超声速旋流分离器内天然气液化过程研究.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 5期 石 油机械 C HI N A P E T R OL E U M MA C H I N E R Y 一8 7 一 ●油气 田开发工程 超声速旋 流分离器 内天然气 液化 过程研 究 杨 文 曹学文 赵联祁 吴兰杰 1 ．中国石油大学 华东储运与建筑工程学院2 ．中国石油新疆油田公司采气厂 摘要 目前关于超声速旋流分离器 内天然气凝 结液化过程 的研 究较少 ，为此，通过数值模拟 计算对 L a v a l 喷管内气体凝结液化过程进行研 究，并分析 喷管结构对凝结液化的影响。研 究结果 表 明，甲烷气体在喷管内发 生了自发凝结现象 ，但凝结冲波现象并不 明显，这与 甲烷气体凝 结过 程液滴生长较慢且凝结潜热较小有关；随着喷管膨胀率的增大，气体过冷度增加越快，其能更早 达到凝结液化条件 Wi l s o n点 ；喷管 内最大成核率、液滴数 目及 湿度 液化率 均随膨胀率 的 增大而增大，膨胀率从6 0 0 0 s 增大到 1 2 0 0 0 s 。 。 ，成核率最大值增加 1 5 4 ． 8 ％，液滴数 目增加 7 9 ． 5 ％ ．喷管出口湿度增加 5 1 ． 7 ％ ，较大程度提高 了液化率；对于扩张段长度 固定 的喷管 ，过大 膨胀率将 导致气体温度或压力低于三相点而无法液化 ；不 同膨胀 率及不 同入 口条件下液化率均较 低 ，需进一步开展 多级液化研究。 关键词 超声速旋流分 离器 ；天然气液化； 中图分类号 T E 8 6 文献标识码 A d o i S t ud y o n Na t ur a l wi t h i n S up e r s o 喷管；膨胀率； 自发凝结 ；数值模拟 1 0 ． 1 6 0 8 2 ／ j ． c n k i ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 0 Ga s Li q u e f a c t i o n P r o c e s s n i c Cy c l o n e Se pa r a t o r Y a n g we n C a o X u e w e n Z h a o L i a n q i Wu L a n j i e 1 ． c o z z e o f P ip e l i n e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m H u a d o n g ；2 ． G a s P r o d u c t i o n P l a n t of X i i a n g O e C o m p a n y ，C N P C Abs t r a c t Fe w s t ud i e s h a v e b e e n c o n d uc t e d o n t h e n a t u r a l g a s c o n d e n s a t i o n a n d l i q u e f a c t i o n p r o c e s s wi t hi n s u p e r s o n i c c y c 1 o ne s e p a r a t o r ．T he na t u r a l g a s c o n de n s a t i o n a n d l i q u e f a c t i o n pr o c e s s wi t h i n t he L a v a l no z z l e i s r e s e a r c h e d b v n u me r i c a 1 s i mu 1 a t i o n a n d t h e e f f e c t o f t h e n o z z l e s t r u c t u r e o n t h e c o n d e n s a t i o n l i q u e f a c t i o n i s a n a ’ l y z e d ．T he r e s u I t s s ho w t ha t t h e me t h a n e g a s c o n d e n s e s s p o n t a ne o u s l y i n t h e no z z l e ．Bu t t h e c o n d e ns a t i o n s ho c k wa v e s ph e n o me n o n i s n o t o b v i 0 u s l y， wh i c h i s a r e s u l t o f t he s l o w d r o p l e t g r o wt h a nd l i t t l e l a t e nt h e a t o f c o n d e n s a t i o n d u r i n g me t h a n e g a s c o n d e n s a t i o n p r o c e s s ． Wi t h t h e n o z z l e e x p a n s i o n r a t e i n c r e a s e s ，t h e g a s u n d e r c o o l i n g l n c r e me n t b e c o me s l a r g e r ． a n d t h e g a s w i l l r e a c h i t s c o n d e n s a t i o n l i q u e f a c t i o n c o n d i t i o n s Wi l s o n p o i n t s o o n e r ． T h e ma x i m u m n u c l e a t i 0 n r a t e ．