油田中转站旋流式天然气脱水装置流场研究.pdf

第 4 2卷第 1期 2 0 1 3年 1月 石油化工设备 PE TR CHEMI CAI EQUI P MENT Vol _ 42 NO ．1 J a n ． 2 0 1 3 ，。 _ 卜 “ ． 卜“ ” ” ” 、 i 设计计算i ． ． ． ． ． ． ． ． ． 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 1 - 0 0 2 2 0 4 油 田中转站旋流式 天然气脱水装置流场研 究 王长忠 ，钟 力 ，李伟 平 1 ．大庆职业学院，黑 龙江 大 庆1 6 3 0 0 0 ；2 ． 大庆油 田 采油六厂 ，黑龙江 大庆1 6 3 0 0 0 摘要对旋流式天然气脱水装置 内部流场和液滴的运动状 况进行 了数值模拟研究， 获得 了在不 同 流 动 区域 气体压 力场 、 速 度场 分布 的 变化规律 以及 液 滴随机 性运动 的特 点 。 关键 词 天然气；脱水； 旋流分离 ； 流场模拟 中图分 类号 TQ 0 5 0 ． 1 ；T E 9 6 9 文献标 志 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 0 6 S t u d y f o r F l o w Fi e l d o f S wi r l Ga s De h y d r a t i o n Un i t s i n Oi l f i e l d Tr a n s f e r S t a t i o n W ANG Cha n g - z h o ng 。ZHONG Li ，LI W e i pi n g 2 1 ． Da qi n g Vo c a t i o na l Co l l e g e， Da q i ng 1 6 3 00 0， Ch i n a； 2． Da q i n g No． 6 Oi l Pr od uc t i on Pl a nt ， Da q i n g 1 63 0 0 0， Ch i na Ab s t r a c t S wi r l g a s d e h y d r a t i o n u n i t s o f i n t e r n a l f l o w f i e l d a n d d r o p l e t mo t i o n s t a t e we r e s t u d i e d wi t h nu m e r i c al s i m u l a t i o n，ga s p r e s s ur e f i e l d a n d v e l oc i t y f i e l d d i s t r i bu t i o n a t d i f f e r e nt f l o w r e g i o ns we r e o b t a i n e d，a s we l l a S t he f e a t u r e s o f t h e dr o pl e t s t oc ha s t i c mov e me nt ，t he n e c e s s a r y b a s i s i s p r o v i d e d t o o pt i m i z e t he s t r u c t u r e ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；d e h y d r a t i o n；c y c l o n e s e p a r a t i o n ；f l o w f i e l d s i mu l a t i o n 油井产出油气水的混合物 ， 经 中转站后分离 出 天然气 。此时天然气为多组分气体， 含有较多的水 分 ， 称为湿气。在温度降低或压力升高时， 会析出液 态的水 ， 并与硫化氢或二氧化碳等形成腐蚀性 的酸 液 ， 对管道和设备有较强的破坏性。在温度较低时 ， 液态的水可能结冰或与其他气体形成 固化 水合物 ， 堵塞 管道 。在 天然 气 运 输 和加 工 之 前 ， 必 须 将 水 分 含量 降低 到安 全范 围 内。 大庆油田中转站天然气脱水广泛使用光管冷却 器 ， 采用低温脱水的原理 ， 操作工艺相对简 单， 但是 在应用中存在着使用效率低 、 安全性能差 、 占地面积 大等问题 ， 有待于解决与提高。旋流分离器是一种 高效分离装置 ， 具有结构简单 、 设备紧凑 、 无运动部 件 、 分离效率高和处理量大等优点 。旋 流分离器 的 研究过去主要集 中在液一 液 、 气一 固两相分离 ， 对于天 然气脱 水 的气一 液分离 的研 究 ， 则处 于 研究 的起始 阶 段 。文中通过 F l u e n t 软件进行数值模拟分析 ， 以 探讨旋流器 内部流场的运动规律 ， 为旋流分离装置 的研发提供科学依据 。 l 内部流场运动分析 1 ． 1 计算假设条件 1 混合气体入 口速度为 2 0 m／ s 。 2 出 口压 力为 常压 。 3 假设壁面为无滑移壁面边界， 气体与其相对 速度 为 0 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 9 基金项 目黑龙江省教育厅科学技术研究项 目资助 No 1 1 5 2 5 0 3 6 作者简介 王长忠 1 9 6 9 ， 男 ， 吉林 大安人， 副教授 ， 硕士， 主要从事油 田机械设备 的研究与故障诊断方面 的工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王长忠 ， 等 油 田中转站旋 流式 天然气脱水装置流场研究 4 气相为不可压缩的理想气体 。 