新型超音速旋流分離器流場分析與性能評估

韓中合，趙豫晉，肖坤玉，張士兵

（華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

新型超音速旋流分離器流場分析與性能評估

韓中合，趙豫晉，肖坤玉，張士兵

（華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

為了解決實際開采過程中高壓天然氣的含水問題，結合氣體動力學和流體熱力學原理，設計了一套前置式超音速旋流脫水裝置，圍繞新裝置進行了流場模擬和性能分析兩方面研究。首先根據幾何尺寸建立了三維數值計算模型，并結合RNG k-ε湍流模型對超音速分離器內部流場進行了模擬，得出了裝置軸心線上天然氣壓力、溫度、馬赫數等特性參數的分布規律，同時對不同截面上參數的徑向變化進行了分析；最后根據露點降和分離效率評估了超音速旋流分離器的工作性能，結果表明：在噴管出口處馬赫數為1.51，膨脹最低溫度可達140K，切向旋流速度為160m/s，可以實現水蒸氣的充分凝結和分離；當壓損比達到70%時，可以得到32℃的露點降，而且裝置對于變壓力、變溫度工況具有很好的適應性，完全可以滿足生產實際要求。

前置式超音速分離器；天然氣流場；數值模擬；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，這些物質在輸送過程中易發生凝結，不僅會堵塞管道，降低整個管路的有效輸送能力，而且天然氣中的CO2和H2S溶于游離水會形成酸，對設備造成腐蝕。近年來，在傳統脫水技術的基礎上，產生了一種更加經濟可靠的技術——超音速旋流脫水技術［1-4］。該技術利用動力學和熱力學原理，把氣體高速膨脹冷凝與旋流分離相結合，從而實現了水蒸氣與重組分從天然氣中的分離，具有效率高、工藝簡化、長期可靠、綠色環保等優點［5-9］。

鑒于此，超音速旋流脫水技術得到了全世界的重視，荷蘭埃因霍恩科大學［10］最先對超音速分離技術進行了基礎理論研究和數值模擬計算，為Twister的研發奠定了基礎。俄羅斯天然氣研究院提出了超音速分離管的改進方案，并通過實驗進行了驗證。JASSIM 等［11］使用精確的實際氣體狀態方程，利用CFD模型計算分析了高壓天然氣激波位置的變化規律。

但是國內對于超音速旋流分離裝置的報道僅限于商業新聞層面，關鍵部件的設計也大多依賴于經驗，缺乏完整的理論計算方法，由于經驗設計的不確定性導致所設計出來的脫水裝置的效率達不到理想效果［12-15］，因而需要在已知理論分析的基礎上進一步改進結構。了解超音速分離裝置內部詳細的流場變化則是整個優化過程的基礎。本文參照國外成熟的分離器結構，把旋流分離器放在入口段，避免了原有后置式的激波產生問題，同時對其他部件重新進行相應的優化設計，提出了一套滿足生產現場高壓條件下的新型前置式超音速旋流分離器結構。在此基礎上建立了三維數值模型，得到了分離器內部流場參數的變化規律。最后通過露點降和分離效率分析了超音速旋流分離器的工作性能，驗證了所設計裝置的實用性。

1　工作原理與結構設計

前置式超音速旋流脫水裝置的結構簡單（圖1），主要由旋流發生器、Laval噴管、擴壓器等部件組成。旋流器位于裝置入口，高壓含濕氣流經過旋流器后，受離心力的作用，將以一定的切向速度進入Laval噴管，在噴管中氣體軸向高速膨脹與切向旋流同時進行；天然氣中的水蒸氣和重組分在所形成的低溫低壓環境下凝析出來，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擴壓器，壓力和溫度得到一定回升，整個分離過程結束。相比于后置式旋流分離器，前置式旋流分離器不會因高速氣流與分離器葉片的碰撞而產生激波損失，有效地避免了旋流激波對低溫低壓環境的破壞，與此同時，氣體冷凝和氣液分離都集中在 Laval漸擴噴管中，由此優化了裝置的整體結構。

