氣液旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的研究.pdf

1、目前，我國在油氣分離方面存在的主要問題一是多相流體中的有用能量被部分或完全消耗；二是當泡沫和乳化產(chǎn)生時，分離不徹底。在天然氣處理工藝中主要存在的不足之處是處理過程和氣液分離過程分開，工藝復(fù)雜，設(shè)備多，經(jīng)濟效益低。為了解決上述問題，我國石油工業(yè)學(xué)者對分離技術(shù)進行了不懈的研究，取得了一定的成效，但仍然不能完全解決上述問題。由美國MPPT公司開發(fā)的一種集氣液分離、天然氣處理、輸出軸功于一體的小型、高效旋轉(zhuǎn)渦輪分離器徹底解決了上述問題。該分離器

2、具有結(jié)構(gòu)緊湊，分離效率高、工況適應(yīng)性強、充分利用可用能量等特點。該分離器目前在國外正處于海上平臺和陸上油氣田的現(xiàn)場試驗階段，并且取得了很好的效果。然而該分離器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和理論研究等方面都是保密的，因此，有必要對其進行詳細的研究。本研究從理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值模擬和試驗幾方面對旋轉(zhuǎn)渦輪分離器進行了深入系統(tǒng)的研究，該分離器的研究對我國石油工業(yè)開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)渦輪分離器以及在氣液分離和天然氣處理方面有十分重要的理論價值和應(yīng)用價值。

3、本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： 以旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的基本原理為基礎(chǔ)，對旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的總體結(jié)構(gòu)進行了初步分析，得到了構(gòu)成旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的基本組成部分：兩相噴嘴、分離轉(zhuǎn)子、氣液排出裝置和軸及其密封、潤滑部分。 以均勻理論模型和Rudinger等溫模型為基礎(chǔ)，充分考慮氣液兩相噴嘴中相間的熱傳遞和拉力等耦合效應(yīng)以及兩相噴嘴的壓力、溫度等控制流動參數(shù)，開發(fā)了兩相噴嘴設(shè)計及參數(shù)分析的理論模型——變速度比等溫模型和兩相耦合模型。通過對兩

4、相噴嘴中兩相流體可能等溫的情況進行理論分析，給出了兩相耦合模型可以簡化為變速度比等溫模型的條件。對上述幾種兩相噴嘴模型進行了比較，證明了所提出的模型的合理性。開發(fā)了兩相噴嘴設(shè)計及參數(shù)分析的計算機程序，用該程序?qū)上鄧娮爝M行了初步的參數(shù)計算，驗證了所提出的兩相耦合模型可以對兩相噴嘴進行參數(shù)分析。 通過改變兩相噴嘴兩相耦合模型中液滴的熱傳遞系數(shù)等特性的數(shù)值，研究了兩相噴嘴效率等性能對液滴特性的敏感性，發(fā)現(xiàn)兩相噴嘴性能對液滴的破碎敏感

5、性很大，而對熱傳遞系數(shù)和拉力等特性敏感性較低。用兩相耦合模型在兩相噴嘴控制流動參數(shù)對兩相噴嘴性能的影響方面進行了分析，發(fā)現(xiàn)影響兩相噴嘴性能的主要控制流動參數(shù)為：載荷比(液氣質(zhì)量流量之比)、氣體壓力、液滴直徑和兩相的熱物理屬性等。對液體和氣體之間的能量分配進行了計算，發(fā)現(xiàn)在一定的操作條件下，隨著載荷比的增大，液相所攜帶的動能增加。在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，確定了兩相噴嘴最優(yōu)設(shè)計和性能標準，兩相噴嘴設(shè)計標準是根據(jù)兩相噴嘴的應(yīng)用場合選擇噴嘴的幾何形

6、狀和長度，以及總體考慮系統(tǒng)的情況設(shè)定控制流動參數(shù)；噴嘴效率、噴嘴出口處的混合物速度、推力和推力系數(shù)是兩相渦輪分離器中兩相噴嘴的性能標準；但選定噴嘴的性能和設(shè)計必須與整個功率提取系統(tǒng)合為一體，以產(chǎn)生最優(yōu)的總體系統(tǒng)。以Rudinger等溫模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了兩相噴嘴近似幾何參數(shù)的快速計算方法。通過計算發(fā)現(xiàn)在載荷比小于5時，簡化等溫兩相噴嘴尺寸計算方法計算出的噴嘴直徑要比兩相耦合模型大。對兩相噴嘴的效率等非設(shè)計工況性能進行了分析，提出了計算兩相

7、噴嘴非設(shè)計工況性能的兩種模型——兩相耦合非設(shè)計工況模型和等溫非設(shè)計工況模型，并進行了比較，比較結(jié)果顯示兩相耦合非設(shè)計工況模型在某些工況計算時存在數(shù)值計算的不穩(wěn)定性，而等溫非設(shè)計工況模型卻不存在上述問題。本文用等溫非設(shè)計工況模型進行了兩相噴嘴的非工況分析。發(fā)現(xiàn)影響兩相噴嘴非設(shè)計性能特性的主要流動參數(shù)是入口壓力、入口溫度和載荷比；兩相混合物中的兩相音速低于單相氣體的音速，入口壓力和載荷比對出口兩相音速和馬赫數(shù)有較大的影響，而入口溫度的影響很

8、小。 用Rudinger等溫模型、變速度比等溫模型和兩相耦合模型分別設(shè)計了四種兩相噴嘴，并進行了CFD數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與非工況理論計算結(jié)果進行了比較，證明了所開發(fā)的兩相噴嘴理論模型的正確性。將四種噴嘴的數(shù)值模擬結(jié)果進行了比較，優(yōu)選出了適合于旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的兩相噴嘴結(jié)構(gòu)。通過兩相噴嘴的試驗，驗證了兩相耦合模型和變速度比等溫模型比Rudinger等溫模型更能反映兩相噴嘴中的實際流動情況。 在兩相噴嘴研究的基礎(chǔ)上，對旋轉(zhuǎn)渦

9、輪分離器的結(jié)構(gòu)進行了詳細的設(shè)計計算，得到了組成分離器的構(gòu)件：分離表面、分離輪、氣液排出裝置等，設(shè)計計算了用于增加輸出軸功的氣液反作用噴嘴、氣體反作用葉輪等結(jié)構(gòu)。對分離器的旋轉(zhuǎn)速度、分離表面上液滴的運動進行了系統(tǒng)的理論分析，并對其中的一部分結(jié)構(gòu)進行了簡單的數(shù)值模擬定性分析，這些數(shù)值模擬結(jié)果可以指導(dǎo)分離器結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。對分離器的密封系統(tǒng)、軸及軸承系統(tǒng)進行了設(shè)計和校核。完成了旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的設(shè)計，并成功制造了試驗樣機。 對分離器樣機