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
Outline:
程霖1
,
额日其太1
,
计维安2
,
宋彬2
1. 北京航空航天大学能源与动力工程学院;
2. 中国石油西南油气田公司天然气研究院
收稿日期：2010-10-12；修回日期：2011-01-19
基金项目：中国石油2008年重点项目(编号：2008B-1304)
作者简介：
程霖：1981年生，硕士研究生；现主要从事天然气超音速分离技术研究工作。地址：(100191)北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学能源与动力工程学院。电话：(010)82339866, 13810276591，E-mail:
chengyulin-10533@163.com.
摘要：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。
关键词：超音速分离器 漩涡发生器 数值模拟 天然气脱水 喷管
Numerical Simulation Research on the Vortex Generator and Nozzle of Natural Gas Supersonic Separator
Outline:
Cheng Lin1
,
Eriqitai1
,
Ji Weian2
, et al
1. School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;
2. Research Institute of Natural Gas Technology of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, China
Abstract: The natural gas supersonic separation technology is the new dehydration technology which is developed in recent years. The vortex generator and nozzle are two key components of the natural gas supersonic separator. Numerical simulation research was carried out on the flow fields of three types of vortex generators with straight blade, angled blade and curved blade. The results show that the vortex generator with curved blade has a good performance. In addition, the nozzle flow of the natural gas supersonic separation was studied, and the results proved that the vortex generator and nozzle mentioned in this paper can get lower temperature and more powerful centrifugal force, which will condense the water vapor in the natural gas into small droplets and then be separated out so as to achieve the goal of natural gas dehydration.
Key words:
supersonic separator vortex generator numerical simulation natural gas dehydration nozzle
在天然气的集输和处理过程中，天然气中的水蒸气容易凝结成液态水。天然气中水分的存在，对于含有H2S、CO2等酸性物质的天然气会形成腐蚀性液体，造成管道和设备的腐蚀。此外，在一定的压力和温度下，天然气中的某些组分与液态水还会形成天然气水合物，严重时这些水合物能堵塞井筒、管线、阀门和设备，从而影响天然气的开采、集输和加工。天然气脱水则是防止酸性物质和水合物形成的根本措施[1-4]。
20世纪90年代末，国外成功开发了用于天然气脱水的超音速分离技术。与传统的低温分离工艺相比，天然气超音速分离技术是天然气处理工艺流程的一大革新，极大地简化了天然气脱水工艺流程。目前，超音速分离技术已经发展到第二代。其核心设备——超音速分离器的长度通常为2 m左右，天然气处理量可以达到100×104 m3/d。处理后的天然气水露点可以降低到-10 ℃以下，在很多地区可以满足天然气外输的要求。系统的压力损失为20%~30%。图 1为天然气超音速分离器工作原理图。
天然气超音速分离器主要由漩涡发生器、喷管、分离段、扩压器等部分组成。气流先通过漩涡发生器产生旋转，然后旋转的气流经过拉瓦尔喷管绝热膨胀至超音速，其温度和压力急剧降低，气流中的水蒸气凝结出来形成液滴，在旋流离心力的作用下，凝结出的水滴被甩到管子内壁上，再通过管道排出从而达到脱水的目的[5-6]。而分离后的干气体进入扩压器，气流速度降低，压力恢复到初始压力的70%~80%。
本文利用数值模拟的方法，对天然气超音速分离器的关键部件——漩涡发生器及喷管进行了研究。研究了叶片形状对漩涡发生器性能的影响及旋转气流在拉瓦尔喷管中的流动特性。
1 数值模拟方法
通过求解相应边界条件下的N-S方程，在三维、有粘、定常分析的基础上，对漩涡发生器内部流场的流动特性作全面的分析。由于标准k-ε模型在强旋流或带有弯曲壁面的流动时会出现一定的失真，而RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[7]，所以本研究中采用RNGk-ε模型进行数值模拟研究。
