韓中合，趙豫晉，肖坤玉，張士兵

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

新型超音速旋流分離器流場(chǎng)分析與性能評(píng)估

韓中合，趙豫晉，肖坤玉，張士兵

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

為了解決實(shí)際開采過程中高壓天然氣的含水問題，結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)和流體熱力學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一套前置式超音速旋流脫水裝置，圍繞新裝置進(jìn)行了流場(chǎng)模擬和性能分析兩方面研究。首先根據(jù)幾何尺寸建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，并結(jié)合RNG k-ε湍流模型對(duì)超音速分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出了裝置軸心線上天然氣壓力、溫度、馬赫數(shù)等特性參數(shù)的分布規(guī)律，同時(shí)對(duì)不同截面上參數(shù)的徑向變化進(jìn)行了分析；最后根據(jù)露點(diǎn)降和分離效率評(píng)估了超音速旋流分離器的工作性能，結(jié)果表明：在噴管出口處馬赫數(shù)為1.51，膨脹最低溫度可達(dá)140K，切向旋流速度為160m/s，可以實(shí)現(xiàn)水蒸氣的充分凝結(jié)和分離；當(dāng)壓損比達(dá)到70%時(shí)，可以得到32℃的露點(diǎn)降，而且裝置對(duì)于變壓力、變溫度工況具有很好的適應(yīng)性，完全可以滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

前置式超音速分離器；天然氣流場(chǎng)；數(shù)值模擬；激波；離心分離；性能研究

井口直接開采出來的天然氣中含有大量水和重組分，這些物質(zhì)在輸送過程中易發(fā)生凝結(jié)，不僅會(huì)堵塞管道，降低整個(gè)管路的有效輸送能力，而且天然氣中的CO2和H2S溶于游離水會(huì)形成酸，對(duì)設(shè)備造成腐蝕。近年來，在傳統(tǒng)脫水技術(shù)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了一種更加經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)——超音速旋流脫水技術(shù)［1-4］。該技術(shù)利用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理，把氣體高速膨脹冷凝與旋流分離相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了水蒸氣與重組分從天然氣中的分離，具有效率高、工藝簡(jiǎn)化、長(zhǎng)期可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［5-9］。

鑒于此，超音速旋流脫水技術(shù)得到了全世界的重視，荷蘭埃因霍恩科大學(xué)［10］最先對(duì)超音速分離技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬計(jì)算，為Twister的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。俄羅斯天然氣研究院提出了超音速分離管的改進(jìn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。JASSIM 等［11］使用精確的實(shí)際氣體狀態(tài)方程，利用CFD模型計(jì)算分析了高壓天然氣激波位置的變化規(guī)律。

但是國(guó)內(nèi)對(duì)于超音速旋流分離裝置的報(bào)道僅限于商業(yè)新聞層面，關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)也大多依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏完整的理論計(jì)算方法，由于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不確定性導(dǎo)致所設(shè)計(jì)出來的脫水裝置的效率達(dá)不到理想效果［12-15］，因而需要在已知理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)。了解超音速分離裝置內(nèi)部詳細(xì)的流場(chǎng)變化則是整個(gè)優(yōu)化過程的基礎(chǔ)。本文參照國(guó)外成熟的分離器結(jié)構(gòu)，把旋流分離器放在入口段，避免了原有后置式的激波產(chǎn)生問題，同時(shí)對(duì)其他部件重新進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一套滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高壓條件下的新型前置式超音速旋流分離器結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上建立了三維數(shù)值模型，得到了分離器內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律。最后通過露點(diǎn)降和分離效率分析了超音速旋流分離器的工作性能，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)裝置的實(shí)用性。

