锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响.pdf

２０１４年第４３卷第１２期第８页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１４，４３（１２）８  １２文章编号１００１  ３４８２（２０１４）１２  ０００８  ０５锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响李琦１，２，罗敏１，韩传军２，杨雪２，管西旗２（１．西南油气田分公司输气管理处，成都６１０２１３；２．西南石油大学，成都６１０５００）摘要基于计算流体力学，采用ＲＮＧ犽  犲湍流模型和离散相模型，研究了锥度在１６３～１７５的天然气净化用旋风分离器的压力场、速度场分布以及分离效率。结果发现，升气管入口附近的部分区域速度和压力变化最大；锥度对筒体及小锥体区域几乎没有影响，而对升气管和大锥体的影响很大，但是并不改变流场的整体分布规律。随着锥度的增加，压降呈递减趋势。气体总速度与切向速度的变化趋势相同，均随锥度的增大而减小。在最小粒径为５μｍ时，不同锥度下旋风分离器的分离效率均为１００％，但是在顶板附近有不同程度的颗粒堆积现象。锥度为１６３和１６６时，颗粒返混现象很严重，极易造成旋风分离器的顶板腐蚀穿孔，因此不适于工程实际。在剩余的３种结构中，速度变化相差小，从压降和体积方面考虑，１７２的锥角结构最优，可较大程度减少材料耗损，节约制造成本。关键词旋风分离器；锥度；流场中图分类号ＴＥ９３１．１０１文献标识码Ａ犱狅犻１０．３９６９／ｊ檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．ｉｓｓｎ．１００１  ３４８２．２０１４．１２．００３图４套管偏梯形螺纹黑皮现象２结论１）工厂自身质量意识的提高，采购方明确的订货技术要求，相关机构对油管、套管标准化的进一步完善，将整体提升国内油管、套管的质量水平，降低用户的使用风险。２）对于采购方和制造方都应该在产品订货制造前做好相应沟通，明确相关技术参数要求，才能对产品质量有更加准确的把握，不会造成产品质量信息的不对称。３）制造企业、监督部门应针对标准中存在疑问的产品技术要求，验证、收集相关产品的质量数据，通过有效分析和证明，得出合理的油管、套管产品控制方法。４）相关工厂、标准研究者应研究或通过验证的大量数据，向ＡＰＩ标准化协会提出标准修订要求。通过专业化协会组织广泛征集意见，将标准中含糊或未明确的技术条款得到有效确认，让产品制造质量控制有据可依，进一步提升产品的质量。参考文献［１］ＡＰＩＳＰＥＣ５ＣＴ，ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＣａｓｉｎｇａｎｄＴｕｂｉｎｇ［Ｓ］．９ｔｈｅｄ．２０１１．［２］ＧＢ／Ｔ２３０．３２０１２，金属洛氏硬度试验．第３部分标准硬度块（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｋ、Ｎ、Ｔ标尺）的标定［Ｓ］．［３］李昱坤，易晓明，李京川，等．国内非ＡＰＩ油套管质量现状浅谈［Ｊ］．石油工业技术监督，２０１２，２８（６）１３  １５．［４］ＳＹ／Ｔ６８５７．１２０１２，含Ｈ２Ｓ油气田环境下碳钢和低合金钢油管和套管选用推荐做法［Ｓ］．２０１２１２  １３．［５］ＡＰＩＴＲ５Ｃ３，石油和天然气工业套管、油管、钻杆和作为套管或油管使用的管线管的性能公式及计算［Ｓ］．２００８２２  ２７．［６］ＡＰＩＳＰＥＣ５Ｂ，ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＴｈｒｅａｄｉｎｇ，ＧａｕｇｉｎｇａｎｄＴｈｒｅａｄＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆＣａｓｉｎｇ，Ｔｕｂｉｎｇ，ａｎｄＬｉｎｅＰｉｐｅＴｈｒｅａｄｓ［Ｓ］．１５ｔｈｅｄ．２００８．［７］吕拴录，姬丙寅，杨成新，等．  ２４４．５ｍｍ套管偏梯形螺纹接头犔４长度公差分析及控制［Ｊ］．石油矿场机械，２０１２，４１（６）６３  ６６．  