5 由于气液 比相对较大 ， 液相非 常稀疏 ， 可以 将 内部气相作为连续相 ， 液相作为离散相 ， 并设离散 相 的质 量 流速等 于 或大 于连 续相 的质 量流 速[ 2 ] 。 1 ． 2 旋流器内部旋流分析 旋流式脱水装置的结构示意见 图 1 。从 图中可 知 ， 来料 由进 口切向进入旋 流器内作螺旋运动 ， 在腔 内急剧旋转产生强烈的涡流， 并分为溢流和底流两 部分分别 由溢流管 和底 流管排 出。在旋 流器 的内 部 ， 同时存在着向下运动的外 螺旋 和向上运动 的内 螺旋 。 流 图 1 旋 流式 脱 水 装 置 结 构 模 型 不 图 旋流式分离器主要是依靠旋流产生的离心力实 现气液的高效分离 ， 其入 口结构决定 了分 离器 的人 口气液相分布及切 向速度的大小 ， 是影 响旋流式分 离器分离特 性的关键 因素之一l 3 “ ] 。由于气 、 液相 流速不同， 内部可能呈现分层流 、 段塞流 、 分散气泡 流或环状流等多种流型 。实验研究表 明， 入 口管 向 下倾斜 ， 在重力作用下有利于形成分层流， 能很好地 改善气液分离效果 、 扩展旋流分离器的适用范围， 其 最佳倾斜角为一2 7 引。 1 ． 3 漩涡的数学分析 经初步分离的液相 以切向速度沿筒壁旋转形成 强制漩涡 。除壁面附近 ， 该漩涡可看作是刚体转动， 微元受力分析示意图见图 2 。 图 2 微元受 力分析示图 微元以恒定角速度 C O 一 。 ／ R旋转 ， 流动是轴对 称的、 各分速度沿 z轴变化不大。因此 ， 假设微元 在轴 向、 切向上没有加速度 ， 径 向加速度 a 一一 ， 经数学建模推导 ， 得到漩涡形状方程 z 一 笔 。 } ㈩ 式中， N 为漩涡方程参数 ； L 为平衡液位高度 ， d 为分离器直径 ， m。 此方程准确地描述了液滴在分离器内部的运动 轨迹 。 2流场模拟 结果分析 2 ． 1 静压力场模拟结果 气一 液旋流分离器 内部流场分为内旋 流和外旋 流。外旋流垂直 于轴 的横 截面 ， 静压 分布见 图 3 。 从 图中可知， 分布性状 比较规则 ， 基本呈现轴对 称 性 ， 在入口与溢流管的交界空间内存在偏差 ， 但偏差 不 大 。静压 由外 向内递减 ， 中心轴线 附 近静压 较低 ， 在 溢流 管 内部 出现 负 压 。在 同 一 截 面 的相 同半 径 处 ， 静压 力 大致相 等 ， 说 明轴 向压力 变化不 大 。 内旋 流静压在同一截面的相同半径处也相同， 呈环状分 布 ， 相对于外旋流 ， 内旋流的静压较低_ 6 ] 。 o 图 3横 截 面 静 压 分 布 不 图 轴截面上静压力 的分 布见 图 4 。从 图 中可知， 分布大致呈现轴对称性 ， 在外旋流 中， 压力分布的整 体趋势是在两侧 比较大 ， 内侧 比较小 ， 在内旋流部分 有负压出现。总压沿轴 向变化 比较小 ， 由于强制涡 的出现 ， 总压分布云图出现一定的摆动_ 8 ] 。 图 4 轴截 面静压 分布示 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3年第 4 2卷 2 ． 2 流场速度分布研究 内部流 场速 度 分 布 见 图 5 。从 图 中可 知 ， 气 流 沿着圆柱壁面作圆周运动 ， 切 向速度逐渐减小， 在溢 流 口内存在明显 的低压 区。在柱形 圆筒部分 ， 气体 流 速 比较稳 定 ， 涡核 在 轴 线 中心 。在 接 近锥 体 附 近 出现 了明显 的 不 对 称 性 ， 涡 核 也 出 现 了偏 心 现 象 。 从轴向截面图还可以看 出， 旋流在锥体底部 出现 了 摆尾现象。切向速度大部分都为正值 ， 很少存在二 次涡 流 ， 这有 利 于气一 液分 离效 率 的提 高 。 图 5 流场 速度 分 布 不 气体进入旋流器后 ， 沿壁面做旋转运动 ， 在 内部 形成 双层 旋流 。外 部 主 要 向 下旋 流 ， 靠 近 中心处 为 向下 旋 流 ， 从 图 中可 以看 出， 瞬时旋 流方 向相 反 。总 体趋势是速度矢量对称 ， 在溢流管外部 由于湍流的 存在， 流 向有所摆动凹 ] 。 2 ． 3液滴运动轨迹 不考虑液滴问的相互作用 ， 把液滴看做是刚性 小球 ， 忽略液滴破碎和聚合 ， 其轨迹示意见图 6 。从 图 中可 知 ， 液 滴被 甩 向壁面 ， 沿壁 面下滑 至分 离器 的 底部， 大部分被分离出来， 小部分液滴随着内部的上 升气流螺旋上升 ， 进入排气管， 还有部分液滴没有到 达底部就进入内旋流 ， 通过旋转气流上升， 直接进入 排气芯管口 。 图 6液滴运动轨迹示图 3 结 论 1 进 气 口处 静压 较 大 ， 由外 向 内沿 径 向递 减 ， 中心轴线附近静压较低 ， 甚至出现负压 。 2 切向速度是多相分离的关键， 总体变化趋势 是 由外 向 内先 增大 后 减 小 ， 切 向速 度方 向与 外 螺 旋 方向具有一致性。在溢流 口速度变大， 等值线变化 明显 ， 证 明存在 涡流 。 