劉興偉 劉中良 鮑玲玲

(1北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100124)

(2中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司 北京 100013)

1 引言

天然氣超音速脫水技術［1-4］將膨脹機、分離器和壓縮機的功能集中到一個管道中，形成體積小、質量輕、成本低、可靠性高的脫水橇裝裝置。該技術將成為甘醇脫水和透平膨脹機法之后的更經(jīng)濟、更可靠的脫水技術，是當今天然氣脫水技術發(fā)展的必然趨勢。目前已經(jīng)有大量學者針對該技術展開了研究，劉恒偉［5］以濕空氣為工質，根據(jù)渦流管的基本結構和工作原理搭建了中國國內第一個超音速分離管室內試驗臺，并首次對超音速分離管技術進行了較為系統(tǒng)深入的理論和實驗研究。蔣文明［6］利用新型天然氣超音速脫水凈化裝置進行了現(xiàn)場試驗，結果顯示超音速分離管不僅可以進行脫水處理還可進行輕烴回收工作。馬慶芬［7］等研制了錐芯超音速旋流分離裝置，并進行了相應的實驗研究。曹學文［8-9］等設計的超聲速旋流分離器將靜態(tài)導向葉片安裝在拉伐爾噴管之前，并針對此種旋流前置型結構進行了實驗和數(shù)值方面的研究。龐會中［10］、鮑玲玲［11］等也對超音速分離管進行研發(fā)改進，改進后的裝置在分離效果方面有一定程度的提高。

目前對分離管采用實驗研究存在一定的困難，數(shù)值計算方法(CFD)則可以方便的對分離管內的流動進行研究。蔣文明［12］針對超音速分離管的基本結構和分離機理，對裝置內部流動進行了合理假設，建立了二維幾何模型，對分離管內部的激波和旋流現(xiàn)象進行了研究。Bart Prast［13］等人利用CFD模型對Twister分離管進行改進，并且利用實驗手段對CFD模型進行了驗證。文闖［14］采用RSM模型對超音速分離管的擴壓段進行研究，研究結果顯示超音速分離管在較高壓力恢復率下采用圓錐形擴壓管可以得到較好的分離效果，同時研究了旋流對激波位置的影響。Jassim E［15-16］利用計算流體力學的方法研究高壓天然氣在超音速噴管中的流動情況，并且考慮實際氣體狀態(tài)對流動的影響，采用精確的狀態(tài)方程建立計算模型并與按理想氣體建立的模型結果進行比較，同時分析了激波位置的變化情況。

目前該技術的旋流分離效率遠未達到理想的效果，需要進一步配合優(yōu)化，而詳細了解超音速分離管內部流場變化對結構優(yōu)化起到非常關鍵的作用。因此，本研究結合熱力學和氣體動力學基本理論對分離管各部分進行優(yōu)化設計，克服原有分離管［5，17］不足，提出一種新型超音速分離管結構，使各部分之間銜接的更加緊密，同時采用三維數(shù)值模擬方法對分離管內部的高速旋流流場進行研究。搭建了室內實驗臺，分別以飽和濕空氣和干空氣為工質對新結構進行試驗，分析壓損比和露點降等參數(shù)對分離效率的影響。

2 超音速分離管的工作原理及結構設計

天然氣超音速脫水技術基本工作原理:首先利用Laval噴管的膨脹降壓效應將高壓(低速)混合氣體變?yōu)榈蛪焊咚贇怏w。在高壓-低壓轉變過程中，氣體膨脹、提速、降溫。隨著溫度的降低，天然氣中的水和重質烷烴組分變成態(tài)凝析出來。從Laval噴管出來的氣液混合物進入旋流段，此階段由于高速旋轉作用產生強大的向心力，使液體顆粒從氣液混合物中分離出來。最后，脫掉水分和重質烷烴組分的干氣流進入擴壓管，將高速、低壓氣流，恢復為高壓低速氣流。