收稿日期２０１４  ０７  １０作者简介李琦（１９８２ ），女，四川邛崃人，工程师，硕士研究生，主要从事油气储运技术和装备方面的研究和技术管理工作，Ｅ  ｍａｉｌｌ＿ｑｉ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ。犈犳犳犲犮狋狅犳犜犪狆犲狉犃狀犵犾犲狅狀犉犾狌犻犱犉犻犲犾犱犻狀犆狔犮犾狅狀犲犛犲狆犪狉犪狋狅狉狅犳犖犪狋狌狉犪犾犌犪狊犘狌狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀ＬＩＱｉ１，２，ＬＵＯＭｉｎ１，ＨＡＮＣｈｕａｎ  ｊｕｎ２，ＹＡＮＧＸｕｅ２，ＧＵＡＮＸｉ  ｑｉ２（１．犗犳犳犻犮犲狅犳犌犪狊犜狉犪狀狊犳犲狉，犜犺犲犛狅狌狋犺狑犲狊狋犗犻犾犪狀犱犌犪狊犉犻犲犾犱，犆犺犲狀犵犱狌６１０２１３，犆犺犻狀犪；２．犛狅狌狋犺狑犲狊狋犘犲狋狉狅犾犲狌犿犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犆犺犲狀犵犱狌６１０５００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃ（ＣＦＤ）ｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔａｐｅｒａｎ  ｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎ１６３ｔｏ１７５ｏｎｆｌｕｉｄｆｉｅｌｄｉｎｃｙｃｌｏｎｅｓｅｐａｒａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｆｏｒｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｕｒ  ｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＲＮＧ犽 ｅｐｓｉｌｏｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｐｈａｓｅｍｏｄｅｌｉｎＦＬＵＥＮＴｆｌｕｉｄａ  ｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｃｏｕｌｄｂｅｒｅｃｅｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｃｈａｎｇｅｓｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｗｅｒｅｏｃｃｕｒｒｅｄｎｅａｒｔｈｅｅｎｔｒａｎｃｅｏｆｒｉｓｅｒ；ａｎｄｔｈｅｒｅｗａｓａｌｍｏｓｔｎｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｓｏｍｅｃｏｎｅａｒｅａｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔａｐｅｒｓ；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔａｐｅｒｏｎｔｈｅｒｉｓｅｒａｎｄｍｏｓｔｃｏｎｅａｒｅａｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｏｕｌｄｎｏｔｂｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔａｐｅｒａｓａｗｈｏｌｅ．Ｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｇａｓ  ｓｏｌｉｄｉｓ１００％ｄｕｅｔｏｔｈｅ５μｍｍｉｎｉｍｕｍｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｂｕｔｔｈｅｒｅｉｓｓｔａｃｋｅｄｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅｃｙｃｌｏｎｅｓｅｐａｒａｔｏｒｗｈｉｃｈｉｓｓｅｒｉｏｕｓｎｅａｒｔｈｅｒｏｏｆ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｂｅｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｙｃｌｏｎｅｓｅｐａｒａｔｏｒｗａｓｃｈｏｓｅｗｉｔｈ１７２ｔａｐｅｒｗｈａｔｍｅａｎｔａ０．