超音速分离器结构优化与流体流动特性研究

以超音速分离器为研究对象,分别按排液口间隙尺寸δ与喉管直径D之比为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7建立了5个模型。采用SST(剪切应力输运)κ-ω湍流模型对分离器内部流体流动特性进行了数值模拟,考察了压力分布、温度分布、激波位置、成核率与液滴半径等参数随δ的变化规律。结果表明:δ=0.5D时超音速分离器扩散段的极低压范围最大,膨胀能力最大,温度场分布更均匀,极低温范围也更大;优化δ值使激波位置下移,可更早产生诱导凝结核而利于液滴生成与增长;在分离器入口压力84.8 kPa、入口温度279.6 K、水蒸气体积分数0.75%条件下,δ=0.5D时分离器的成核率最高为318 kg^(-1)·s^(-1)、液滴直径达到996.8 nm,均高于其他模型,有利于提高其分离性能。

天然气超音速分离器中漩涡发生器及喷管的数值模拟研究

天然气超音速分离技术是近年来发展起来的新型天然气脱水技术。漩涡发生器及喷管是天然气超音速分离器的关键部件之一。通过对直叶片、折叶片和弯叶片三种不同叶片形式的漩涡发生器的流场进行了数值模拟研究,结果表明,弯叶片的漩涡发生器具有良好的性能。此外,对天然气超音速分离器的喷管流动进行了研究。结果证明,本文采用的漩涡发生器和喷管可以获得很低的温度和强大的离心力,可以使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴并分离出来,从而达到天然气脱水的目的。

天然气超音速分离器中凝结流动过程数值模拟的研究进展

超音速分离技术因其诸多优点在天然气脱水脱烃方面应用广泛,并在液化领域逐步得到试验他应用。文中介绍了国内外超音速分离过程的数值模拟研究现状,对天然气超音速分离器中的凝结过程和流动过程的现有模型及数值方法及适用性进行了比较和分析,给出了天然气超音速分离、液化过程研究中凝结流动模型选取的建议,并对数值模拟结果进行了分析和总结。

再循环腔进口位置对超音速分离器流场影响数值分析

超音速分离器作为一种新型、高效的分离设备,具有传统分离方式和设备不可比拟的高效性和经济性。在相同的结构尺寸下,对传统超音速分离器与再循环超音速分离器进行了对比数值模拟。结果表明,在相同的出口压力下,再循环分离器的流场分布较传统分离器好,且能使激波远离喉部,扩大超音速流动的区域范围,有利于气液分离。同时,针对再循环腔不同进口位置对流场稳定性的影响进行了分析。结果表明,进口位置在Laval喷管出口时,流场稳定性较好,有利于提高分离性能。

螺旋拧装式导流叶片对超音速分离器旋流管速度场的影响

超音速气液分离技术是天然气脱水工业的一大突破,分离翼是超音速气液分离管的核心部件,是形成高速旋流高效分离的主体。在传统三角分离翼存在诸多不足的基础上提出表面光滑的螺旋拧装式导流叶片的设计,建立旋流管三维物理模型。运用Fluent14.5对气流绕导流叶片的旋流速度场进行了数值模拟,结果显示,在导流叶片尾端气流平均切向速度达到最大值163.28 m/s,气流在导流叶片后可形成较为稳定的强旋流场,x=0.30 m处特征截面的平均切线速度达131.50 m/s,可实现较理想的气液旋流分离。

超音速分离器在单井天然气脱水脱烃中的应用

针对塔河油田边远单井远离集输管网,其天然气脱水脱烃难度大的问题,在某单井应用了超音速分离器技术进行天然气的脱水脱烃。介绍了超音速分离器技术的基本原理和超音速分离器中涡流管的组成结构,以及超音速分离器撬装装置应用于某单井天然气脱水脱烃的运行情况,分析了其脱水脱烃工艺在技术、效率、能耗及经济效益方面较常规方式所具有的优势,以及运行中存在的不足。