计算网格采用六面体网格，而流动方程、湍流模型中湍动能方程和湍动能耗散率方程均采用二阶迎风格式求解。针对可压缩流体的流动特征，采用压力进口和压力出口的边界条件，固体壁面采用无滑移、绝热、无渗流条件。由于模拟的漩涡发生器的流动具有周期性的特点，为了减少计算量，采用一个周期来进行研究。
2 漩涡发生器叶片的选择
2.1 漩涡发生器的几何模型
漩涡发生器的基本设计思想是：有较大的流通能力，较小的几何尺寸，产生的旋流切向速度比较大，并易于加工制造[8]。本文所研究的漩涡发生器外圆直径D，内圆直径d，D/d=1.12。为了研究叶片形状对漩涡发生器性能的影响，设计了直叶片、折叶片和弯叶片三种不同形状的叶片。漩涡发生器叶片数目为8个。图 2为3种不同形状叶片的漩涡发生器示意图，为了看清楚内部结构，剖开了部分外壳。
2.2 直叶片漩涡发生器数值模拟结果分析
首先对直叶片漩涡发生器进行了数值模拟研究。图 3和图 4是径向R=0.52d处的速度和总压分布图。由于流动具有对称性，只计算了漩涡发生器1/8的流场。
从图 3和图 4可以看到，叶片背风面产生一个大的分离区，分离区的存在对漩涡发生器的性能会产生很大影响。另外分离区中气流的速度和压力都明显降低，这也说明产生了较大的流动损失。
2.3 折叶片漩涡发生器数值模拟结果分析
为了改善叶片周围的流动状况，在直叶片前段增加一直段，对入口的气流进行导引，其交接处采用圆滑的弧线过渡。图 5和图 6是径向R=0.52d处的速度和总压分布图。
从图 5和图 6可以看到，在叶片背风面大分离区消失，但尾迹区仍然存在，随着尾迹向下游的扩展，尾迹的影响范围也大。在粘性的作用下尾迹中气流的速度和压力也显著下降，流场变化不均匀。
2.4 弯叶片漩涡发生器数值模拟结果分析
折叶片漩涡发生器流场较直叶片漩涡发生器流场在均匀性方面得到很大的改善，但尾迹对出口速度的影响仍然比较大。由于弯叶片的弯度是均匀变化的，所以可采用弯叶片的漩涡发生器来进行模拟研究。图 7和图 8是径向R=0.52d处的速度和总压分布图。
从图 7和图 8可以看到，气流经过叶片时流场均匀性得到改善。通过对漩涡发生器不同类型叶片流场的分析可知，为了获得比较均匀的流场和较大的旋流切向速度应采用弯板叶片。
3 旋转气流在拉瓦尔喷管中的流动研究
3.1 几何模型
图 9为漩涡发生器和拉瓦尔喷管组合体的几何模型，漩涡发生器采用了弯叶片。
在湿气压力为8 MPa、总温288 K的条件下，漩涡发生器和喷管组合体的流量可以达到23.6×104 m3/d。原料气为饱和含水天然气，含水量约为280 mg/m3，具体气质组成见表 1。
表 1
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表 1 模拟原料气气质组成表
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3.2 数值模拟结果分析
图 10、11和12分别是气流经过天然气超音速分离器中拉瓦尔喷管段的马赫数、静温和压比线图(当地静压与进口总压之比)。
从图 10、11和12可以看到，在天然气超音速分离器的拉瓦尔喷管段，沿喷管的轴向气流的马赫数逐渐增大，而静温和静压是逐渐降低的，喷管的扩张段形成低温低压的超音速流。喷管扩张段同一截面(垂直于喷管轴线)上气流的马赫数、静温和静压沿径向变化很大，随着径向R的增大，马赫数减小而静温和静压增大，这主要是由气流旋转引起的。喷管出口处气流平均温度降至197 K，这样低的温度有利于天然气中的水蒸气冷凝形成液滴。喷管出口天然气饱和含水量小于0.1 mg/m3。若冷凝水滴被全部分离且干气复压至6 MPa(按入口压力的75%计算)，干气露点温度为-68 ℃。但是，在实际过程中分离段的分离效率不可能达到100%，不同分离效率得到的干气露点温度见表 2。
表 2
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表 2 不同分离段分离效率下干气露点温度表
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图 13是喷管出口截面气流的总压恢复系数线图。
系统压力损失情况可以用总压恢复系数表示(当地总压与进口总压之比)。从图 13可以看到，由于旋转流动和壁面摩擦，到喷管出口时，产生了较大的压力损失，平均的总压恢复系数为0.9，这样，气流通过漩涡发生器和拉瓦尔喷管的压力损失为10%，压力损失较小。
同时喷管的扩张段形成强的旋流场。图 14和图 15分别是天然气超音速分离器中拉瓦尔喷管出口截面上的切向速度和离心加速度线图。
从图 14和图 15可以看到，喷管内形成了均匀的旋流，最大切向速度达到190 m/s, 最大离心加速度达到600 000 g。在这样的强旋流场中，强大的离心力可以将天然气中冷凝出的液滴甩至管子的内壁，液滴在管壁形成液膜，液膜通过气-液分离器被排出，从而实现了天然气脱水的目的。
4 结论
(1) 漩涡发生器的作用使来流气流产生比较强的旋转, 将来流较高的轴向速度中的一部分转变成切向速度。直叶片漩涡发生器对来流气流的流场有很大的影响，叶片背风面有分离区产生，造成巨大的流动损失。
(2) 折叶片漩涡发生器流场较直叶片漩涡发生器有很大的改善，大分离区消失，但尾迹影响范围还较大，切向速度和压力的变化也不均匀。这主要是叶片弯度变化不均匀造成的。而采用弯叶片漩涡发生器，由于叶片弯度变化的均匀性，流场的均匀性得到了很大程度的提高。
(3) 天然气超音速分离器中, 旋转的气流经过拉瓦尔喷管加速到超音速，在喷管扩张段形成低温，并产生了强大的离心力，这为天然气中水分的除去创造了良好的条件。此外，气流通过天然气超音速分离器压力的损失也较小。
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李士伦, 等. 天然气工程[M]. 北京: 石油工业出版社, 2000: 8.
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杨志毅.油气超音速旋流分离技术研究[D].西南石油学院博士学位论文, 2004.6.
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2011, Vol. 40