超音速分離管如圖1所示在主體結構上仍然沿用原有分離管［5，17］部分:Laval噴管、直管段、旋流段、擴壓段。但是在旋流器的安放位置上做了改變，同時旋流器的結構也做了相應的變化。旋流器的作用是產生高速旋流，使氣液兩相在不同離心力作用下產生分離。超音速分離管旋流器部分的設計既要達到產生高速旋流的目的，又要注意和其它的部件相協(xié)調。原有噴管旋流段中有的旋流器位置過于靠后，這樣就會使通過Laval噴管凝結以后的液滴顆粒在直管段出現(xiàn)明顯降速，旋流長度過短使高速流動中氣液來不及完全分離，削弱旋流分離的作用;原有旋流器設計過于復雜，加大了流動阻力也不利于氣液分離同時會使?jié)駳獬隹诋a生過多的分流。為了克服這些不足新分離管旋流器固定在直管段的入口處，旋流器采用單片螺旋結構，這樣既可以使膨脹加速后的流體產生充分旋流，也克服了旋流阻力過大的問題。

圖1 新型超音速分離管內部工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of working principle for new supersonic separator

3 數(shù)值模擬

研究通過對超音速分離管的計算區(qū)域和湍流模型進行合理的處理，建立三維CFD模型，借助求解器(Fluent14.0)設計合適的算法對超音速分離管內部三維流場進行模擬計算。所建立的物理模型具體尺寸如表1所示。

表1 分離管各段的基本尺寸Table 1 Basic dimensions of each part mm

為了避免一些不相關因素的干擾，在此模擬過程中進行一些基本的假設:(1)管內流動為穩(wěn)定流動;(2)分離管內部流動沒有內熱源存在;(3)管內工作介質可壓縮氣體;(4)分離管絕熱良好，管壁與外界無熱量交換。

3.1 控制方程和湍流模型

分離管中的流動要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。考慮管內高速旋轉膨脹流動，必須選擇合適的湍流模型才能準確預測分離管內的旋流和分離過程，F(xiàn)LUENT14.0提供了相關的控制方程和湍流輸運方程。在綜合對比不同的湍流模型的優(yōu)劣后，選用realizable k-ε模型可以獲得較好的預測結果。

3.2 邊界條件和離散格式的選擇

模擬中分離管的入口邊界條件設置為壓力入口邊界條件，入口壓力變化范圍為0.4ˉ0.71 MPa，溫度設定為301.15 K，在設置入口邊界條件時需要同時確定湍流強度和水力直徑。經(jīng)過計算得出超音速分離管中的流動具有較高的旋流強度，模擬中設置的旋流強度為3.0%，水力直徑為0.036 m。出口也設置為壓力出口邊界條件，數(shù)值為0.21ˉ0.53 MPa。

求解過程中選擇壓力-速度耦合算法進行區(qū)域離散化后的計算。壓力插值格式選擇SIMPLE算法，能量、動量、密度項等選用二階迎風格式確保計算精度。為準確反映分離管內部流場的特性根據(jù)初步計算結果，針對旋流器附近的流場采用梯度自適應函數(shù)進行流場的修正，這樣可以更好的預測高速流體流過旋流器產生的溫度突變和壓力跳躍現(xiàn)象。

3.3 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

超音速分離管數(shù)值模擬的計算區(qū)域為整個分離管的內部流動，考慮分離管內部流場的復雜性，將分離管的計算區(qū)域分成6部分進行網(wǎng)格劃分，采用3種網(wǎng)格類型，各部分之間采用interface界面進行銜接，以保證各部分不同網(wǎng)格類型之間的數(shù)據(jù)可以順利流通。各部分的網(wǎng)格類型如圖2所示。

圖2 主體計算網(wǎng)格及分區(qū)網(wǎng)格示意圖Fig.2 Main computational grid and grid partition schemes

通過網(wǎng)格無關性驗證，得出當劃分網(wǎng)格數(shù)在10萬、50萬、80萬和100萬時，Laval噴管軸心處的壓力變化如圖3所示，可看出當網(wǎng)格數(shù)達到80萬以上時，計算結果基本上不再變化，因此模擬中所采用的網(wǎng)格數(shù)為815 005個。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下Laval噴管段的壓力變化曲線Fig.3 Pressure contrast with different grid number in Laval nozzle section