t h e n u mb e r o f d r o p l e t s a n d h u m i d i t y 1 i q u e f a c t i o n r a t e w i t h i n t h e n o z z l e i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e 0 f e x D a n s i 0 n r a t e ．W h e n t h e e x p a n s i o n r a t e i n c r e a s e f r o m 6 0 0 0 s t o 1 2 0 0 0 s ， t h e ma x i mu m n u e l e a t i 0 n r a t e ．t h e n u mb e r o f d r o p l e t s a n d t h e n o z z l e o u t l e t h u mi d i t y wi l l r e s p e c t i v e l y i n c r e a s e 1 5 4 ． 8 ％ ，7 9 ． 5 ％a n d 5 1 ． 7％ ． t h u s g r e a t l y i mp r o v i ng l i q ue f a c t i o n r a t e ． Fo r t h e fix e d l e n g t h e x pa n s i o n n o z z l e， e x c e s s i v e e x p a ns i o n r a t e wi l l ma ke t he g a s t e mp e r a t u r e o r p r e s s ur e l o we r t h a n t h e t r i p l e p o i n t ， a n d u n a b l e t o l i q u e f y t he g a s ．L o we r l i q u e f a c t i o n r a t e wi l l b e o b t a i ne d u n d e r d i ffe r e n t e x p a ns i o n r a t e a n d s e a r c h ne e d t o b e f u r t h e r s t u d i e d ． i n l e t c o n d i t i o n s， s o t h a t mul t i s t a g e l i q u e f a c t i o n r e 一 基金项 目国家 自然科学基金项 目 “ 基于流体高速膨胀特性的天然气液化机理研究” 5 1 2 7 4 2 3 2 ；国家 自然科学 基金项 目 “ 基 于超 音 速膨胀过程的天然气脱 c O 2过程机理研究” 5 1 4 0 6 2 4 0 。 石 油机械 2 0 1 5年第 4 3卷第 5期 Ke y wo r d s s up e r s o n i c c y c l o n e s e p a r a t o r ； c o n de n s a t i o n； n u me r i c a l mo d e l i n g 0 引 言 传统的天然气液化工艺包括级联式循环 、混合 制冷剂循环及膨胀机制冷循环 3种_ 1 - 2 1 。其中级联 式循环技术较为成熟 ，但其机组及附属设备多 ，流 程 、管道及控制系统复杂 ，维护不便 ；混合制冷剂 循环相对于级联式循环简化了流程 ，克服了系统复 杂的缺点 ，但合理的制冷剂配 比获取较为困难 ；膨 胀机制冷循环流程简单 、操作容易 、维修方便 ，但 其能耗大 ，低温下高速运转的透平膨胀机的可靠性 较差 ，维护费用高。 超声速旋流分离器较节流 阀和膨胀机等具有更 高的膨胀效率 ，利用膨胀液化机理实现等熵膨胀 ， 可以有效地提高天然气的液化率 ，从而代替传统的 天然气液化循环 中的节流 阀和膨胀 机制冷分离设 备。曹学文等 曾结合 F l u e n t 软件及 H y s y s 软件对 超声速旋流分离器 内天然气液化 过程做 了初步研 究 ，在不考虑微观凝结的情况下 ，计算了旋流分离 器内压力 、温度分布 ，结合相图 ，认为天然气能够 成功液化。孙恒等 。 对采用 3 S分离器 的天然气 液化过程进行了分析，从宏观上研究对 比了其与 J T阀和膨胀机 的液化率 ，认为采用 3 S分离器优 势较为明显 ，入 口压力为 7 M P a 、温度为 1 9 3 K的 甲烷气体 ，液化率 可达 5 0 ％左右。在宏观研究基 础上 ，结合气 、液相流动控制方程组 ，液滴凝结模 型、液滴生长模 型 、U D F 用户 自定 义 函数 程 序和 U D S 用户 自定义标量输运方程 ，利用 F l u e n t 对超声速旋流分离装置 内气体微观凝结液化过 程进行研究 ，并分析 了结构对液化过程及液化率的 影 响。 目前关于超声速旋流分离器内天然气凝结液 化过程研究较少 ，笔者 曾对 甲烷气体在喷管 内的凝 结过程进行 了研究 ，下 面将在此基础上进 一步 分析喷管结构对其液化过程的影响。 1 结构与原理 超声速旋流分离器 见图 1 主要 由旋流发生 器 、L a v a l 喷管 、旋流分离段 和扩压段等组成 ，天 然气凝结液化过程主要发生 L a v a l 喷管内。气体进 入 L a v a l 喷管 ，并在喷管扩张段加速至超声速 ，形 成低温低压 区域 ，使得气体液 化。在旋流场作用 下 ，液相从液相出口排出，低温干气从气相出口排 出。笔者在此主要研究超声速旋流分离器内凝结液 化过程 ，暂不考虑气液分离过程 ，因此 ，在无旋流 情况下 ，研究了 L a v a l 喷管内甲烷气体凝结液化过 程 ，并分析喷管结构对该过程的影响。 