3 旋 流分 离 器 内部 流场 呈 旋 转分 布 ， 有 内 、 外 2个流场 ， 在不 同流动 区域 ， 气体压力场 、 速 度场分 布 成规则 变化 。液 滴 的运 动较 为复 杂 ， 带 有 随机性 。 总 体运 动轨迹 的形 状 与气相 流场 的分 布趋 于一致 。 4 入 口结构对 整个 流场 的分 布影 响较 大 ， 优 化 其结构可以改进湍流模型 ， 会使内部流场的流动 、 压 力分布趋 于合理 化， 依 此可进 一步优 化 分离器 的 结 构 。 参考文献 [ 1 ] 金 向红 ， 金有 海 ， 王建军 ， 等． 气 液旋 流分离 技 术应 用 的研究进展[ J ] ． 化工机械 ， 2 0 0 7 ， 3 4 6 3 5 1 3 5 5 ． J I N Xi a n g h o n g， J I N Yo u h a l ， WANG J i a n j u n ，e t a 1 ． Re s e a r c h Pr og r e s s o f t he App l i c a t i on o f t he a s I i q ui d C y c l o n e S e p a r a t i o n T e c h n o l o g y [ J 9 ． h e roi c a l E n g i n e e r i ng M a c hi ne r y， 2 00 7， 3 4 6 3 51 - 35 5 ． [ 2 ] 兆娟． 液滴在旋流 分离器 内的运 动规律 研究 [ D ] ． 东 营 中国石 油大学 ， 2 O l O ． YI N Z h a o u a n ． S t u d y o n t h e Mo t i o n 1 ． a w I i q u i d D r o p i n t h e C y c l o n e S e p a r a t o r[ D] ． D o n y i n g C h i n a Uni ve r s i t y o f Pe t r o l e u m ， 2 01 0 ． [ 3 ] 张建 ， 金有海 ． 不 同锥体结构旋风分离器 的分离 特性 数值研究[ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 7 ， 3 6 6 3 3 3 6 ． Z H ANG J J a n ，J I N Yo u h a 1 ． S e p a r a t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s of Cyc l on e Se p a r a t o r s wi t h Di f f e r e n t Con e Ge o m e t r i e s [ J ] ． P E T R O - C HE MI C AI E QUI P ME NT， 2 0 0 7 ， 36 6 3 3 3 6． [ 4 ] 任相 军， 王振波 ， 金有海． 轴流 式气液 旋流分 离器 分离 性能试验研究 [ J ] ． 石油化工设 备 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 1 6 - 2 0 ． REN Xi a n g U I I ， WANG Z h e n - b o ， J I N Yo u h a 1 ．Ex ～ p e r i me nt a l St u dy on Pe r f or ma nc e of Ax i a l f l o w Hy dr o c y c l o n e f o r a s l i q u i d S e p a r a t 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司，黑龙 江 大庆 1 6 3 4 5 8 摘 要 采 用 Ga mb i t 建模 ， 利 用 F l u e n t 软 件 开展 数 值 模 拟 ， 分析 了倾 斜入 口流道 旋 流 器 内部 速 度 场 、 压力场以及油相体积分数的分布规律。发现倾斜入 口流道旋流器具有更低的压力降 ， 溢流 口处 的 油相 体积 分数 随入 口倾 角呈现 先增 大后 减 小的规 律 ， 说 明倾 角应 该 控 制 在 一定 的 范 围 内。通 过 对 不 同入 口流道倾 角旋 流器 溢流 口、 底 流 口油相 体 积 分数 的对 比 ， 优 选 出倾 角 为 1 5 。 和 2 O 。 的旋 流 器分 离效果 较 为理 想。 关键 词 油水分离；旋流器；数值模拟 ； 倾斜入 口 中 图分类 号 TQ 0 5 1 ． 2 ；TE 9 6 2 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． O 1 ． 0 0 7 Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f t he Ef f e c t o f I n l e t Di p An g l e o n 0i l - wa t e r S e p a r a t i o n Hy d r o c y c l o n e ’ S Fl o w Fi e l d a n d Pe r f o r m a nc e Z H A O L i - x i n ， X U L e i ， L I U L i - l i ， S UN Y a n 。 ，S HE N G Qi n g - j i a o 1 ． No r t he a s t Pe t r ol e u m Uni v e r s i t y，Da qi n g 1 63 31 8，Chi n a； 2 ．CNNC Ch i n a Nu c l e a r P o we r En g i n e e r i n g C o ．Lt d ．，Be i j i n g 1 0 0 8 4 0，Ch i n a ； 3 ． Da q i ng Oi l fie l d Compa ny Lt d ．，Da q i ng 1 6 34 5 8，Ch i n a Ab s t r a c t By u s i n g Ga mb i t f o r b u i l d i n g mo d e l s a n d f l u e n t s o f t p a c k f o r n u me r i c a l s i mu l a t i o n， di s t r i bu t i o ns a n d c h a ng i ng r ul e s of i n s i d e ve l oc i t y f i e l d s，p r e s s u r e f i e l d，a n d oi l ph a s e v o l ume E 7 ] 欧益宏 ， 杜扬 ， 吴英 ， 等． 柱 型水 力旋 流器单相流 场 数 值模拟[ J ] ． 石油矿场机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 l 5 1 8 ． OU Yi h on g， DU Ya n g， W U Yi ng，e t a1 ． Nume r i c al Si mul a t i o n o f Si ng l e p ha s e Fl ow Fi e l d i n Col umn a r Wa t e r p o we r Hy d r o c y c l o n e s [ J ] ．Oi l E q u i p me n t F i e l d ， 2 00 6， 35 3 1 5 - 18 ． [ 8 ] 李 成兵 ， 熊 珊． 新 型 柱式 气液 旋 流分 离器 数值 计 算 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 3 4 3 7 ． LI Ch e n g b i n g， XI ONG J i n ． Nu me r i c a l Co mp u t a t i o n o f N e w Ga s l i q u i d C y l i n d r i c a l C y c l o n e S e p a r a t o r [ J ] ． 0i l Eq ui pme nt Fi e l d，2 011， 40 2 34 37 ． [ 9 ] 柳 玉晖 ， 任相军 ， 王振波 ， 等． 轴流式气液旋 流分离器 压 降计算 [ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 0 1 3 ． L I U Yu h u i ， RE N Xi a n g i u n， W ANG Z h e n - b o，e t a 1 ． Pr e s s ur e Dr o p Ca l c ul a t i on o f Ax i a l f l ow H y dr o c yc l o ne f o r Ga s l i q u i d S e p a r a t i o n [ J ． P E T RO C HE MI C AI E QUI P MENT， 2 0 1 0， 3 9 1 1 0 1 3 ． [ 1 o ]傅 苏红 ， 刘进立 ， 曹广军．油气 旋流分离 器的模型试 验 研究 E J ] ． 工 程热物理学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 2 4 4 2 4 6 ． F U S u h o n g 。 L I U J i n l i ， CA0 Gu a n g j u n ．Mo d e l Te s t I nv e s t i ga t i o n o n t he Pe r f o r ma n c e o f Oi l a nd Ga s Cy c l o n e S e p a r a t o r f o r P i p e l i n e [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g F he r mo p hy s i c s， 20 07， 2 8 2 24 4 2 46 ． 许编 收 稿 日期 2 O 1 2 0 8 一 O l 基金项 目国家 8 6 3 计 划课题 2 0 1 2 AA0 6 1 3 0 3 ； 黑龙江省普通高等学校新世 纪优 秀人 才培养计划项 目 1 1 5 5 一 NC E T 一 0 0 3 作者简介 赵立新 1 9 7 2 ， 男 ， 黑 龙江安达人 ， 教授 ， 博士 ， 从事 旋转分离技术 、 流体机械及工程技术研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m