圖1　前置式超音速旋流分離器

按照現場壓力 0.6MPa、溫度 300K、開采量20×104m3/d的工況進行設計，采用基于BWRS實際氣體狀態方程計算喉部尺寸，維托辛斯基曲線法設計Laval噴管的漸縮段，特征線解析法設計超音速旋流分離器的擴壓段；考慮對氣液分離的有利性和實際加工的方便性，選擇可以減小液滴沉降距離的圓環結構作為分離腔；為了使裝置具有較大流通能力，旋流器前無激波發生，經過葉片后能形成較大的離心力，最終確定旋流器上選用12個扭曲角為30°的E186型葉片，葉片安裝角為40°。所設計裝置的幾何尺寸為：入口旋流段60mm，Laval噴管段150mm，穩流直管段110mm，擴壓段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　流場分析

2.1 控制方程組與計算模型

天然氣在超音速旋流分離裝置內的流動遵循連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，除此之外，由于內部流動涉及高速旋流膨脹，選擇能夠準確描述這種復雜流場的湍流模型顯得非常重要。通過分析對比現有的湍流模型，綜合考慮計算精度和迭代速度，本文選擇了適用于高雷諾數湍流場的RNG k-ε模型。

2.2 網格劃分

根據所設計超音速旋流脫水裝置的結構，使用前處理軟件Gambit建立實體模型并進行網格劃分。由于裝置整體結構比較復雜，所以先采用非結構四面體網格進行整體劃分，在此基礎上對一些旋流強度大的地方進行局部加密，最終得到整個模型的單元數為244萬。

2.3 計算方法與邊界條件

在模擬過程中，可以認為裝置內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，基于密度進行求解，在求解過程中壓力差值選擇SIMPLE算法，為了確保計算精度，能量、動量和密度選項采用二階迎風有限體積離散格式；邊界條件采用壓力進口（0.6MPa，300K）和壓力出口（0.25MPa，250K），并且指定湍流強度（0.05）和黏性比（10），為了避免發散，適當降低各方程的亞松弛因子。

2.4 模型驗證

采用Boerner關于超音速噴管中旋流強度S和質量流量比率 M的實驗測量數據對所建模型進行驗證，實驗中所采用的介質為可壓縮空氣，噴管的幾何數據以及進出口實驗數據均取自文獻［15］。

圖 2表明模擬計算結果與實驗結果基本相對應，可見所提出的模型能夠較準確地描述天然氣在超音速分離裝置內的流動，因此可以被用來開展系統研究。

2.5 模擬結果與流場分析

對于超音速旋流脫水裝置的內部流場，研究其中心軸線上的參數變化，能夠直觀準確地反映整個裝置的設計是否符合要求。

由圖3中天然氣壓力沿中心軸線的變化曲線圖可以發現，在超音速旋流脫水裝置的入口段，天然氣壓力保持平穩，之后經過旋流器，產生切向速度，壓力同樣基本保持不變；繼而進入到Laval噴管，壓力能不斷變成氣流動能，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，并在噴管漸擴段出口 x=0.21m處達到壓力最低值0.05MPa；仔細觀察可以發現，在旋流分離器的排液口后，壓力會發生一個突然升高，這是因為在此處發生了激波；最后在擴壓器的作用下，壓力得到一定的回升。

圖2　模擬結果與實驗結果比較圖

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，溫度基本上不發生變化，隨著氣流不斷沿軸向運動，溫度在Laval噴管收縮段大幅降低，并在漸擴段出口達到最低值，最低溫度為 140K，至此裝置中的低溫低壓環境形成，為天然氣中所含水蒸氣的凝結提供了所有條件；排液口之后發生激波，溫度會陡然升高，使得未分離出去的微量小液滴蒸發為水蒸氣，和天然氣干氣一并進入擴壓器，溫度進一步得到回升。

圖 5是天然氣馬赫數沿中心軸線的分布曲線圖。從圖5中可以發現，氣流緩慢平穩地經過旋流分離器，接著進入到Laval噴管中加速膨脹，在收縮段馬赫數變化尤為明顯，漸擴段馬赫數會發生輕微波動，這是由于在漸擴段形成的低溫低壓環境會影響天然氣流的膨脹過程，造成流動不穩定所致，最終在超音速噴管出口處，達到最大馬赫數1.51；但是在排液口之后馬赫數會有一個突然降低，這是因為發生了激波，使得一部分動能轉化成了其他能量形式，超音速氣流在裝置內部停留時間非常短，只有幾毫秒，水合物還來不及形成就會流動到下一個地方，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　天然氣馬赫數沿中心軸線的變化曲線

