖8為甲烷和水蒸氣混合物在中心軸向截面上的濕度分布圖。進(jìn)口混合物中的水蒸氣質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.06%，當(dāng)水蒸汽變?yōu)橐簯B(tài)水時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生濕度，濕度的大小直接反映了此裝置的性能好壞——能夠使多少水凝結(jié)出來(lái)。

在喉部之后產(chǎn)生濕度，且濕度隨著軸向距離不斷增大，濕度的變化情況取決于液滴的成核與生長(zhǎng)，這兩個(gè)過(guò)程的先后進(jìn)行使得不斷有水蒸氣凝結(jié)。由圖可以看出，濕度最終維持在0.057%，相比于進(jìn)口水蒸氣的水量分?jǐn)?shù)，絕大部分已經(jīng)凝結(jié)出來(lái)。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)天然氣管道輸送的實(shí)際工況，結(jié)合動(dòng)力學(xué)和自發(fā)凝結(jié)理論，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型前置式超聲速旋流脫水裝置，通過(guò)CFX的用戶自定義接口建立了可以真實(shí)描述含濕天然氣流動(dòng)的數(shù)值模型。

（2）對(duì)超聲速旋流分離器中噴管內(nèi)的甲烷-水蒸氣混合物進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了沿噴管軸向截面上的關(guān)鍵參數(shù)的分布。分析了馬赫數(shù)、過(guò)冷度、成核率及濕度變化規(guī)律，為今后裝置的工業(yè)應(yīng)用和進(jìn)一步提高分離效率提供了理論參考。

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