劉慶越 朱映 鐘小俠 鄭路

摘 要：天然氣超音速分離器具是天然氣脫水脫烴技術(shù)的重大突破。本文從天然氣混合物物性的精確描述，到超音速流動(dòng)過(guò)程和凝結(jié)過(guò)程進(jìn)行理論綜合，發(fā)展綜合考慮物料守恒和動(dòng)量能量守恒及含汽液相變的天然氣超音速分離器設(shè)計(jì)方法。采用Martin-Hou狀態(tài)方程及余函數(shù)法計(jì)算天然氣亞音速、超音速狀態(tài)參數(shù)，基于熱力學(xué)定律構(gòu)建拉法爾噴管熱力學(xué)、流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，發(fā)展凝結(jié)理論，基于溫度、壓力等參數(shù)預(yù)測(cè)水蒸氣凝結(jié)特性及分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：天然氣脫水;超音速分離器;拉法爾噴管;脫烴

0 前言

天然氣作為一種清潔高效的能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的改善和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮重要的作用。天然氣中含有水分將降低輸氣量，增加動(dòng)力消耗，同時(shí)會(huì)引起管線(xiàn)和設(shè)備的酸性腐蝕，最嚴(yán)重的會(huì)還導(dǎo)致生成水合物，使管線(xiàn)和設(shè)備堵塞。因此需要對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理。近些年來(lái)發(fā)展的超音速分離器具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能、環(huán)保、運(yùn)轉(zhuǎn)安全性和可靠性高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是天然氣脫水脫烴技術(shù)的重大突破[1-2]。

在天然氣超音速分離器中，天然氣混合氣體在自身壓力的作用下膨脹加速至超音速，此時(shí)氣體的溫度及壓力急劇下降，從而使天然氣中的水蒸氣冷凝成無(wú)數(shù)細(xì)小的液滴，然后在超音速產(chǎn)生的強(qiáng)氣流旋轉(zhuǎn)作用下，將小液滴甩至壁面并分離，對(duì)于氣體則進(jìn)行再壓縮回收壓力。該技術(shù)最早由Stork Product Engineering公司在1989年提出，主要用于空調(diào)制冷。2000年，荷蘭Twister公司推出的一種全新的天然氣處理技術(shù)。2004年，Twister公司完成第一個(gè)正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的海上超音速分離管天然氣處理工程項(xiàng)目[3-6]。天然氣超音速分離器之所以能夠簡(jiǎn)單高效運(yùn)行，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照實(shí)際工況參數(shù)和天然氣的物性進(jìn)行量身設(shè)計(jì)，這其中涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、相變傳熱、核化等多學(xué)科多問(wèn)題交叉，這對(duì)天然器超音速分離器的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。

本文采用Martin-Hou狀態(tài)方程[7]及余函數(shù)法計(jì)算天然氣亞音速、超音速狀態(tài)參數(shù)，基于熱力學(xué)定律構(gòu)建拉法爾噴管熱力學(xué)、流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，發(fā)展凝結(jié)理論，基于溫度、壓力等參數(shù)預(yù)測(cè)水蒸氣凝結(jié)特性及分布規(guī)律。通過(guò)本文研究，從理論層面揭示超音速分離基本物理過(guò)程及流動(dòng)、冷凝特性，為天然氣超音速分離器的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 天然氣混合物物性計(jì)算

天然氣的PVT飽和性質(zhì)及焓熵等物性參數(shù)是進(jìn)行噴管設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，因此需要精確的狀態(tài)方程和混合模型來(lái)計(jì)算。本文采用Martin-Hou狀態(tài)方程[7]描述天然氣的飽和物性參數(shù)，同時(shí)采用余函數(shù)混合規(guī)則計(jì)算混合物的焓熵。Martin-Hou狀態(tài)方程在含水和烴類(lèi)氣體混合物的物性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到驗(yàn)證。

M-H方程形式為：

（1）

式中：

K=5.475，有A2，A3，A4，A5，B2，B3，B5，b，C2，C 3，C 5共11個(gè)待定常數(shù)。

具體取值為：

（2）

余焓方程為：

（3）

hr為余焓，， 分別為相同壓力、溫度下理想氣體與實(shí)際氣體的焓值。有了余焓方程，實(shí)際氣體的焓值可以通過(guò)理想氣體的焓值加余焓值得到。

根據(jù)上述方法，假設(shè)入口天然氣含量如表1所示，計(jì)算得到該天然氣的PVT飽和性質(zhì)，見(jiàn)圖1，和壓焓圖，見(jiàn)圖2。