單單了解裝置中心軸線上的參數變化是遠遠不夠的，裝置能否成功地把水分離出來，不同截面上的參數變化同樣重要，在此特地取6個有代表性的截面進行分析。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，這是因為在噴管中不僅有切向旋流，還同時進行著軸向膨脹，造成了整個流動的不穩定，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產生了一定的壓力波動；對于其他曲線，這時候天然氣已經完成了脫水，氣流進入一個穩定的恢復階段，所以徑向上的壓力變化就變得非常小了，此時曲線較為平穩。在溫度變化圖中，a、b曲線中心溫度低于管壁側溫度，因為在噴管段氣流的湍動非常劇烈，流動極不穩定，與裝置壁面產生了摩擦，導致壁面附近溫度比中心高，在氣液分離口后，激波的產生也使曲線c有了和a、b同樣的趨勢；除此之外的其他截面，通過觀察圖7可以發現，有兩個明顯的特點：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象。這兩點是非常想看到的，天然氣中的水蒸氣在低溫低壓用下凝結成為小液滴，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，保證了液滴不會因為摩擦或者激波引起的溫度升高而再次蒸發。

不同截面處馬赫數徑向變化反映了裝置內部天然氣速度的變化情況，這對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徑向變化較小，喉部馬赫數的穩定對天然氣整體流動的穩定性非常有利；擴壓器截面e馬赫數變化趨勢較為平穩，這是由于擴壓器可以恢復脫水后干氣的壓力，起到了穩定緩沖作用的緣故；同時可以發現，從裝置壁面到中心軸線，馬赫數有先增大再減小的一個趨勢。

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　天然氣馬赫數在不同截面上的徑向變化曲線

通過模擬，發現旋流發生器能夠產生 160m/s的切向速度，這就保證了旋流產生的離心力可以把凝結出來的小液滴順利甩向壁面。

3　性能評估

在實際工程上，天然氣脫水裝置性能的好壞是通過露點降這一指標進行評價的，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，高的露點降，這就是好的天然氣旋流脫水裝置。兩個參數定義如式（1）、式（2）。

式中，pe為環境壓力，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，K；Tout為干氣出口露點，K。

圖9為入口壓力分別為0.4MPa、0.5MPa、0.6 MPa和0.7MPa條件下的露點降跟隨壓力損失比變化的情況，橫向比較可發現，對于一定進口壓力，露點降隨著壓力損失比的增大而增大，露點降低的速度也隨之越來越快，這是因為損失的壓力越大，創造的環境溫度就越低，越有利于天然氣中水分的凝結與分離；縱向比較可以發現，對于一定的壓力損失比，入口壓力的增大會獲得更高的露點降，而且在壓力損失比相同的增量條件下，進口壓力越高，天然氣的露點降越大。在入口壓力為0.6MPa、壓力損失比達到70%時，有最大的露點降32℃，更大的壓力降在工程上不允許發生，因為過大的壓降犧牲了天然氣管道運輸的動力，造成了很大的能量浪費。

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

圖10　不同入口溫度條件下露點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

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

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

從圖11中的對比關系可以看出，液滴直徑對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候，直徑大的液滴受到的離心力大，容易被甩到壁面上，進而被捕捉。同時，壓損比增大，分離效率呈現出增大趨勢，在入口壓力為0.6MPa、壓損比為70%時，脫液效率可以達到97.3%，可見超音速分離裝置具有很好的脫水效果。

4　結　論

（1）結合生產實際過程中天然氣脫水的處理要求，借鑒國外成熟的分離器結構，獨立設計出一套新型前置式超音速旋流脫水裝置。在此基礎上建立了三維數值模型，通過數值計算，準確分析了內部流場參數分布情況，發現所設計的裝置能夠提供水蒸氣凝結所需的低溫低壓環境和液滴旋流分離所需的足夠動力。

（2）通過分離器的性能研究，發現在入口壓力為0.6MPa、溫度為300K、壓損比為70%時，可獲得最大露點降為32℃。改變進出口壓力和溫度，裝置同樣能夠獲得較為理想的露點降，由此可知所設計的超音速旋流分流裝置對于壓力、溫度變化具有很好的適應性。

（3）模擬與性能評估結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，對此可以考慮優化部分結構來提高脫液效率，這將是下一步工作的重點。

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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。

國家自然科學基金項目（51306059）及中央高校基本科研業務專項基金（2015MS107）。

及聯系人：韓中合（1964—），男，教授，博士，研究方向為熱力設備狀態監測與故障診斷及兩相流計算測量。E-mail han_zhonghe@163.com。