超音速分离管中水蒸气凝结相变的数值研究

基于超音速分离管中混合气体流动属于伴随凝结相变的可压缩、跨音速的特点,建立了考虑传质效应与非平衡凝结过程的数学模型,并采用数值方法对伴随水蒸气凝结的超音速分离管中的流动进行分析研究。以空气、水蒸气及液态水为流动介质,采用两相流动中的VOF模型结合凝结相变模型以及组分传输模型,研究不同进出口参数及不同水蒸气含量对凝结流场的影响。研究结果表明,所建立的分离管内部非平衡凝结相变模型可以较好的再现超音速流中的凝结成核及液滴生长过程;数值计算结果表明,入口压力、温度及水蒸气含量对分离管内流动凝结过程有直接且重要的影响。因此在进行超音速分离管设计时,考虑温度压力参数的同时,考虑水蒸气含量对分离管性能的影响也是非常重要的。

超音速分离管在天然气制冷液化领域中的研究进展

超音速分离管是一种新型、高效的天然气制冷设备。该装置因具有节能、结构简单、性能可靠等优点,在天然气脱水脱烃中己经获得了成功的应用,并在小型天然气液化装置中有良好的应用前景。文中介绍了超音速分离管的工作原理以及在天然气制冷液化领域中的研究进展,并对该装置中分离管的设计方法及影响制冷、分离效果的因素进行了分析。

旋流器后置型超音速分离管流场分析

结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一种旋流后置型超音速分离管.针对新结构建立了三维数值计算模型,并结合可实现k-ε湍流模型对超音速分离管内部流场进行模拟,得出了管内轴心上的压力、温度、马赫数及湍动能的分布,同时对不同截面上径向的压力、温度、马赫数及旋流加速度进行了分析.结果表明:当压损比为47.5%时,分离管内Laval渐扩段(距离分离管入口98 mm处)出现明显的激波现象,获得最大马赫数1.736,此时膨胀得到的最低温度为190.52 K,可为超音速分离管提供足够的凝结动力;旋流发生器后面可获得较大的旋流加速度,产生较强的分离效果.

旋流后置型超音速分离管数值模拟与实验研究

针对天然气开采现场及实际运行条件,设计加工了一套新型超音速脱水分离装置,装置中旋流产生器位于Laval喷管渐扩段之后并合理设计其形状尺寸。围绕改进后的超音速分离管进行了数值模拟和室内实验两方面的研究。建立了三维可压缩流体动力学模型,验证了其准确性,利用该模型对新型分离管进行了数值计算,结果表明:采用三维计算模型可以准确预测旋流器后置型超音速分离管的膨胀低温特性及高速旋流现象,尤其对激波位置和逆压强梯度的预测与热力学理论模型分析的结果吻合;通过实验测试了新装置的性能,实验结果验证了数值结果。对比原有分离管分离效果显示:新加工的分离管相对原有的超音速喷管在低压损比条件下可以获得更大的露点降。

内置旋流器结构对全新湿气再循环超音速分离管脱水性能影响的实验研究

提出了一种全新的湿气再循环超音速分离管工作原理和结构设计,该装置可循环地将天然气中的重质烷烃和水分离出来;其主要优点包括结构紧凑,无化学污染,节能环保,从而能够提高分离效率。内置旋流器的旋流特性和阻力特性对超音速分离管的工作性能有重要直接影响。目前设计加工了一套再循环超音速分离管,并搭建了室内实验台,分别对采用内置旋流器A型和B型对再循环超音速分离管的脱水性能进行了实验研究,目的在于寻找流动阻力小,旋流强度高,分离效率好的内置旋流器设计。实验结果表明:内置旋流器A型具有较强的旋流特性,B型具有较强的阻力特性。采用内置旋流器A型的分离管分离效率高,脱水性能好,因此得出内置旋流器的旋流特性相比阻力特性对分离管的脱水性能的影响更大,内置的旋流特性越好,超音速分离管的脱水效果越好。

湿气再循环超音速分离管脱水性能的试验研究

湿气再循环超音速分离管可以将天然气中的液体和烃类有效地分离出来,并可以将气体进行循环分离,从而提高分离效率。为了对该装置的脱水性能进行系统全面的研究,搭建了室内试验台。试验结果表明:相比已研发的超音速分离技术,在相同压损比下再循环超音速分离管可以获得更高的露点降,说明其具有更好的脱水分离性能;当压损比为0.81时,该装置最大露点降可以达到28.12℃;压损比是决定再循环超音速分离管脱水性能的关键因素,在允许范围内适当增加压损比是提高再循环超音速分离管脱水性能的有效途径;保持气流在分离管内部的Laval喷管喉部处于临界状态,并达到临界流量是保证再循环超音速分离管良好工作性能的低限要求,否则会降低装置的脱水性能;湿气出口压力对再循环分离管的脱水性能影响很小。所得结论可为湿气再循环超音速分离管的结构优化和现场应用提供参考。

超音速分离管技术在海上平台的应用分析

天然气超音速分离管技术是一种全新的天然气脱水和脱重烃技术,同常规技术相比,具有投资少、效率高、能耗低、体积小等优点,但是存在处理过程压力损失过大的缺点。文中通过分析,探讨了超音速分离管技术在海上平台天然气脱水和烃露点控制工艺中的应用,并与常规的天然气处理技术进行了比较。