2 天然氣超音速流動(dòng)和水核化凝結(jié)模型

天然氣在超音速?lài)姽苤械牧鲃?dòng)過(guò)程指數(shù)隨壓力、溫度變化，采用多變過(guò)程描述其流動(dòng)過(guò)程。

（4）

式中n，m為過(guò)程指數(shù)。

天然氣中飽和水凝結(jié)過(guò)程可以分為成核和液滴生長(zhǎng)兩個(gè)階段。根據(jù)經(jīng)典核化理論，液滴核化階段由臨界半徑和成核率兩個(gè)重要參數(shù)來(lái)表征：

（5）

液滴生長(zhǎng)模型為：

（6）

根據(jù)質(zhì)量及動(dòng)量守恒，進(jìn)行噴管流動(dòng)過(guò)程的計(jì)算，計(jì)算流程如圖3所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 流動(dòng)特性

假設(shè)入口壓力為6.7MPa，天然氣處理量為40×104Nm3 d-1，入口油管內(nèi)徑60mm。根據(jù)上述方法，可計(jì)算得到理想狀態(tài)下的超音速?lài)姽艿男螤钊鐖D4所示。3S本體入口直徑48mm，喉部直徑12.5mm，出口直徑為15.9mm。

圖5和圖6分別給出超音速?lài)姽艿臏囟葔毫退俣确植?。天然氣進(jìn)入噴管后，隨著流速的增大，溫度和壓力急劇降低，在喉部時(shí)速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，Ma=1，此時(shí)溫度降為-58K，壓力為3.44MPa，約為入口壓力的一半。在擴(kuò)張段，由于速度進(jìn)一步增大，所以溫度和壓力進(jìn)一步降低，在出口處溫度為-45℃，出口壓力為2.5MPa，進(jìn)出口壓力降為4.2MPa，出口Ma為1.18。

與傳統(tǒng)超音速?lài)姽茉O(shè)計(jì)計(jì)算方法相比，本文基于更真實(shí)的物性參數(shù)的迭代計(jì)算，確定沿流動(dòng)方向的噴管形狀變化，使設(shè)計(jì)計(jì)算更為精確。

3.2 冷凝特性

圖7顯示液滴成核率和液滴直徑分布規(guī)律，液滴只存在于喉部偏后位置，氣流中大量凝結(jié)核在該點(diǎn)急劇凝結(jié)出來(lái)，隨著凝結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，由于潛熱的釋放，流動(dòng)趨于熱力平衡，不再凝結(jié)。而液滴直徑在漸縮段很小，約為0.1μm，經(jīng)過(guò)喉部區(qū)域后，迅速增大，在出口處達(dá)到1μm。

4 結(jié)論

本文采用Martin-Hou狀態(tài)方程及余函數(shù)法計(jì)算天然氣亞音速、超音速狀態(tài)參數(shù)，基于熱力學(xué)定律構(gòu)建拉法爾噴管熱力學(xué)、流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，發(fā)展凝結(jié)理論，基于溫度、壓力等參數(shù)預(yù)測(cè)水蒸氣凝結(jié)特性及分布規(guī)律。主要結(jié)論如下：①發(fā)展了精確預(yù)測(cè)天然氣混合物物性的計(jì)算方法，通過(guò)物料守恒和狀態(tài)參數(shù)的變化確定天然氣超音速?lài)姽艿脑O(shè)計(jì)方法;②天然氣進(jìn)入噴管后，隨著流速的增大，溫度和壓力急劇降低，在喉部時(shí)速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，可達(dá)到-58 ℃的溫度降， 壓力約為入口壓力的一半。喉部之后處于超音速，溫度和壓力進(jìn)一步降低;③液滴只存在于喉部偏后位置，氣流中大量凝結(jié)核在該點(diǎn)急劇凝結(jié)出來(lái)，隨著凝結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，由于潛熱的釋放，流動(dòng)趨于熱力平衡，不再凝結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

劉慶越（1987- ）男，天津塘沽人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：海洋工程工藝。

基金項(xiàng)目：“十三五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“渤海油田高效開(kāi)發(fā)示范工程”（編號(hào)：2016ZX05058004-007）