超音速分离器:天然气脱水脱烃的新型高效设备

超音速分离器(3S)是分离油气田天然气中的水分和NGL组分的一种新型高效设备。3S与传统的油气田脱水脱烃设备相比,具有工艺设备简单、高效、节能、环保、运转安全性和可靠性高、经济效益显著等诸多优点,是天然气脱水脱烃技术的一项重大突破。文章介绍了3S的研发概况、工作原理、分离天然气水分和NGL组分方面的优势,以及分离气层天然气中水分和油田伴生气中NGL组分的典型工艺流程和示例。

天然气超音速分离器激波特性研究

本文采用理论和数值模拟的方法研究了天然气超音速分离器激波特性,发现了激波位置或知道激波位置反算进出口压力差的理论计算方法。采用自适应网格技术,在物理量急剧变化区域对网格进行自动加密,实现激波位置的精确捕捉,揭示激波演化的动态过程。模型预测的激波位置与数值模拟的结果吻合较好。本文提出的渐缩渐扩喷管激波位置计算和模拟方法能够较好的预测激波的位置,为天然气超音速分离器的设计提供理论支撑。

超音速分离器锥形喷管的结构尺寸对加速性能的影响研究

锥形拉瓦尔喷管是超音速分离器能够实现音速分离的关键部件。拉瓦尔喷管的结构尺寸对于气流的加速具有重要作用。通过在给定压力及温度的工况下,改变喷管的喉部尺寸,对锥形拉瓦尔喷管的加速性能进行fluent模拟,得出在相同尺寸参数下,拉瓦尔喷管喉部直径越小,加速性能越优秀的结论。

超音速旋流分离器湿气出口段液膜测量

超音速旋流分离技术作为一种新型的多相流分离技术,在天然气脱水脱烃领域有较好的应用前景。超音速分离器内液膜特性与分离性能息息相关,本文以其湿气出口段液膜特征为研究对象,开发了一套FPC电导式液膜厚度测量系统,设计了标定装置获取传感器实际输出特性。搭建实验管段展开气液两相分离实验,研究了入口含液量与背压比对液膜特征的影响。实验显示液膜厚度低于500μm时传感器灵敏度较高,拟合曲线误差在±5%以内。时域上统计学分析表明液膜厚度呈双峰分布,基层厚度约为70μm。频域上小波包分解后第2、第3频段与其他频段能量分布变化趋势有明显差异,据此对原始信号依次进行重构、局部均值分解、求近似熵和聚类,结果表明含液量增大,液膜波动加剧,近似熵可聚类为三类,对应三种流形。采用互相关算法分析液膜扰动波速度,含液量增大其流向分量与周向分量均呈指数增长趋势,流向分量及其RMSE范围分别为84.7~339.0mm/s、1.15~4.51mm/s,周向分量及其RMSE范围分别为54.8~186.4mm/s、1.20~3.38mm/s。

超音速分离器分离效率与液膜特性研究

通过数值模拟研究了超音速分离器内的流场特性与颗粒运动轨迹及液膜流动特性,分析了旋流强度和液滴直径对分离效率与液膜流量的影响。结果表明,增加旋流强度或液滴直径均可以提高分离效率与液膜流量。旋流强度为0.51时,0.1μm以下的液滴分离效率不超过30%。对于直径不大于0.1μm的液滴,最大分离效率仅为60.90%。

基于ECT模型修正及算法优化的超音速分离流场图像重建

超音速分离器内流场参数的准确测量对其结构与性能优化至关重要,电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)能够实现非侵入式参数测量,其逆问题求解的数学模型主要通过线性化近似得到,忽略了非线性、“软场”效应等对结果的影响,使得当场域内介质分布的介电常数差异较大时,图像重建质量不高。针对上述问题,本文通过引入模型推导误差对ECT逆问题数学模型修正,在此基础上,根据目标函数的可分离特性,设计结合正则化与Split Bregman(RASB)的求解算法,分别对模型误差和待重构介质进行交叉迭代求解。最后通过仿真和实验手段对比分析了RASB算法、Tikhonov正则化算法、L1正则化算法和Landweber算法重建图像效果,结果表明所提算法RASB可以减小线性化近似产生的误差,削弱噪声对图像重建结果的影响,重构的介质分布更加准确,图像中伪影更少。RASB算法对几种模型重建图像的平均相关系数为0.8964,高于Tikhonov正则化算法的0.8353、L1正则化算法的0.8496和Landweber算法的0.8681。