超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀动态仿真

针对超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀导致的壁面退移,基于动网格技术建立了相应的动态仿真模型,实现了对不同燃烧室条件下喷管化学烧蚀率的预示。初步稳态计算得到喉部烧蚀率为0.048 6 mm/s,高出试验结果5.67%,验证了仿真设置的合理性。以此状态结果为瞬态计算的初场,进行相应的化学烧蚀动态仿真计算。该喷管的矢量角放大系数在0.5 s仿真时间内因壁面退移减小了0.42%,对称面下侧分离线结构附近因燃气流动受阻成为喷管烧蚀最严重的位置,烧蚀率为0.074 5 mm/s。增大燃烧室压强或温度,会导致同周向位置的分离线后侧与前侧壁面烧蚀率比值减小。对于分离线附近型面变化较小处,压强5.5 MPa增加到7.5 MPa,该比值减小了10%,温度3200 K增加到3600 K减小了15%。

分离线扩张比对超音速分离线摆动喷管流场影响规律的数值与试验研究

为进一步优化超音速分离线摆动喷管性能,通过数值计算分析了分离线处扩张比(ε)对超音速分离线摆动喷管流场的影响规律,并进行了试验验证。结果表明:相同ε下,随着摆动角度(θ)的增加,轴向推力系数(C_(fx))逐渐减小;ε取不同值时,相同θ下C_(fx)区别较大,在ε=1.68时C_(fx)达到最大值。相同ε下,随着θ的增加,偏转放大系数(K)先增加后减小,θ为1°~2°时,K值达到最大(K=2.5);不同ε下K区别较大,当ε≥1.46、θ为1°~8°时,K>1,ε=1.21时偏转效益受θ影响较大,K最小值小于1。数值仿真喷管羽流状态与地面试验一致,验证了仿真方法的有效性;分离线处压强由于模型误差存在一定偏差,摆动力矩由于分离线处压强的非均匀分布存在计算偏差。

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。

用于超音速分离流场参数测量的ECT图像重建算法优化

针对电容层析成像系统(ECT)用于超音速分离器内气液两相流场参数测量时逆问题病态性导致图像重建质量不高的问题,基于引导图像滤波和正则化理念,提出了一种新的ECT图像重建算法。首先分别利用L_(2)正则化和L_(p)(0<p<1)正则化对介质分布重建,在此基础上,将L_(2)正则化和L_(p)正则化的重构图像分别作为引导图像滤波的引导图和输入图,进行滤波输出。仿真和实验条件下,所提算法、L_(2)正则化算法和L_(p)正则化算法的图像重建结果表明,前者可以同时结合后两种算法的平滑性和稀疏性优势,重构的介质分布更加准确,图像伪影更少。与其它两种方法相比,重建图像平均相关系数分别提高了17.01%和7.15%。所提算法在ECT测量超音速分离器气液两相流场参数方面具有良好应用前景。

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。

再循环超音速分离管除湿性能及其流动特性研究

提出一种全新的再循环超音速分离管工作原理和结构设计。加工完成一套再循环超音速分离管,并进行了室内实验研究。实验表明,相比已研发的超音速分离管,在相同压损比下再循环超音速分离管可以获得更高的露点降,具有更好的除湿分离性能。为了进一步研究并预测再循环超音速分离管内流动规律和激波发生的位置,本文采用计算流体力学(CFD)理论,建立数学模型,进行了再循环超音速分离管内二维稳态可压缩流动的数值模拟计算。模拟结果表明:激波被转移到扩压管入口处发生,减少流动压力损失。此装置的结构设计能够提高脱水性能和效率。

超音速分离管内多组分气体分离的相平衡计算

建立了超音速分离管内多组分气体分离的相平衡数学模型,并给出了相应的计算方法.用所提出的模型和求解方法对用于中试的天然气净化分离管内天然气的相平衡特性和分离效果进行了预测,并与实测结果进行了比较.结果表明,预测结果与中试实验结果基本吻合,证明所建立的数学模型和计算方法的可靠性,能够较精确地预测气体超音速分离管分离得到的气液两相各组分含量等相平衡参数以及流量、密度等流动参数,也为超音速分离管的结构优化提供了理论根据.

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。

旋流器位置对超音速分离管内部流场影响的研究

超音速脱水分离是基于气体动力学和传热传质理论提出的-种新型天然气脱水净化分离技术。该技术采用超音速分离管,使多组分的高压天然气膨胀、提速、旋转,降温,其中的水蒸气及可凝组分发生相变成为液相并被分离出来。旋流器是超音速分离管中决定天然气脱水性能的关键部件,其在分离管内的位置会对管内流场产生重要的影响。本文借助CFD软件(FLUENT)模拟分离管内的高速流动,对比四种不同旋流器位置的超音速分离管流动过程中温度、压力和速度的变化,通过分析数值结果可以得出在相同的压损比下采用旋流后置-Ⅰ型超音速分离管可以获得更大的温降。

超音速冷凝分离过程的自发成核影响因素分析

建立了两相双组分超音速冷凝流动三维湍流模型,对含湿气体在超音速冷凝流动中的自发成核进行预测。采用两相欧拉-欧拉控制方程组描述气液两相流动,引入经典成核理论模拟水蒸气的自发成核。模型计算结果与实验值吻合较好。以水蒸气和甲烷的混合气体为介质,模拟研究了天然气在超音速冷凝流动中的自发成核,得出了天然气超音速冷凝分离装置的结构参数和操作参数对自发成核的开始位置、强度、成核区轴向长度和最小临界成核半径的影响规律。研究结果表明,对超音速冷凝分离装置的分离性能有显著影响的操作参数足初始水蒸气分压和初始温度,所有的结构参数都影响分离性能;所有的操作参数都对能耗有显著影响,而结构参数中只有旋流发生器高度对能耗有影响。

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。