1　工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前置式超音速旋流脫水裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（圖1），主要由旋流發(fā)生器、Laval噴管、擴(kuò)壓器等部件組成。旋流器位于裝置入口，高壓含濕氣流經(jīng)過旋流器后，受離心力的作用，將以一定的切向速度進(jìn)入Laval噴管，在噴管中氣體軸向高速膨脹與切向旋流同時(shí)進(jìn)行；天然氣中的水蒸氣和重組分在所形成的低溫低壓環(huán)境下凝析出來，并被甩向裝置壁面，最終由液相出口排出；脫掉水分的干氣之后流經(jīng)擴(kuò)壓器，壓力和溫度得到一定回升，整個(gè)分離過程結(jié)束。相比于后置式旋流分離器，前置式旋流分離器不會(huì)因高速氣流與分離器葉片的碰撞而產(chǎn)生激波損失，有效地避免了旋流激波對(duì)低溫低壓環(huán)境的破壞，與此同時(shí)，氣體冷凝和氣液分離都集中在 Laval漸擴(kuò)噴管中，由此優(yōu)化了裝置的整體結(jié)構(gòu)。

圖1　前置式超音速旋流分離器

按照現(xiàn)場(chǎng)壓力 0.6MPa、溫度 300K、開采量20×104m3/d的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用基于BWRS實(shí)際氣體狀態(tài)方程計(jì)算喉部尺寸，維托辛斯基曲線法設(shè)計(jì)Laval噴管的漸縮段，特征線解析法設(shè)計(jì)超音速旋流分離器的擴(kuò)壓段；考慮對(duì)氣液分離的有利性和實(shí)際加工的方便性，選擇可以減小液滴沉降距離的圓環(huán)結(jié)構(gòu)作為分離腔；為了使裝置具有較大流通能力，旋流器前無激波發(fā)生，經(jīng)過葉片后能形成較大的離心力，最終確定旋流器上選用12個(gè)扭曲角為30°的E186型葉片，葉片安裝角為40°。所設(shè)計(jì)裝置的幾何尺寸為：入口旋流段60mm，Laval噴管段150mm，穩(wěn)流直管段110mm，擴(kuò)壓段80mm，出口直管段100nm，入口直徑36mm，喉部直徑9mm，噴管出口直徑12mm。

2　流場(chǎng)分析

2.1 控制方程組與計(jì)算模型

天然氣在超音速旋流分離裝置內(nèi)的流動(dòng)遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，除此之外，由于內(nèi)部流動(dòng)涉及高速旋流膨脹，選擇能夠準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜流場(chǎng)的湍流模型顯得非常重要。通過分析對(duì)比現(xiàn)有的湍流模型，綜合考慮計(jì)算精度和迭代速度，本文選擇了適用于高雷諾數(shù)湍流場(chǎng)的RNG k-ε模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)所設(shè)計(jì)超音速旋流脫水裝置的結(jié)構(gòu)，使用前處理軟件Gambit建立實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于裝置整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以先采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行整體劃分，在此基礎(chǔ)上對(duì)一些旋流強(qiáng)度大的地方進(jìn)行局部加密，最終得到整個(gè)模型的單元數(shù)為244萬。

2.3 計(jì)算方法與邊界條件

在模擬過程中，可以認(rèn)為裝置內(nèi)壁是沒有滑移和滲流的絕熱壁面，并取操作壓力為 0Pa，以可壓縮天然氣為工作介質(zhì)，基于密度進(jìn)行求解，在求解過程中壓力差值選擇SIMPLE算法，為了確保計(jì)算精度，能量、動(dòng)量和密度選項(xiàng)采用二階迎風(fēng)有限體積離散格式；邊界條件采用壓力進(jìn)口（0.6MPa，300K）和壓力出口（0.25MPa，250K），并且指定湍流強(qiáng)度（0.05）和黏性比（10），為了避免發(fā)散，適當(dāng)降低各方程的亞松弛因子。

2.4 模型驗(yàn)證

采用Boerner關(guān)于超音速噴管中旋流強(qiáng)度S和質(zhì)量流量比率 M的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中所采用的介質(zhì)為可壓縮空氣，噴管的幾何數(shù)據(jù)以及進(jìn)出口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自文獻(xiàn)［15］。

圖 2表明模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相對(duì)應(yīng)，可見所提出的模型能夠較準(zhǔn)確地描述天然氣在超音速分離裝置內(nèi)的流動(dòng)，因此可以被用來開展系統(tǒng)研究。

2.5 模擬結(jié)果與流場(chǎng)分析

對(duì)于超音速旋流脫水裝置的內(nèi)部流場(chǎng)，研究其中心軸線上的參數(shù)變化，能夠直觀準(zhǔn)確地反映整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)是否符合要求。

