氣液旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的研究.pdf

1、目前，我國(guó)在油氣分離方面存在的主要問(wèn)題一是多相流體中的有用能量被部分或完全消耗；二是當(dāng)泡沫和乳化產(chǎn)生時(shí)，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(guò)程和氣液分離過(guò)程分開(kāi)，工藝復(fù)雜，設(shè)備多，經(jīng)濟(jì)效益低。為了解決上述問(wèn)題，我國(guó)石油工業(yè)學(xué)者對(duì)分離技術(shù)進(jìn)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(wèn)題。由美國(guó)MPPT公司開(kāi)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(wèn)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(qiáng)、充分利用可用能量等特點(diǎn)。該分離器目前在國(guó)外正處于海上平臺(tái)和陸上油氣田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究。本研究從理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和試驗(yàn)幾方面對(duì)旋轉(zhuǎn)渦輪分離器進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，該分離器的研究對(duì)我國(guó)石油工業(yè)開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)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(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

3、本文主要研究?jī)?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(duì)旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(rùn)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(dòng)參數(shù)，開(kāi)發(fā)了兩相噴嘴設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)兩

4、相噴嘴中兩相流體可能等溫的情況進(jìn)行理論分析，給出了兩相耦合模型可以簡(jiǎn)化為變速度比等溫模型的條件。對(duì)上述幾種兩相噴嘴模型進(jìn)行了比較，證明了所提出的模型的合理性。開(kāi)發(fā)了兩相噴嘴設(shè)計(jì)及參數(shù)分析的計(jì)算機(jī)程序，用該程序?qū)上鄧娮爝M(jìn)行了初步的參數(shù)計(jì)算，驗(yàn)證了所提出的兩相耦合模型可以對(duì)兩相噴嘴進(jìn)行參數(shù)分析。 通過(guò)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(duì)液滴特性的敏感性，發(fā)現(xiàn)兩相噴嘴性能對(duì)液滴的破碎敏感

5、性很大，而對(duì)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(dòng)參數(shù)對(duì)兩相噴嘴性能的影響方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)影響兩相噴嘴性能的主要控制流動(dòng)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(duì)液體和氣體之間的能量分配進(jìn)行了計(jì)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(dòng)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(jì)和性能標(biāo)準(zhǔn)，兩相噴嘴設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)兩相噴嘴的應(yīng)用場(chǎng)合選擇噴嘴的幾何形

6、狀和長(zhǎng)度，以及總體考慮系統(tǒng)的情況設(shè)定控制流動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)；但選定噴嘴的性能和設(shè)計(jì)必須與整個(gè)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(kāi)發(fā)了兩相噴嘴近似幾何參數(shù)的快速計(jì)算方法。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在載荷比小于5時(shí)，簡(jiǎn)化等溫兩相噴嘴尺寸計(jì)算方法計(jì)算出的噴嘴直徑要比兩相耦合模型大。對(duì)兩相噴嘴的效率等非設(shè)計(jì)工況性能進(jìn)行了分析，提出了計(jì)算兩相

7、噴嘴非設(shè)計(jì)工況性能的兩種模型——兩相耦合非設(shè)計(jì)工況模型和等溫非設(shè)計(jì)工況模型，并進(jìn)行了比較，比較結(jié)果顯示兩相耦合非設(shè)計(jì)工況模型在某些工況計(jì)算時(shí)存在數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定性，而等溫非設(shè)計(jì)工況模型卻不存在上述問(wèn)題。本文用等溫非設(shè)計(jì)工況模型進(jìn)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(jì)性能特性的主要流動(dòng)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(duì)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(jì)了四種兩相噴嘴，并進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與非工況理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了所開(kāi)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(jìn)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(guò)兩相噴嘴的試驗(yàn)，驗(yàn)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(shí)際流動(dòng)情況。 在兩相噴嘴研究的基礎(chǔ)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)渦

9、輪分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)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(duì)分離器的旋轉(zhuǎn)速度、分離表面上液滴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，并對(duì)其中的一部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jì)優(yōu)化。對(duì)分離器的密封系統(tǒng)、軸及軸承系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核。完成了旋轉(zhuǎn)渦輪分離器的設(shè)計(jì)，并成功制造了試驗(yàn)樣機(jī)。 對(duì)分離器樣機(jī)