超音速两相膨胀分离及制冷液化的研究进展

超音速膨胀降温并结合旋流分离技术是一种新型气体液化分离技术,近年来主要应用于分离多组分气体中的高凝点组分。介绍了超音速旋流分离器的2种典型结构;归纳了Laval喷管中凝结相变的理论发展、数值模拟、实验研究和分子模拟4个方面内容;对超音速旋流分离器中的激波问题、结构优化进行了分析总结;大量实验及现场应用证明了超音速旋流分离器具有节能环保、无运动部件、无需添加化学药剂等优势,在天然气净化处理等领域已得到广泛应用。下一步研究可从单组分、多组分气体凝结相变机理、提升液化效率等方面入手,促进超音速旋流分离技术在普冷温区、氢氦低温温区的液化及制冷技术应用。

新型超音速旋流分离器流场分析与性能评估

为了解决实际开采过程中高压天然气的含水问题,结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一套前置式超音速旋流脱水装置,围绕新装置进行了流场模拟和性能分析两方面研究。首先根据几何尺寸建立了三维数值计算模型,并结合RNG k-ε湍流模型对超音速分离器内部流场进行了模拟,得出了装置轴心线上天然气压力、温度、马赫数等特性参数的分布规律,同时对不同截面上参数的径向变化进行了分析;最后根据露点降和分离效率评估了超音速旋流分离器的工作性能,结果表明:在喷管出口处马赫数为1.51,膨胀最低温度可达140K,切向旋流速度为160m/s,可以实现水蒸气的充分凝结和分离;当压损比达到70%时,可以得到32℃的露点降,而且装置对于变压力、变温度工况具有很好的适应性,完全可以满足生产实际要求。

锥芯式超音速旋流分离器流动及分离特性研究

通过数值模拟和实验测试的方法，对锥芯式超音速旋流分离器内流体在小压力比情况下的流动特性和分离性能进行研究。模拟结果表明：在一定压力比条件下，随着面积比的增大，喷管渐扩段中气动激波强度越强并越靠近喉部；当压力比在1．25～1．75范围内，面积比为 1．06时，喷管渐扩段不存在气动激波，相应的分离性能最高。实验结果也表明：当面积比为 1．06、压力比为 1．75时，分离效率达到40．82％。数值计算结果与实验结果相吻合。

超音速分离技术在塔里木油气田的成功应用

超音速分离技术是一种集低温制冷及气液分离于一体的新技术,2011年6月,国内引进的首套超音速分离器(super sonic separator,3S)在中国石油塔里木油田公司牙哈作业区凝析气处理厂投产成功。为此,介绍了超音速分离器的工作原理及脱油脱水工艺流程。运行效果表明,相对于传统制冷(如J-T阀、冷剂和膨胀机制冷)设备,超音速分离器具有以下优势:①效率高。发生在超音速喷管中的膨胀降压、降温、增速过程以及发生在扩散器中的减速、升压、升温过程,均为气体的内部能量转换过程,经过全面优化设计,能使能量损失降低到最低限度。②能耗低。与低温法丙烷制冷相比,在凝液收率相同的情况下,3S可减少制冷压缩机电耗50%～70%;而3S代替膨胀机,在凝液收率相同的情况下,可多回收15%～20%的压缩功率。③无转动部件、属静设备,因此运行更加安全可靠。④工艺过程和设备简单,投资省。⑤本身无消耗,无须水、电、仪表风的支持,除了温度和压力的监控,不依赖控制系统,运行成本低。⑥无废水、废液排出,对环境无影响。⑦体积小,占地和占有的空间小。超音速分离器可以更深度地脱水脱油,从而提高商品天然气品质,并可增加凝液产量,同时明显降低能耗,获得更好的经济效益。