由圖3中天然氣壓力沿中心軸線的變化曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，在超音速旋流脫水裝置的入口段，天然氣壓力保持平穩(wěn)，之后經(jīng)過旋流器，產(chǎn)生切向速度，壓力同樣基本保持不變；繼而進(jìn)入到Laval噴管，壓力能不斷變成氣流動(dòng)能，壓力隨著軸向距離的增大而不斷減小，在噴管漸縮段壓力下降尤為明顯，并在噴管漸擴(kuò)段出口 x=0.21m處達(dá)到壓力最低值0.05MPa；仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在旋流分離器的排液口后，壓力會(huì)發(fā)生一個(gè)突然升高，這是因?yàn)樵诖颂幇l(fā)生了激波；最后在擴(kuò)壓器的作用下，壓力得到一定的回升。

圖2　模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖

圖3　天然氣壓力沿中心軸線的變化曲線

圖4是天然氣溫度沿中心軸線的變化曲線圖。由圖4可見，在旋流器之前的階段，溫度基本上不發(fā)生變化，隨著氣流不斷沿軸向運(yùn)動(dòng)，溫度在Laval噴管收縮段大幅降低，并在漸擴(kuò)段出口達(dá)到最低值，最低溫度為 140K，至此裝置中的低溫低壓環(huán)境形成，為天然氣中所含水蒸氣的凝結(jié)提供了所有條件；排液口之后發(fā)生激波，溫度會(huì)陡然升高，使得未分離出去的微量小液滴蒸發(fā)為水蒸氣，和天然氣干氣一并進(jìn)入擴(kuò)壓器，溫度進(jìn)一步得到回升。

圖 5是天然氣馬赫數(shù)沿中心軸線的分布曲線圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，氣流緩慢平穩(wěn)地經(jīng)過旋流分離器，接著進(jìn)入到Laval噴管中加速膨脹，在收縮段馬赫數(shù)變化尤為明顯，漸擴(kuò)段馬赫數(shù)會(huì)發(fā)生輕微波動(dòng)，這是由于在漸擴(kuò)段形成的低溫低壓環(huán)境會(huì)影響天然氣流的膨脹過程，造成流動(dòng)不穩(wěn)定所致，最終在超音速噴管出口處，達(dá)到最大馬赫數(shù)1.51；但是在排液口之后馬赫數(shù)會(huì)有一個(gè)突然降低，這是因?yàn)榘l(fā)生了激波，使得一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了其他能量形式，超音速氣流在裝置內(nèi)部停留時(shí)間非常短，只有幾毫秒，水合物還來不及形成就會(huì)流動(dòng)到下一個(gè)地方，從而從根本上杜絕了水合物的形成。

圖4　天然氣溫度沿中心軸線的變化曲線

圖5　天然氣馬赫數(shù)沿中心軸線的變化曲線

單單了解裝置中心軸線上的參數(shù)變化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，裝置能否成功地把水分離出來，不同截面上的參數(shù)變化同樣重要，在此特地取6個(gè)有代表性的截面進(jìn)行分析。這些截面分別是：噴管喉部截面a，距離入口150mm處的漸擴(kuò)段截面b，排液口出截面c，直管段中心位置截面d，距離入口360mm處的擴(kuò)壓器截面e和脫水裝置的出口截面f。

由圖6和圖7可見，天然氣在不同截面上和同一截面上不同徑向距離的參數(shù)變化都是很大的。在壓力變化圖中，a、b曲線沿徑向壓力梯度變化比較大，這是因?yàn)樵趪姽苤胁粌H有切向旋流，還同時(shí)進(jìn)行著軸向膨脹，造成了整個(gè)流動(dòng)的不穩(wěn)定，在氣液分離口處，液體分離引起了天然氣的流量變化，使得曲線c產(chǎn)生了一定的壓力波動(dòng)；對(duì)于其他曲線，這時(shí)候天然氣已經(jīng)完成了脫水，氣流進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的恢復(fù)階段，所以徑向上的壓力變化就變得非常小了，此時(shí)曲線較為平穩(wěn)。在溫度變化圖中，a、b曲線中心溫度低于管壁側(cè)溫度，因?yàn)樵趪姽芏螝饬鞯耐膭?dòng)非常劇烈，流動(dòng)極不穩(wěn)定，與裝置壁面產(chǎn)生了摩擦，導(dǎo)致壁面附近溫度比中心高，在氣液分離口后，激波的產(chǎn)生也使曲線c有了和a、b同樣的趨勢(shì)；除此之外的其他截面，通過觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是這些地方的中心位置溫度比靠近裝置壁面附近的溫度要高；二是這些溫度變化具有分層現(xiàn)象。這兩點(diǎn)是非常想看到的，天然氣中的水蒸氣在低溫低壓用下凝結(jié)成為小液滴，又在旋流離心力的作用下被甩向壁面，壁面附近的溫度比中心溫度低，保證了液滴不會(huì)因?yàn)槟Σ粱蛘呒げㄒ鸬臏囟壬叨俅握舭l(fā)。