气 相 入 13 1 2 液 相 出口 3 气相 出 口 1 --L a v a l 喷管；2 一旋流分离段 ；3 一扩压段。 图 1 用于天然气液化的超 声速旋流分 离器结构示意 图 F i g ．1 The s t r u c t u r a l s c he ma t i c d i a g r a m o f s u pe r s o n i c c y c l o n e s e p a r a t o r f o r na t ur a l g a s l i q ue f a c t i o n 以人 口压 力 2 MP a 、入 口温 度 1 8 0 K、入 口流 量 5 0 0 0 m ／ h工况 ，结合双三次曲线法 、B WR S状 态方程和等膨胀 率设 计方法 ，自行设 计膨胀 率 定义为沿喷管轴向每单位距离 中气体压力降低 的 数值 分别为 6 0 0 0 、8 0 0 0 、1 0 0 0 0和 1 2 0 0 0 S 的喷管结构 喷管喉部均在 0 ． 3 5 5 6 m处 ，各 喷管结构及其结构参数如图 2所示。 2 a ． 膨胀率6 0 0 0 S ～ b ． 膨胀率8 0 0 0 S C ． 膨胀率1 0 0 0 0 S d ． 膨胀率1 2 0 0 0 S 图2 喷管结构及其结构参数 2 0 1 5年第 4 3卷第 5期 杨 文等 超声速旋流分 离器内天 然气液化过程研 究 一 9 1一 图7不 同膨胀 率喷 管 内湿度 分布 Fi g ． 7 Hu mi d i t y di s t r i b u t i o n wi t hi n t h e n o z z l e wi t h d i f f e r e nt e x pa n s i o n r a t e 以上研究结果表明 ，可通过增大扩张段膨胀率 以获得更高的天然气液化率。但随着喷管膨胀率的 增大 ，对于具有相同扩张段轴线长度喷管 ，其 出口 马赫数也越大 见图 8 ，根据气体动力学理论可 知，温降和压降也增大。温降和压降的增大可使得 气体温度或压力低于三相点而处于无法液化的状态 见图9 ，这将制约喷管 的凝结液化过程 。对于入 口参数为 2 M P a和 1 8 0 K情况 ，喷管最大膨胀率可 取为 1 7 0 0 0 s 一，对应湿度为 7 ． 5 0 ％ ，液化率较低 。 图 8 喷管轴 线出 口马赫数 分布 F i g ． 8 Ma c h n u mb e r d i s t r i b u t i o n o f a x i s e x i t o f n o z z l e 图9 甲烷单组分相图及喷管内p - T曲线 Fi g ． 9 Ph a s e d i a g r a m o f me t h a ne mo no c o mp o n en t a n d P T e n r v e wi t hi n n o z z l e 提高气体喷管人 口压力时，由于 比热 比值的增 大而导致必须提高人 口温度 ，最终使得液化率变化 较小 。因喷管具有 扩压段 ，可将 出 口干气压 能 回 收 ，建议开展多级超声速旋流分离装置串联液化研 究 ，以提高天然气液化率 。 4 结 论 基于欧拉一 欧拉双 流体模型 ，建 立气 、液 相流 动控制方程组 ，结合选取的数值计算方法 ，对喷管 内甲烷气体的凝结液化过程进行 了数值模拟研究 ， 并分析了喷管膨胀率对凝结参数的影响，得到以下 结论 。 1 从温度和压 力 曲线可知 ，甲烷气体 自发 凝结过程 中发生 的凝 结 冲波现象不 明显 ，究其 原 因，可能为 甲烷气体凝结过程所生成液滴生长速率 较慢 ，且甲烷的凝结潜 热较小 相对 于水 蒸气 ， 从而使得所释放的总凝结潜热较少，对周围气体的 加热影响不大。 2 可通过提高喷管膨胀率促进天然气液化， 随着 喷管膨胀率 的增大 ，气体过冷度增加越快 ，使 其更早达到 Wi l s o n点 ，最 大成核率 、液滴数 目及 喷管出口湿度均增大 。但过大膨胀率将使得温降和 压降过大 ，从 而可能使气体温度或压力低于三相点 而 导致 无法 液化 。 3 单级超声速旋流分离装置液化率低 ，因该 装置具有压能回收的功能，可考虑采用多级 串联 的 方式 以提高液化率 ，对此需开展进一步研究工作。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 曹文胜 ．小 型 L N G装 置 的预 处理 与 液化 流程 研究 [ D]．上海上海交通大学机械与动力工程学 院， 20 08 ． 鲁凯 ．一种小型混合制冷剂循环气体液化系统的研 究[ D]． 广 州 中山大学 ，2 0 1 0 ． W e n Chu a n g， Ca o Xu e we n， Ya n g Ya n， e t a 1 ．An n n c o n v e n t i o na l s up e r s o ni c l i q ue f i e d t e c h no l o g y f o r na t u r a l g a s[ J ]． E n e r g y E d u c a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy Pa r t A En e r gy Sc i e n c e a n d Re s e a r c h， 2 01 2， 3 0 1 6 5 16 6 0 ． 孙恒 ，舒丹 ，朱 鸿梅 ．采用 3 s 分 离器的天然气液化 过程 的参 数 分析 [ J ]．低 温与超 导，2 0 1 0 ，3 8 32 52 7 ． 孙恒 ，朱鸿梅，舒丹 ． 3 s技术在天然气液化中的应 用初探[ J ] ．低 温 与 超 导 ，2 0 1 0 ，3 9 1 1 4 1 6． 下转第 1 0 0页