９２５ｍｃｏｎｅｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｄｔｈｅｌｏｗｅｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐａｎｄｌｅｓｓｍａ  ｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｕｍｉｎｇ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｃｙｃｌｏｎｅｓｅｐａｒａｔｏｒ；ｔａｐｅｒａｎｇｌｅ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ旋风分离器是一种利用离心力分离气流中固体颗粒或液滴的设备。由于其结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广，受温度、压力限制小，分离效率高等特点，已经成为输气站场上应用广泛的气固分离设备。然而，从近年清管的污物、下游设备运行情况来看，输气站场的旋风分离器除尘效果并不是十分理想。例如，在智能检测前期的清管通球过程中，排出了大量的污物；同时，由微粒粉尘冲刷作用造成的下游调压、计量设备失效，运行寿命减短等问题普遍存在。因此，研究旋风分离器的流场，提高其分离效率显得尤为重要。影响旋风分离器流场的因素包括内部的结构参数和外部的环境条件，近年来许多学者对其中的一些方面进行了研究。例如，曹晴云等［１］系统研究了不同的入口面积、排气管直径比、排尘管直径比对旋风分离器的速度和压降的影响；赵宏强等［２］利用大涡模拟，详细介绍了分离器的三维速度场；万谷军等［３］对不同温度和压力下的旋风分离器速度场进行了分析；谷瑞青等［４］等研究了升气管插入深度对分离器流场的影响；葛坡［５］等提出了一种对称多入口结构的旋风分离器，并对其流场进行了研究；朱小兵［６］等提出了一种用于钻井柴油机尾气净化的旋风分离器，完成了现场试验。目前，涉及到旋风分离器锥体结构的研究也有很多。ＸｉａｎｇＲｏｎｇＢｉａｏ等［７］研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风分离器的影响情况；王清华等［８］总结了不同的锥体结构及其影响；查文炜、李昌剑等［９  １０］的结构优化设计中涉及到了锥体的相对尺寸。但是并没有涉及到锥度对其流场的具体影响。锥度是旋风分离器的一个重要结构参数，它连接着圆筒体和锥体，是结构突变的转折点，因此对流场的影响不可忽视。本文以计算流体力学为基础，利用ＦＬＵＥＮＴ的ＲＮＧ犽 ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型和ＤＰＭ离散相模型，研究不同锥度下旋风分离器的流场分布情况及分离效率。旨在找出最佳锥度，为旋风分离器的结构优化提供参考。１计算模型１．１计算方法旋风分离器的流场计算模型一般由气相流场和两相流场［１１］组成。由于旋风分离器内流体所做的是强旋流的湍流运动，其雷诺数很高，因此在计算过程中，连续相选择ＲＮＧ犽 ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型，离散相采用ＤＰＭ模型。１．２几何模型及网格划分采用文献［１２］中的几何模型，是１个直切式入口结构的旋风分离器。其筒体直径为０．３６ｍ，入口尺寸为０．１８ｍ０．０９ｍ，排尘口直径为０．１０ｍ，排气管直径为０．１４４ｍ，锥度为１７２，升气管底面中心为坐标原点。采用非结构网格对计算区域进行划分，减少网格数量，提高质量。图１为旋风分离器的几何结构和计算模型。９第４３卷第１２期李琦，等锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响  ａ几何模型ｂ网格划分图１旋风分离器的分析模型１．