天然气跨音速气水分离效率与旋流段长度确定.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 4期 石 油机械 C HI N A PE TROL EUM MACHI NERY ． ． 专题研究 天然气跨音速气水 分离效 率与旋流段 长度确定 王俊奇 张 钊 徐永高 1 ．西安石油大学石油工程学院2 ．长庆油田分公司第三采油技术服务处3 ．长庆油田分公司 摘要 天然气在喷管中从亚音速加速到跨音速状态，饱和水凝结析 出，通过三角翼后产生旋 流，进入旋流段，旋流段的气水分离效率是实现跨 音速分离的技术关键。对液滴在旋流过程 中的 受力进行分析，建立并化简液滴运动方程 ，结合旋 流过程 中的压 降，得 出气水分 离效率的计算方 法和计算流程。通过分析旋流分 离过程的影响因素，获得 了不 同分离效率下液滴直径与旋流段长 度 的关系。实例 计算表 明，随着液滴直径 的增大 ，分 离效率提 高。在给定条件下，确定旋流段长 度 为 1 8 0 m m。 关键词 天然气 跨音速 气水分离效率 旋流段 0 引 言 1 液滴运动方程的建立与简化 天然气跨音速气水分离是将天然气在喷管中加 速 ，使其从亚音速加速到跨音速状态 ，此时，将温 度降低到足以使天然气中气态 的饱和水凝结为液滴 被游离析出，进入旋流段。旋流段内放置 1 个三角 翼 ，当天然气 和凝结 液滴 以跨音 速绕三角翼 流动 时，产生高速旋转的气液两相流动。气流中的液滴 在惯性离心力的作用下向壁面运动 ，在壁面上形成 液膜 ，液膜在气流的牵引下流向下游 ，从而实现气 水分离。在文献 [ 12 ] 中，虽然对天然 气跨音 速流动中的喷管结构和绕三角翼流动的可行性和流 动规律进行了详细的研究 ，但天然气与析出的凝结 游离水进入旋流段后 的气水分离效率是实现跨音速 分离的技术关键 ] 。旋流分离器中液滴和气体在 跨音速下的两相流动 ，其动力学过程极其复杂 。． 因此 ，笔者建立并化简 了液滴运动方程 ，结合 旋流过程中的压降，得出气水分离效率的计算方法 和计算流程 ，以及不同分离效率下液滴直径与旋流 段长度的关系，并找到 了旋流段 长度 的确定方法 ， 为天然气跨音速气水分离技术 的进一步研究和应用 奠定 了基础。 液滴在管内流动时 ，受到重力 F 。 、阻力 和 压力梯度力 的作用。此外 ，由于气流速度分布 的不均匀和湍流脉动 ，液滴还会受 到附加 质量力 F A 、B a s s e t 力 FR 、S a ff m a n力 F s 以 及 Ma g n u s 力 F M 等作用 ] 0液滴的受力分析如图 1 所示。 一 I ， s F 一，。 l 图 1 液滴受力分析示意 图 根据牛顿第二定律 ；可得液滴运动方程 du p 塞 ’ 1 式 中 。 液滴速度 ，m ／ s ； 作用于液滴的单位质量的各种力，N。 针对笔者研究 的问题 ，忽略一些小的和难以计 } 基金项 目陕西省高校省级重点实验室科研项 目 “ 低渗气藏高效开发排水采 气工艺技术 研究 ” 2 O L O J S O 3 4 ；陕西省 自然科 学基金 重点项 目 “ 低渗透油藏液态气动力 压裂开采方法研究” 2 0 0 9 J Z O 1 4 。 一 1 2一 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 4期 算的力 。气液密度之比很小 ，并且气液相对加速度 不是很大，所 以不考虑 ，同样可 以忽略 ，液 滴两侧的速度相差很小 ，这样 S a f f m a n力 可以 不计 ，液滴表面与气体可忽略相对滑动 ， 不予 计算。