超聲速旋流分離器噴管設計方法的對比分析

超聲速旋流分離器噴管設計方法的對比分析

超聲速旋轉天然氣生產(chǎn)能力是一種基于傳統(tǒng)低溫分離技術分離效率低、投資和運營成本高、耐寒性差、耐用性高的新設備。它提出了一種新設備，可以加熱或添加防凍劑。天然氣在噴管內絕熱膨脹形成低溫低壓,使天然氣中的水分和重烴分離出來,為后面的旋流分離提供先行條件。所以,拉伐爾噴管設計的優(yōu)劣決定了超聲速旋流分離器分離效率的高低。設計合格的拉伐爾噴管可保證出口氣流均勻一致,達到超聲速,紊流度小,且流場中不存在激波。一、拉默爾噴管的超聲速決策拉伐爾噴管設計包括亞聲速收縮段、喉部和超聲速擴張段3個部分的型線設計。1.設計方法該方法收縮段按維托辛思基曲線設計,擴張段按富爾士法設計入。(1)積的比及收縮段曲線亞聲速收縮段的作用是使氣流加速,同時要保證收縮段的出口氣流均勻、平直而且穩(wěn)定。收縮段的性能取決于收縮段進口面積和出口面積的比值及收縮段曲線形狀。將收縮段設計成維托辛思基曲線,收斂段上任意截面半徑為:R=R21?[1?(R2/R1)2](1?x2/L12)2/[1+x2/(3√L1)2]3√R=R21-[1-(R2/R1)2](1-x2/L12)2/[1+x2/(3L1)2]3式中:R1、R2、R分別為收縮段進口、出口及任意x處的截面半徑,L1為收縮段長度(如圖1所示)。(2)喉嚨喉部是氣流從亞聲速轉變?yōu)槌曀俚倪^渡段,喉部直徑的選取受到氣流流量的限制。喉部曲線變化不能太快,這里選用了一段圓弧作為過渡曲線。(3)擴張段曲線及各節(jié)段分析擴張段曲線采用基于特征線法的富爾士法進行設計。超聲速擴張段曲線包括3段曲線(如圖2)。喉部過渡段、直線段和消波段,其中喉部過渡段和直線段是使氣流加速的,消波段是設法將膨脹波在壁面的反射消滅,以保證實現(xiàn)出口氣流均勻。2.噴管漸擴頂錐角該方法收縮段按維托辛思基曲線設計,擴張段按錐形管設計。亞聲速收縮段與方法Ⅰ中的設計相同。這里僅說明超聲速擴張段的設計。對于噴管擴張段,為簡化設計過程,取其形狀為錐形。由不同漸擴頂錐角的模擬對比發(fā)現(xiàn),當噴管漸擴頂錐角φ(如圖3所示)在8°~12°范圍內變化時,φ對流動特性影響不明顯,實際效果頗佳。當φ取10°時,其流動更接近等熵流。這里取頂錐角φ為10°。故有:L2=D2?Dcr2tan(φ/2)=D2?Dcr2tan5°L2=D2-Dcr2tan(φ/2)=D2-Dcr2tan5°3.噴管內部形狀該方法亞聲速收縮段和超聲速擴張段均按面積比公式設計。假定噴管每一截面上流動參數(shù)均勻,根據(jù)氣體動力學原理設計噴管內部形狀曲線,當Ma<1時,其曲線方程類似于橢圓形;當Ma>1時,其曲線方程類似于雙曲形。4.噴管型線的確定在超聲速旋流分離器入口壓力7MPa、流量11.767×104m3/d、溫度30℃工況下,流體介質為中原油田白26井天然氣組分,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種方法設計的噴管型線分別如圖4中a、b、c所示。5.噴管流場計算方法的確定超聲速旋流分離器內部流場十分復雜,CFD(計算流體力學)技術是研究開發(fā)超聲速旋流分離器的重要手段,FLUENT軟件是一大型的CFD模擬軟件,適于模擬亞聲速、跨聲速和超聲速流動的很大范圍內的復雜流場結構的可壓縮流動。計算中網(wǎng)格采用GAMBIT的六面體結構網(wǎng)格,解算器選用耦合顯式格式,湍流模型選用RNGk—ε模型,采用壓力邊界條件。按不同方法設計的噴管連上一段50mm的等徑管,進行數(shù)值模擬對比分析,確定噴管的最優(yōu)設計方法。由噴管馬赫數(shù)等值線(圖5)可以看出,噴管1(圖5-a)的出口氣流更均勻。超聲速氣流從噴管超聲速擴張段進入等徑管,通道面積縮小,氣流受到壓縮,產(chǎn)生壓縮波。噴管2(圖5-b)和噴管3(圖5-c)在噴管出口與等徑管之間的過渡曲線曲率半徑小于噴管1,所以噴管1產(chǎn)生的壓縮波為微弱壓縮波,對氣流的影響不大,出口氣流更均勻。因此,設計方法Ⅰ是超聲速旋流分離器噴管設計的最佳方案。二、流體靜溫和靜壓在分離器入口壓力4MPa、流量10×104m3/d、溫度30℃工況下,按照設計方法Ⅰ對噴管進行設計和數(shù)值模擬。如圖6~8所示,在整個拉伐爾噴管內部,馬赫數(shù)沿管道軸向呈增加趨勢,而流體靜溫及靜壓則是沿軸向降低的,在喉部處流體馬赫數(shù)達到聲速,出口截面處為超聲速流,并形成低溫低壓(-67.76℃,527924Pa),凝析出了大量的游離水和重烴液,為后面進入旋流場實現(xiàn)離心分離提供了條件。同時噴管出口氣流穩(wěn)定分布,無明顯激波系進入整流段中,有利于后面的整流分離。噴管出口凝析形成的液滴直徑介于1.0~1.5μm,液滴在超聲速旋流分離器中的滯留時間介于1~13ms,而水合物形成的時間一般為1000s甚至更長時間,因此極短的滯留時間不會形成水合物,亦不需添加防凍劑。三、氣流超聲速,出口均勻,無激波下無激波(1)亞聲速收縮段用維托辛思基曲線設計,超聲速擴張段按富爾士法設計,喉部型線按照光滑圓弧設計的噴管,氣流在擴張段達到超聲速,出口達到設計的馬赫數(shù)的要求,出