３边界条件设置由于是模拟输气站场上用旋风分离器的流场，因此气相设置为甲烷，粉尘用与天然气输气管道所含粉尘粒径分布接近的８００目的滑石粉，其密度为２７００ｋｇ／ｍ３［１３］。流场计算时采用ＳＩＭＰＬＥ算法、ＰＲＥＳＴＯ压力插补格式和ＱＵＩＣＫ差分格式。气相入口边界条件选择Ｖｅｌｏｃｉｔｙ＿ｉｎｌｅｔ，速度为２０ｍ／ｓ。气相出口设置为ｏｕｔｆｌｏｗ，直接与大气相连。颗粒的进入设置为面射流源，其入口速度与气相相同，可以避免产生相对速度滑移。颗粒加入量０．０３ｋｇ／ｓ，粒径分布满足Ｒｏｓｓｉｎ  Ｒａｍｍｌｅｒ，中位粒径取１０μｍ。升气管出口设置为逃逸（ｅｓｃａｐｅｄ），锥底灰斗出口设置为捕捉（ｔｒａｐｐｅｄ）［１４］。理论上，不同的锥度会对旋风分离器的压力场和速度场造成影响。保持其他条件不变，选择不同的锥度进行数值模拟，从而得到流场随锥度的变化规律，找出最佳锥度。文献［１１］中给出了１６种旋风分离器的结构，通过测量可以得到其锥度取值为１６３～１７５。对文献［１］～［１５］所取的旋风分离器结构进行验证，可以知道锥度均在这一范围内。表１列出了本文所取的锥度，并通过调整旋风分离器的锥体总长度来改变其大小。表１旋风分离器的锥度及对应长度锥度／（）１６３１６６１６９１７２１７５锥长／ｍ０．４２５０．５２１０．６６９０．９００１．４８６２计算结果分析２．１计算模型验证数值求解和分析的结果需要与实际的现象、数据比较，检验模型的合理性和适用性，这对模型是否有用非常关键。为了验证本文的模型，将气相流场的数值计算结果与试验结果进行对比，用不同气相入口流量（控制在９５０～１３５０ｍ３／ｈ）下总压降的变化与文献［１４］中的试验数据进行比较，如图２所示。从图２中可以看出，模拟压降与试验压降的值基本吻合。图２模拟压降与试验压降对比２．２锥度对压力场的影响压降是衡量旋风分离器性能的一个重要指标，其值越小，则能量损失越小。图３给出了不同锥度对旋风分离器压力场的影响。在图３ａ中可以看出动压是通过旋流运动，由静压转化而成的。在轴向位置狕＝０ｍ（轴向向下为正）即升气管入口附近，动压最大，静压最小，说明此处旋流运动最强烈。ａ锥度为１７２下的流场压力分布０１石油矿场机械２０１４年１２月  ｂ不同锥度下的动压分布ｃ不同锥度下的静压分布ｄ不同锥度下的总压分布图３锥度对压力场的影响不同的锥度下，压力分布走向一致，但是数值上有较大差异，尤其是在升气管和锥体部分。狕＞０．５ｍ以后的分离区域，由锥度引起的动压大小交替变化，规律不明显，如图３ｂ所示，说明锥体分离空间长度的改变使流体旋流中心发生不规则变化。从图３ｃ和图３ｄ可以看出，静压和总压的分布比较规律，其值总体上随锥度的增加而降低。在分离器升气管出口处，１７５锥度下的静压最小，表２给出了５个锥度下旋风分离器的压降。可见，随着锥度的增加，压降逐渐减小。表２不同锥度下旋风分离器的压降值锥度／（）１６３１６６１６９１７２１７５压降／Ｐａ１３７７１２４４１１４４１０７５１００８２．３锥度对速度场的影响流体在旋风分离器内部做的是三维强旋流的湍流运动，流动状态相当复杂。旋转速度越高，颗粒被离心力送到壁面的概率越高，分离效率也越好。图４给出了不同锥度下旋风分离器内部速度场的分布。从图４可以看出，总速度和动压的分布相似，进一步说明了动压是由旋流运动产生。切向速度最大，占据主导地位，其走向与总速度近似一致；径向速度在零点上下波动，正负交替变化，表现出较强的不稳定性。随着锥度的变化，旋风分离器的三维速度场发生了较大的变化。在狕＝０ｍ（即升气管入口处）的附近区域，总速度和切向速度有最大值。锥度增加，在狕＞０．５ｍ（轴向向下为正）的区域，速度变化规律性不强，总速度出现多个波峰、波谷。１６３时升气管出口的总速度最大，为３１．６８ｍ／ｓ，而１７５时最小，为２８．６１ｍ／ｓ。切向速度与总速度的分布规律相似，随着锥度的增加而减小，从１６３的２３．９４ｍ／ｓ降低到１７５的１９．６３ｍ／ｓ。从图４ｄ可以看出，在前面４个锥度下，轴向速度的变化很接近。ａ锥度为１７２的流场各向速度ｂ不同锥度下的总速度ｃ不同锥度下的切向速度１１第４３卷第１２期李琦，等锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响  ｄ不同锥度下的轴向速度图４锥度对速度场的影响３锥度对分离效率的影响分离效率是衡量旋风分离器性能的最重要的指标。