这样 ，采用拉格朗 日的方法研究液滴的径向 运动 ，把牛顿第二定律应用于液滴运动 ，可以得出 如下关系式 簪 案 d p ， 2 三 p Lp l p 口 一 _j 订 “ 2 式中 液滴直径 ； “ 液滴速度 ； 液滴加速度 ； 液体粘度； P 、 液体密度和气体密度 ； ￡ 时间。 假设在 t 0时 ，液滴相对于气体 的运动速度 为 f f- 1 T O , 1 一 e 一 了t ／Z P e - r 3 、Pz ／ 式 中 液滴相对于气体运动的速度矢量 ； 口 外力场引起的加速度 ； ．r 液滴 的速度松弛 时间，计算可知液滴 的速度松弛时间极小 ，即 4 式中， 为气体粘度 ，则液滴 的终端速度值为 。 5 当计算径向速度时 ，式中的 n为向心加速度 ，即 0 v o ／ r 6 2 旋流过程总压 降和分 离效率 的计算 2 ． 1 总压 降 放置三角翼的管段 ，因变截面两相流旋流运动 使得压降极其复杂 ，所 以用 B a r t h给 出的旋流分离 后的两相流总压力损失计算方法_ 8 进行计算 ，即 1 2 ‘ 7 _p ＼ 一 ＼ ／ 式中 旋转气流轴 向平均速度，m ／ s ； 旋转气流切 向平均速度 ，m ／ s ； 卜无因次常数 。 2 ． 2 分离效率 总分离效率不仅取决于分离本身 ，而且还取决 于液 滴 的直径 和密度 。 因此 ，用 分级效率 来衡量 旋 流器的分离性能 ，它是指某一给定粒径范 围的分离 效率。 对于进入 、捕集和逃逸的液滴来说 ，如果相应 的体积或质量分数分别为 、 、 ， 则粒径在 一 1 和 1 之间液滴的质量平衡 方程为 d 一’ 7 8 c l 叩 c l ， - I- I一叼 c l ， 对于给定直径 的液滴 ，通过对上式积分 ，可 以得到质量平衡方程 z 1 一’ 7 ． 9 分级分离效率定义为 粒径在 一 1 与 1 之 间 ，被旋流分离器捕集的液滴与进入液滴的 比值 7 ，利用质量平衡关 系， 则有 -1_ 1_叼 1_ 1 0 因此 ，进入液滴被捕集 的总百分数为 引 ．，7 J0 叼 J0 叩 a f A 1 1 液滴分离效率计算流程见图2 。 ／输入基本参数管道半径R 、长度厶 切向 ／ ／ 和 轴向速 度 f、 液滴 直 径 表面张 力 o ／ I 在柱坐标下沿径向划分计算区 域，并计算每个圆环面NA． I 按照轴向运动速度 和分离段长度L 计算液滴分离运动 时间t ，并根据不同直径液滴的终端运动速度公式计算 在此时间内每个圆环区域内所能分离的液滴最小直径 I 根据液滴直径正态分布，用两 次积分方法计算液滴分离效率 I 引入修正系数对忽略液滴碰撞、聚并、 破裂及气体脉动做修正，并计算压障 I ／ 输出 分 离效 率／ 图2 液 滴分 离效 率计算流程 运用前面化简分析得到的速度计算公式 ，在给 定气相参数和液滴相物理性质的基础上，用轴向运 动时间控制的径向一维模型以及分级分离效率模型 2 0 1 1 年第3 9卷第4期 王俊奇等天然气跨音速气水分离效率与旋流段长度确定 一 l 3一 计算流程旋流段 内液滴相的分离效率。 3 实例计算与结果分析 根据前面的分析可知 ，旋流分离过程的主要影 响因素有气流速度 、液滴平均直径 、液滴分布和旋 流段长度。为了定量计算分离性能 ，需给定所设计 的旋流段长度 ，而旋流段长度取决于分离效率。当 液滴平均直径和分布一定时 ，根据流体绕三角翼流 动速度的变化规律 ，就可以找到旋流段长度的确定 方法。 