3.4 數(shù)值模型的驗證與確認

為了檢驗所建立數(shù)值模型的有效性。將數(shù)學模型應用在已有實驗裝置［5，17］得出數(shù)值結果，圖3顯示了數(shù)值計算結果與實驗結果［5］的對比曲線。

實驗中的工質為飽和濕空氣，從對比結果(圖4)中看出采用數(shù)值模擬所得到的溫度與文獻［5］所得到的溫度有一定的偏差，產生的原因是其內部的Laval噴管膨脹降溫效應使得溫度變得很低，此時氣體的狀態(tài)將偏離理想狀態(tài)，從而影響計算結果。但從整體流動來看模擬結果和實驗結果變化趨勢是一致的，因此對比結果可以說明采用本文的模型來計算超音速分離管內部流場的參數(shù)分布是可行的。

圖4 超音速分離管在壓損比為75%時數(shù)值結果與實驗結果的對比Fig.4 Comparison of simulation result versus experimental results

3.5 模擬結果與分析

將數(shù)值模型應用于新型超音速分離管，得到的三維溫度分布如圖5，可以看出在Laval噴管的漸擴段出現(xiàn)低溫，說明該分離管具有顯著的降溫效果。

圖5 超音速分離管內部溫度場分布Fig.5 Temperature distribution inside supersonic separator

選取分離管軸心線上的參數(shù)(包括壓力、溫度、馬赫數(shù)和湍動能)進行分析。圖6和圖7給出了軸心線上不同參數(shù)的變化，可以看出沿著軸向位置溫度和壓力在Laval噴管的漸擴段達到最低值，此時該處的馬赫數(shù)也達到最大為1.74。同時可以看出在距入口100 mm處發(fā)生較為明顯的激波。從圖7中的變化曲線關系可以看出在流動中存在較為劇烈的湍流波動現(xiàn)象。沿流動方向出現(xiàn)的第一次湍流增強點是由于Laval噴管的膨脹降溫過程引起的流動不穩(wěn)定造成的;在固定旋流器位置處湍動能變得更強，因為高速流體到達旋流器時由于旋流葉片的導向作用使湍流脈動現(xiàn)象加劇;在直管段由于該部分具有整流作用該段引起的湍流變化較小，而當流體通過濕氣支管分離出一部分流體同時由于擴壓管逆壓梯度作用此處湍流脈動現(xiàn)象又會變得更加劇烈。研究討論超音速分離管不同截面上的參數(shù)分布，所截取參考面的具體位置如表2所示。

圖6 軸向壓力、溫度變化曲線Fig.6 Pressure and temperature distribution along axial direction

圖7 軸向馬赫數(shù)、湍動能變化曲線Fig.7 Mach number and turbulence kinetic energy distribution along axial direction

表2 所取截面名稱及各截面的具體位置Table 2 Names and positions of each section

圖8中看出不同截面上壓力變化差別較大，在Laval噴管喉部(s-a截面處)由于流通面積縮小引起的壓力突變現(xiàn)象比較明顯;s-b為激波發(fā)生的位置此截面的壓力比較低，s-j截面為濕氣分離處流量的變化使的壓力再次出現(xiàn)變化;從溫度沿徑向分布的情況(圖9)可以看出分離管各截面中心處的溫度比外層的溫度要高，這種溫度分層現(xiàn)象對高速流動中的凝結分離是有利的，因為超音速分離管產生膨脹凝結后，由于旋流器產生離心力作用外層流體團中積聚大量凝結成核的微小液滴，當外層溫度低于內層溫度時，可以避免在分離整流段由于摩擦及二次流引起的液滴二次蒸發(fā)現(xiàn)象。

圖8 各截面處徑向壓力的變化關系Fig.8 Pressure distribution along radial direction at different sections

圖9 各截面處溫度的變化關系Fig.9 Temperature distribution along radial direction at different sections