不同截面處馬赫數(shù)徑向變化反映了裝置內(nèi)部天然氣速度的變化情況，這對(duì)于以后提高分離效率的研究意義重大。由圖8可見，噴管喉部截面馬赫數(shù)徑向變化較小，喉部馬赫數(shù)的穩(wěn)定對(duì)天然氣整體流動(dòng)的穩(wěn)定性非常有利；擴(kuò)壓器截面e馬赫數(shù)變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，這是由于擴(kuò)壓器可以恢復(fù)脫水后干氣的壓力，起到了穩(wěn)定緩沖作用的緣故；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，從裝置壁面到中心軸線，馬赫數(shù)有先增大再減小的一個(gè)趨勢(shì)。

圖6　天然氣壓力在不同截面上的徑向變化曲線

圖7　天然氣溫度在不同截面上的徑向變化曲線

圖8　天然氣馬赫數(shù)在不同截面上的徑向變化曲線

通過模擬，發(fā)現(xiàn)旋流發(fā)生器能夠產(chǎn)生 160m/s的切向速度，這就保證了旋流產(chǎn)生的離心力可以把凝結(jié)出來的小液滴順利甩向壁面。

3　性能評(píng)估

在實(shí)際工程上，天然氣脫水裝置性能的好壞是通過露點(diǎn)降這一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的，但是由于超音速脫水方法是犧牲了一部分壓力來完成的，所以需要考慮壓降的影響，小的壓力損失，高的露點(diǎn)降，這就是好的天然氣旋流脫水裝置。兩個(gè)參數(shù)定義如式（1）、式（2）。

式中，pe為環(huán)境壓力，取0.1MPa；p0為超音速分離器的入口壓力，MPa；pd為干氣出口壓力，MPa；Tin為分離器入口氣體露點(diǎn)，K；Tout為干氣出口露點(diǎn)，K。

圖9為入口壓力分別為0.4MPa、0.5MPa、0.6 MPa和0.7MPa條件下的露點(diǎn)降跟隨壓力損失比變化的情況，橫向比較可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定進(jìn)口壓力，露點(diǎn)降隨著壓力損失比的增大而增大，露點(diǎn)降低的速度也隨之越來越快，這是因?yàn)閾p失的壓力越大，創(chuàng)造的環(huán)境溫度就越低，越有利于天然氣中水分的凝結(jié)與分離；縱向比較可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定的壓力損失比，入口壓力的增大會(huì)獲得更高的露點(diǎn)降，而且在壓力損失比相同的增量條件下，進(jìn)口壓力越高，天然氣的露點(diǎn)降越大。在入口壓力為0.6MPa、壓力損失比達(dá)到70%時(shí)，有最大的露點(diǎn)降32℃，更大的壓力降在工程上不允許發(fā)生，因?yàn)檫^大的壓降犧牲了天然氣管道運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力，造成了很大的能量浪費(fèi)。

圖 10為超音速旋流脫水裝置溫度進(jìn)口分別為310K、300K、290K、280K條件下的露點(diǎn)降跟隨壓力損失比變化的情況，橫向比較與之前相同，想要獲得大的露點(diǎn)降，需要更多的壓力損失來提供；當(dāng)然出口壓力不能無限制的低，這樣不符合實(shí)際工業(yè)要求；入口溫度對(duì)于露點(diǎn)降的影響不大，尤其是在低壓損范圍內(nèi)，通過對(duì)比分析，選擇300K作為一般的入口溫度時(shí)，是一種最優(yōu)選擇，在相同壓力損失的時(shí)候能獲得最大的露點(diǎn)降。