二氧化碳超音速分离实验系统设计及性能预测

为了研究超音速分离管对Air-CO_(2)混合气体的分离效果,设计并搭建了室内高压超音速旋流分离实验系统。通过HYSYS过程模拟软件和超音速旋流分离等效模型对Air-CO_(2)混合气体脱碳过程进行模拟,并分析了该实验系统的脱碳可行性。结果表明,在现有实验条件下,该系统可以满足超声速分离器的工作要求,将部分CO_(2)气体从Air-CO_(2)混合气体中分离出来。在其他条件不变的情况下,增大超声速分离管入口压力导致入口温度上升,CO_(2)脱除率增加;增大入口CO_(2)摩尔分数导致入口温度下降,CO_(2)脱除率增加。

超音速气液分离器天然气脱水工艺改进浅析

本文针对超音速分离器对压力波动敏感的问题,提出加装电磁阀以稳压,实现自动控制以确保分离效率的建议。

集冷凝和离心分离功能于一体的天然气超音速旋流分离技术

天然气超音速旋流分离技术具有结构简单紧凑、无转动部件、可靠性高、无化学添加剂、投资和维护费用低等优点,工业应用前景广阔,但由于其过程的复杂性,理论研究还不成熟。为了推进该技术的大规模工业化应用,在介绍天然气超音速旋流分离器的结构及其工作原理的基础上,阐述了其旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等数值模拟的研究新进展,分析了近年来国内外有关的实验研究现状,总结了相关数值模拟和实验研究的进展,并对未来天然气超音速旋流分离技术亟待解决的关键问题进行了展望。研究结果表明:(1)目前关于超音速旋流分离器的数值模拟研究主要集中在旋流流动过程、内部凝结过程和内部流动过程等方面,并取得了一定成果;(2)国内对超音速旋流分离器的实验研究主要集中在低压实验,而在高压天然气的凝结机理及分离机理研究等方面则可能尚存在着一定的差距。结论认为:(1)解决超音速喷管的收缩段曲线和扩张段曲线的匹配、旋流器的结构优化设计与安装位置等问题,有助于气体凝结和提高气液分离效率;(2)开展符合天然气实际操作工况的高压实验,有助于探究天然气旋流分离的凝结和分离机理;(3)亟待在准确揭示高压天然气跨音速流动时其中水分及重烃的凝结机理和分离过程方面进行深入研究,确定影响分离性能的因素,以期为天然气旋流分离器的工程设计与应用奠定坚实的理论基础。

天然气超音速分离脱水技术研究进展

超音速分离技术在国外的研究与应用已经成熟,但国内的研究仍处于探索阶段。现已开展了较多的基础性研究和数值模拟研究,其中数值模拟研究主要集中在旋流流动过程、内部流动过程和凝结过程等方面,并取得一定成果,但实验性研究仍然较少,特别是在高压天然气的凝结机理及分离机理方面,未见工业性试验和现场测试试验的报道。在结构设计方面做了大量工作,主要集中在对比性分析和敏感性分析,未提出实质性的结构设计方法和思路。在液滴凝结方面的基础性研究更为少见,目前该过程主要由CNT模型和Gyamathy模型来表征液滴成核、生长过程,实际需根据各修正模型特点选择合适模型用于计算分析。今后的研究需加大入口温压、过饱和度、旋流器安装位置、超音速喷管结构参数等主要因素对凝结过程的影响性研究及高压天然气超音速分离脱液实验性研究,提高气体凝结和气液分离效率,尽早实现国内自主产权的超音速分离器的工业化应用,为空间有限的海上天然气的脱水、脱酸、脱重烃处理及外输提供有效手段。