速度大小對于超音速分離管的分離效率有很重要的影響，速度可以通過馬赫數(shù)體現(xiàn)，因此觀察各截面馬赫數(shù)的變化(圖10)可以發(fā)現(xiàn)除了截面s-d處其余截面馬赫數(shù)的變化規(guī)律是一致的，即沿軸心到壁面處先增加至一極值，而后又會降低;在馬赫數(shù)變化關系曲線中還可以發(fā)現(xiàn)在旋流分離段(s-e、s-f處)速度突變趨勢明顯變緩，這對超音速分離管在直管段的漸變整流是有利的。分離管中實現(xiàn)氣液分離切向速度是非常重要的參數(shù)，圖11給出了各截面處切向速度的變化，從圖11中看出在旋流產生器下游各截面上的切向速度比較大，在截面s-d處最大切向速度可以達到140 m/s，可以說明旋流后為濕氣分離提供有利的動力學條件。對比圖11中不同截面上切向速度的變化關系可知，流體沿著旋流產生器下游旋流強度逐漸減弱。說明超音速分離管直管分離段的長度不能過長，否則會使氣流旋轉強度無法產生足以使液滴分離的動力。但是在截面s-g處由于結構引流縫的分離效果，使得該截面上的切向速度有一定程度的增強。

圖10 各截面處徑向馬赫數(shù)的變化關系Fig.10 Mach number distribution along radial direction at different sections

圖11 各截面處切向速度的變化關系Fig.11 Vorticity magnitude distribution along radial direction at different sections

4 實驗研究

由于超音速分離管與工程實際聯(lián)系比較密切，數(shù)值模擬只是理論方面的預測。要想檢查實際效果，還需要進行實驗驗證。圖12給出了室內實驗的系統(tǒng)圖。

圖12 新型超音速分離管室內實驗系統(tǒng)圖Fig.12 Experimental system diagram for new type supersonic separator

4.1 實驗結果及分析

本實驗的目的有兩個:一是對數(shù)值模型進行驗證;二是檢驗新裝置的脫水分離效果。從工程角度看，希望分離管具有良好的分離性能和壓力特性。分離性能的好壞用露點變化來評價。露點降越大分離性能越好。壓力特性是指氣體經(jīng)過分離管的壓力損失，壓力損失越小，壓力特性越好。因此分離效果好的分離管能夠在合適的壓力損失下獲得較大的露點降。首先定義兩個與分離管的脫水效率有關的參數(shù):

(1)壓損比γ:分離管的壓力損失Δp與入口表壓力及環(huán)境大氣壓力和p0+pe的比值，即:

式中:p0為超音速分離管的入口壓力，MPa;pd為干氣出口壓力，MPa;pe為環(huán)境壓力(取0.1 MPa)。

該參數(shù)反映了超音速分離管的壓力損失特性。該數(shù)值越小，說明裝置的壓力損失越小，壓損比是超音速分離管最重要的性能參數(shù)之一。

(2)露點降ΔTd(℃):分離管入口處氣體露點Td1(℃)與干氣出口露點Td2(℃)的差值，即:

露點降同樣也是超音速分離管最重要的參數(shù)之一，它直接反映了超音速分離管的氣液分離性能，該值越大，說明其脫水深度越深。

超音速分離管的原理是利用高速流體的旋轉動力，將氣液混合物中的含濕氣流分離，被分離的濕氣流量在一定程度上也顯示了分離管分離效果的優(yōu)劣。分離出去的濕流體流量比定義為ω。

式中:min為氣體的入口流量，m3/h;mout為濕氣出口的流量，m3/h。

關于不同的壓損比下濕氣流量比的變化關系，圖13顯示了實驗結果與數(shù)值結果的對比。

圖13 濕氣分離比隨壓損比的變化Fig.13 Wet gas separation versus pressure loss ratio

從圖13中的對比關系可以看出，采用數(shù)值計算模型得到的結果與室內實驗結果可以很好的吻合。也證明采用本文的數(shù)值模型可以很好的預測濕氣分離過程。

圖14 給出了入口壓力為0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65 MPa 時，露點降隨壓損比的變化關系。

圖14 不同入口壓力下露點降隨壓損比的變化關系Fig.14 Dew point depression versus pressure loss ratio under different inlet pressure