通过设置最小粒径为５μｍ，最大粒径为１０ μｍ，得到不同锥度下旋风分离器的分离效率均为１００％。同时追踪了不同锥度下颗粒的流动轨迹，如图５所示。可以看出，在θ＝１６３和θ＝１６６时，颗粒出现了返混现象，在顶板附近和锥底一直做旋流运动，而其余３种情况颗粒轨迹相差不大。虽然没有颗粒随气体流出升气管，但是分离器内部有不同程度的颗粒堆积，这种情况在旋风分离器的顶板附近最为严重，即大量的颗粒在此处做旋流运动，并未向下排出，会对旋风分离器的使用性能造成影响，增加顶板的腐蚀率，减短分离器的使用寿命。可以看出，锥度越小，顶板附近的返混现象越严重。图５锥度对颗粒轨迹的影响４结论１）锥度的变化对升气管和锥体部分区域流场的影响很大，而分离器筒体部分受锥度的影响相对较小。２）随着锥度的增加，压降呈递减趋势。３）旋风分离器流场的总速度与切向速度的变化趋势相同，均随锥度的增大而减小。４）粉尘粒径为５～１０μｍ的情况下，不同锥度下旋风分离器的分离效率均为１００％，但是在顶板附近有不同程度的颗粒堆积现象，锥度为１６３和１６６时最严重，极易造成旋风分离器的顶板腐蚀穿孔，因此该锥度结构的旋风分离器不适用于工程实际应用。５）锥度为１６９、１７２、１７５结构的３种旋风分离器，速度变化仅相差１～２ｍ／ｓ，故主要从压降方面考虑。１７２的锥角结构最优，能较大程度减少材料耗损，节约成本。参考文献［１］曹晴云，姬广勤，金有海，等．不同结构参数下旋风分离器气相流场的数值研究［Ｊ］．流体机械，２００８，３６（６）３４  ３８．［２］赵宏强，郭艳，蒋海华．旋风分离器内速度场的数值模拟研究［Ｊ］．现代制造工程，２０１０（４）６２  ６６．［３］万古军，孙国刚，魏耀东，等．温度和压力对旋风分离器内气相流场的综合影响［Ｊ］．动力工程，２００８，２８（４）５７９  ５８４．［４］谷瑞青，陶华东．升气管插入深度对旋风分离器流场影响的数值模拟［Ｊ］．化工时刊，２０１３，２７（４）６  ８．［５］葛坡，袁惠新，付双成．对称多入口型旋风分离器的数值模拟［Ｊ］．化工进展，２０１２，３１（２）２９６  ２９９．［６］朱小兵，吕瑞典，何娟，等．钻井柴油机尾气净化装置研制［Ｊ］．石油矿场机械，２０１２，４１（６）７５  ７７．［７］ＸｉａｎｇＲｏｎｇｂｉａｏ，ＰａｒｋＳＨ，ＬｅｅＫＷ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｅｄｉ  ｍｅｎｓｉｏｎｏｎｃｙｃｌｏｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．Ｊ．ＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉ，２００１（３２）５４９  ５６１．［８］王清华．旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势［Ｊ］．锅炉技术，２００７，３８（２）５  ９，２７．［９］查文炜，葛友华，倪文龙，等．基于ＣＦＤ的旋风分离器的结构优化设计［Ｊ］．机械工程师，２０１０（１２）４４  ４６．［１０］李昌剑，陈雪莉，于广锁，等．基于响应曲面法径向入口旋风分离器的结构优化［Ｊ］．高校化学工程学报，２０１３，２７（１）２４  ３１．［１１］霍夫曼ＡＣ．旋风分离器原理、设计和工程应用［Ｍ］．北京化学工业出版社，２００４．［１２］赵新学，金有海．排尘口直径对旋风分离器壁面磨损影响的数值模拟［Ｊ］．机械工程学报，２０１２，４８（６）１４２  １４８．［１３］吴小林，熊至宜，姬忠礼．天然气净化用旋风分离器气液分离性能［Ｊ］．化工学报，２０１０，６１（９）２４３０  ２４３６．［１４］赵新学，金有海．基于ＣＦＤ的旋风分离器壁面磨损数值预测［Ｊ］．石油机械，２０１０，３８（１２）４２  ４５．［１５］惠胜利，姬广勤，金有海，等．循环流化床锅炉用旋风分离器性能的试验研究［Ｊ］．粉体加工与处理，２００８，１４（２）４２  ４４．２１石油矿场机械２０１４年１２月 

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