超音速天然气旋流脱水装置数值模拟与设计优化

发布时间：2021-07-16 21:05

井口直接开采出来的天然气中含有大量水和重组份,这些物质在输送过程中易发生凝结,不仅会降低管路的有效输送能力,而且还会腐蚀相关设备,因此必须对天然气进行脱水处理。在克服传统脱水方法缺点的基础上,产生了一种新型超音速旋流脱水技术,该技术利用动力学和热力学原理,把膨胀冷凝与旋流分离相结合,从而实现了水蒸气与重组份从天然气中的分离,具有效率高、工艺简化、长期可靠、绿色环保等优点,应用前景广阔。本文首先提出了超音速旋流脱水装置各个部件的设计方法,并以某实际工况和气质条件进行详细设计计算。然后据此结构建立了相应的三维数值计算模型,运用ANSYS14.0对其进行数值模拟,研究了天然气在超音速旋流脱水装置内部的流动特性、凝结特性和分离特性。结果表明:在超音速喷管出口处马赫数为2,膨胀最低温度可达165K,切向分离速度为60m/s,可以实现水蒸气的充分凝结和分离;由水蒸气凝结成的小液滴有三种运动轨迹,它们的平均直径为2μm,大部分可以被分离出来;同时激波发生位置位于排液口之后的扩压器中,有利于温度和压力的恢复而又不会破坏之前的凝结环境。在内部流场研究的基础上,以排液口处的分离温度、分离效率、切向速度和激波位置为优化指标,探讨不同结构参数下的影响规律,由此确定最佳的结构尺寸;最后分析了脱水装置的正常工作条件和变工况性能。计算结果表明:不同结构参数对上述优化指标的影响不同,得到的限制条件也不相同,因此应根据实际情况确定最优结构;装置正常工作的压损比范围为35%~70%,入口压力为4MPa、温度为300K、压损比为70%时,可获得最大露点降为23K;改变进出口压力和温度,脱水装置同样能够获得较为理想的露点降,可见所设计的超音速旋流脱水装置对于压力、温度变化具有很好的适应性,能够满足国内天然气管道输送应用。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE96

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 天然气脱水技术

1.2.1 常规的脱水技术

1.2.2 超音速旋流脱水技术原理和特点

1.2.3 超音速旋流脱水技术与常规技术之间的比较

1.3 超音速旋流脱水装置及相关技术的研究现状

1.3.1 超音速旋流脱水装置的发展进程

1.3.2 超音速旋流分离技术的研究进展

1.4 当前存在问题与本文主要研究内容

1.4.1 当前存在问题

1.4.2 本文主要研究内容

第2章天然气超音速旋流数值模型

2.1 单相连续流场计算模型建立

2.1.1 控制方程

2.1.2 湍动模型

2.1.3 连续流场数学模型验证

2.2 水蒸气凝结计算模型建立

2.2.1 成核模型

2.2.2 生长模型

2.2.3 湿蒸汽两相流动控制方程

2.2.4 凝结模型验证

2.3 离散相计算模型建立

2.3.1 混合流场的模型

2.3.2 离散相计算模型

2.4 本章小结

第3章超音速天然气旋流脱水装置结构设计

3.1 超音速旋流脱水装置喷管段设计

3.1.1 超音速喷管喉部设计

3.1.2 超音速喷管渐缩段设计

3.1.3 超音速喷管渐扩段设计

3.1.4 超音速喷管稳定段设计

3.1.5 超音速喷管设计校核

3.2 超音速旋流脱水装置分离段设计

3.3 超音速旋流脱水装置扩压段设计

3.4 超音速旋流脱水装置旋流发生器和整流器设计

3.5 本章小结

第4章超音速旋流脱水装置内部流场分析

4.1 单相流场特性分析

4.1.1 计算方法与边界条件

4.1.2 内部轴向流场分析

4.1.3 内部径向流场分析

4.2 凝结特性分析

4.3 分离特性分析

4.3.1 液滴小颗粒运动轨迹分析

4.3.2 分离效率

4.4 本章小结

第5章超音速旋流脱水装置结构优化及性能分析

5.1 旋流发生器结构优化

5.1.1 叶片安装角和扭曲角优化

5.1.2 叶片安装数目优化

5.1.3 叶片轴向安装位置优化

5.1.4 叶片所在椭球体曲率优化

5.2 旋流分离段结构优化

5.3 排液口结构优化

5.4 扩压段结构优化

5.5 优化后尺寸和效果分析

5.6 脱水装置性能分析

5.6.1 脱水装置压损比对激波的影响

5.6.2 脱水装置的露点降

5.7 本章小结

第6章结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢

【参考文献】