圖10　不同入口溫度條件下露點(diǎn)降跟隨壓損比變化曲線

圖11　不同壓損下的分離效率跟隨液滴直徑變化曲線

分離效率是指經(jīng)過超音速旋流脫水裝置冷凝分離出來的液態(tài)水的量占裝置入口混合工質(zhì)中水蒸氣質(zhì)量的百分比，它只與分離器的性能有關(guān)，定義脫液效率為式（3）。

式中，m1為進(jìn)入分離器中水蒸氣的質(zhì)量流量，kg/s；m2為分離器液相出口捕捉到的水的質(zhì)量流量，kg/s。

從圖11中的對(duì)比關(guān)系可以看出，液滴直徑對(duì)超音速分離裝置的分離效率有直接影響，分離效率隨著液滴直徑的增大而增大，原因是在其他條件相同的時(shí)候，直徑大的液滴受到的離心力大，容易被甩到壁面上，進(jìn)而被捕捉。同時(shí)，壓損比增大，分離效率呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，在入口壓力為0.6MPa、壓損比為70%時(shí)，脫液效率可以達(dá)到97.3%，可見超音速分離裝置具有很好的脫水效果。

4　結(jié)　論

（1）結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際過程中天然氣脫水的處理要求，借鑒國(guó)外成熟的分離器結(jié)構(gòu)，獨(dú)立設(shè)計(jì)出一套新型前置式超音速旋流脫水裝置。在此基礎(chǔ)上建立了三維數(shù)值模型，通過數(shù)值計(jì)算，準(zhǔn)確分析了內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)分布情況，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的裝置能夠提供水蒸氣凝結(jié)所需的低溫低壓環(huán)境和液滴旋流分離所需的足夠動(dòng)力。

（2）通過分離器的性能研究，發(fā)現(xiàn)在入口壓力為0.6MPa、溫度為300K、壓損比為70%時(shí)，可獲得最大露點(diǎn)降為32℃。改變進(jìn)出口壓力和溫度，裝置同樣能夠獲得較為理想的露點(diǎn)降，由此可知所設(shè)計(jì)的超音速旋流分流裝置對(duì)于壓力、溫度變化具有很好的適應(yīng)性。

（3）模擬與性能評(píng)估結(jié)果顯示新型超音速旋流脫水裝置雖然能夠完成脫水，但是還有一部分液滴分離不完全，對(duì)此可以考慮優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)來提高脫液效率，這將是下一步工作的重點(diǎn)。

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Flow field analysis and performance evaluation on new supersonic swirling separator

HAN Zhonghe，ZHAO Yujin，XIAO Kunyu，ZHANG Shibing
（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

To solve the problem of the high-pressure natural gas containing water vapor in real oil production，a type of front-placed supersonic dehydration device was designed according to gas field condition and gas well drilling technology parameters.Both numerical simulation and performance study were carried out for the new device.Based on the physical dimension，a three-dimensional CFD model was established，and the RNG k-ε turbulence model was selected to simulate the internal flow field of the supersonic separator.The separation parameters such as pressure，temperature，velocity and Mach number along the axis inside the supersonic separator were investigated.The flow characteristics along the radial direction in different sections were also discussed.In addition，the performance of the device was also carried out to validate the numerical model.The results showed that the Mach number could reach 1.51 at a low temperature of 140K and the tangential velocity was 160m/s，which can realize fully water vapor condensation and separation.When pressure loss ratio was 70%，the dehydration of dry gas could be up to 32℃.At the same time，the new device accommodating to variable pressures and temperatures completely meets the requirements of actual production.

front-placed supersonic separator；natural gas flow field；numerical simulation；shock-wave；centrifugation；performance evaluation

TQ 051

A

1000-6613（2016）09-2715-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.012

2016-01-25；修改稿日期：2016-02-17。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51306059）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金（2015MS107）。

及聯(lián)系人：韓中合（1964—），男，教授，博士，研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷及兩相流計(jì)算測(cè)量。E-mail han_zhonghe@163.com。