從圖14中的曲線中可以看出不同入口工作壓力下，露點降隨壓損比增大而增大，通過對比各條曲線的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，相同壓損比下，隨著入口壓力的提高可以獲得更大的露點降。此外在相同的入口增量下，入口壓力越大，相同壓損比下獲得的露點降也越大。當入口壓力為0.65 MPa，壓損比為72.6%時，超音速分離管的露點降可以達到22℃。但是過高的壓損比必然會造成能量的損失，浪費掉大量的可用能。保持出口壓力不變時，露點降和壓損比的變化如圖15所示(保持干、濕氣出口工作壓力為0.20、0.30、0.40 MPa)。

圖15 不同出口壓力條件下露點降隨壓損比的變化Fig.15 Dew point depression versus pressure loss ratio under different outlet pressure

從圖15中可以看出，固定干、濕氣出口壓力調節(jié)入口壓力，露點降隨著壓損比的增大而增大。而實際操作中出口壓力不可能降的太低。因此設置合適的出口壓力對分離管的脫水效果有很大影響。經(jīng)過數(shù)值分析和實驗驗證，可以確定實驗中出口壓力設置為0.30 MPa左右時，保持適當壓損比可以獲得較大的露點降。

氣體的相對濕度也可以在一定程度上反映混合氣體中水蒸氣的含量，圖16給出了入口工作壓力為0.30、0.40、0.50、0.60 MPa 時，干氣出口相對濕度隨壓損比的變化關系。

圖16 不同入口壓力下相對濕度隨壓損比的變化Fig.16 Relative humidity versus pressure loss ratio under different inlet pressure

從圖16中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著壓損比的增大干氣出口相對濕度呈逐漸減小的趨勢。干氣出口的相對濕度在較大壓損比下可以降至30%左右，在較大入口壓力下繼續(xù)增大壓損比不會使相對濕度更低。綜合分析圖14ˉ16可以得出在入口壓力為0.60 MPa時，壓損比為52.8%可以得到較好的脫水分離效果。

4.2 不同結構形式的分離管效果對比

為了進一步比較新型離管與原有分離管效果的優(yōu)劣，重新定義一個參數(shù)θ:

其中:ΔTd為露點降，γ為壓損比。

從上式可以知道θ值越大，說明脫水分離效果越好。首先計算出進口壓力不變時，不同壓損比下的θ值并取平均值。圖17給出了3種不同的噴管θ值的變化關系。

圖17 不同分離管的θ值變化關系曲線Fig.17 The θ value versus different inlet pressure for different supersonic separator

從圖17中3種分離管分離效率曲線變化可以看出新型分離管相對于再循環(huán)超音速分離管得到相同露點降需要較小的壓力損失，而相對于旋流前置型分離管雖然在較低壓力下優(yōu)勢不明顯，但是在入口壓力較高時具有比較明顯的優(yōu)勢，可以獲得較高的分離效率。而實際氣體的壓力都比較高，故而新型分離管相對于再循環(huán)超音速分離管和旋流前置型分離管有更好的分離效果。

5 結論

研究主要針對超音速天然氣脫水分離技術，結合超音速分離管的現(xiàn)場實驗條件，對超音速分離管內部結構重新設計和改進，加工了新型超音速分離管。通過數(shù)值和實驗研究得到了如下的結論:

(1)建立了超音速分離管三維數(shù)值計算模型，并對模型進行了驗證，結果顯示所采用的數(shù)值模型可以很好的預測超音速分離管內部的旋流膨脹現(xiàn)象，及準確預測激波發(fā)生的位置;

(2)通過數(shù)值模擬得到分離管內部沿軸向溫度場、壓力場、馬赫數(shù)場，以及不同截面上的切向速度分布情況。軸向的速度場顯示新結構可以產生凝結所需的低溫以及高速條件，切向速度分布顯示結構可以產生明顯的旋轉流動，為分離提供動力;

(3)實驗結果表明:新型超音速分離管對工質參數(shù)變化有較好的適應性，當進出口壓損比達到72.6%時，可以得到22℃的露點降，綜合分析壓損比和露點降的關系，可知在一定的壓損比范圍內壓損比越大露點降也越大即分離管的脫水效果越好。

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