设液滴平均直径 0 ． 7 5 Ix m，直管段半径 8 ． 8 4 5 m m，液滴轴 向速度 4 0 8 m ／ s ，气体旋流切 向速度 1 0 9 ． 5 m ／ s ，根据计算流程进行 编程计算 ，确定不 同分离效率下的旋流段长度 ，如图 3所示。 5 OO 4 50 4 00 兰 3 5 0 3 00 250 辩 1 00 50 0 图 3 旋 流段 长 度设 计 方 案 图3表示在预期的分离效率下 ，对应于不同液 滴平均直径时所需要 的旋流段长度。此图为旋流段 设计提供了基本 的依据。管段太长时压力 、速度损 失严重 ，分离效率提高效果不太明显。经过 比较分 析，最终选择旋流段长度为 1 8 0 m m 图 3中B点 。 根据以上分析，选择设计尺寸参数为 管段直 径 1 7 ． 6 9 m m，长度 1 8 0 m m。这样 ，就可以确定不 同液滴直径下的分离效率 ，如图4所示。 图4分 离效率与液滴平均直径的关 系 4 结 论 1 分离效率是旋流分 离的重要评 价指标 之 一 ，也是设计 的重点和难点之一 。由于湍流两相旋 流控制方程复杂 ，液滴受力多而且液滴 间相互作用 规律难以确定 ，所以笔者在简化的基础上结合旋流 过程 中的压降，采用分级分离效率 ，得 出了计算方 法和计算流程。 2 通过分析 旋流过程 的影 响因素 ，得 到了 不 同分离效率下液滴直径与旋流段长度的关系。分 析结果 表明 ，随着 液滴直径 的增 大，分离效率提 高 。在给定 的实例条件 下 ，确定 出旋 流段 长度为 1 8 0 mm。 3 获得 了旋流段长 度的确定方法 ，为天然 气跨音速气水分离技术的进一步研究和应用奠定了 基 础 。 参考文献 王俊奇 ，徐永 高 ，薛 中天 ，等 ，气 井井 筒跨音 速气 水分离与旋流排 液技术 [ J ]．石 油学报 ，2 0 0 6 ，2 7 5 1 1 91 2 3 ． 王俊奇 ，徐永高 ，白博峰 ，等 ．超音 速天 然气绕 三 角翼旋流的数值仿真 [ c]∥第三届工程计算流体 力学会议 论 文集 ．哈尔 滨 哈尔 滨 工业 大学 出 版 社 ．2 0 0 6 ． 郭广东 ，邓松 圣 ，张福 ．固一 液 液三 相分 离水力 旋流器现状 及发 展趋 势 [ J ]．石油 矿场机 械， 2 0 0 9 ，3 8 1 1 1 61 8 ． 孙福江，王永伟 ，张扬，等 ．新型高效离心式气 液分离器设计与试验研究 [ J ]．石油矿场机械， 2 0 0 9 ，3 8 1 1 6 0 6 4 ． 沈孟育 ．叶轮机械中的跨音速流动 [ M]．北京 科学 出版社 ，1 9 8 8 ． 徐继润，罗茜 ．水力旋流器流场理论 [ M]．北 京 科学 出版社 ，1 9 9 8 ． 褚良银，陈文梅 ．旋转流分离理论 [ M]．北京 冶金工业 出版社 ，2 0 0 2 ． 霍夫曼 A C ，斯坦因 L E ． 旋流分离器原理 、设 计和工程应用 [ M]．彭维明，姬忠礼，译 ．北京 化学工业出版社 ，2 0 0 4 ． 第一作者简介 王俊奇 ，副 教授 ，生于 1 9 6 6年 ，2 0 0 6 年毕业于西南石油大 学油气 田开发 专业 ，获 博士学 位 ，现 从事油气 田开发方面的教学与科研工作 。地址 7 1 0 0 6 5 陕 西省西安市。E m a i l w j q x a s y 1 6 3 ． e o m。 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 1 5 本文编辑丁莉萍 ] ] ] ] i ] I二