油田中转站旋流式天然气脱水装置流场研究.pdf

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第42卷第1期
石油化工.设备
Vol 42 No
2013年1月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Jan.2013
设计计算
文章编号:1000-7466(2013)01-0022-04
油田中转站旋流式天然气脱水装置流场研究
王长忠,钟力,李伟平2
(1.大庆职业学院,黑龙江大庆163000:2.大庆油田采油六厂?黑龙江大庆163000)
摘要:对旋流式天然气脱水装置内部流场和液滴的运动状况进行了数值模拟研究,获得了在不同
流动区域气体压カ场、速度场分布的变化规律以及液滴随机性运动的特点
关键词;天然气;脱水;旋流分离;流场模拟
中图分类号:TQ050.1;TE969文献标志码
doi:10.3969/j,issn,1000-7466.2013.01,006
Study for Flow Field of Swirl Gas Dehydration Units in Oilfield Transfer Station
WANG Chang-zhong ZHONG Li, LI Wei-ping
(1. Daqing Vocational College, Daging 163000, China:
2. Daqing No 6 Oil Production Plant, Daging 163000, China)
Abstract: Swirl gas dehydration units of internal flow field and droplet motion state were studied
with numerical simulation, gas pressure field and velocity field distribution at different flow re-
gions were obtained, as well as the features of the droplet stochastic movement, the necessary
basis is provided to optimize the structure.
Key words: natural gas; dehydration; cyclone separation; flow field simulation
油井产出油气水的混合物,经中转站后分离出件、分离效率高和处理量大等优点。旋流分离器的
天然气。此时天然气为多组分气体,含有较多的水研究过去主要集中在液-液、气固两相分离,对于天
分,称为湿气。在温度降低或压力升高时,会析出液然气脱水的气液分离的研究,则处于研究的起始阶
态的水,并与硫化氢或二氧化碳等形成腐蚀性的酸段。文中通过 Fluent软件进行数值模拟分析,以
液,对管道和设备有较强的破坏性。在温庋较低时,探讨旋流器内部流场的运动规律,为旋流分离装置
液态的水可能结冰或与其他气体形成固化水合物,的研发提供科学依据。
堵塞管道。在天然气运输和加工之前,必须将水分
1内部流场运动分析
含量降低到安全范围内。
大庆油田中转站天然气脱水广泛使用光管冷却1.1计算假设条件
器,采用低温脱水的原理,操作工艺相对简单,但是
(1)混合气体入口速度为20m/s。
在应用中存在着使用效率低、安全性能差、占地面积
(2)出口压力为常压。
大等问题,有待于解决与提高。旋流分离器是一种
3)假设壁面为无滑移壁面边界,气体与其相对
高效分离装置,具有结构简单、设备紧湊、无运动部速度为0。
收稿日期:2012-08-09
基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助(No11525036
作者简介:王长忠(1969-),男,吉林大安人,副教授,硕,主要从事油田机械设备的研究与故障诊断方面的工作
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第1期
王长忠,等:油田中转站旋流式天然气脱水装置流场研究
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(4)气相为不可压缩的理想气体。
微元以恒定角速度a=w/R旋转,流动是轴对
(5)由于气液比相对较大,液相非常稀疏,可以称的、各分速度沿Z轴变化不大。因此,假设微元
将内部气相作为连续相,液相作为离散相,并设离散在轴向、切向上没有加速度,径向加速度a,=-a2
相的质量流速等于或大于连续相的质量流速2。
经数学建模推导,得到漩涡形状方程
1.2旋流器內部旋流分析
2=L
旋流式脱水装置的结构示意见图1。从图中可
4g
知,来料由进口切向进人旋流器内作螺旋运动,在腔式中,N。为漩涡方程参数;工为平衡液位高度,d
内急剧旋转产生强烈的涡流,并分为溢流和底流两为分离器直径,m。
部分分别由溢流管和底流管排出。在旋流器的内
此方程准确地描述了液滴在分离器内部的运动
部,同时存在着向下运动的外螺旋和向上运动的内轨迹
螺旋。
2流场模拟结果分析
溢流
内旋流
2.1静压力场模拟结果
气-液旋流分离器内部流场分为内旋流和外旋
流。外旋流垂直于轴的横截面,静压分布见图3。
从图中可知,分布性状比较规则,基本呈现轴对称
性,在入口与溢流管的交界空间内存在偏差,但偏差
不大。静压由外向内递减,中心轴线附近静压较低
在溢流管内部出现负压。在同一截面的相同半径
外旋流
处,静压力大致相等,说明轴向压力变化不大。内旋
流静压在同一截面的相同半径处也相同,呈环状分
布,相对于外旋流,内旋流的静压较低[6,?。
底流
图1旋流式脱水装置结构模型示图
旋流式分离器主要是依靠旋流产生的离心力实
现气液的高效分离,其入口结构决定了分离器的人
口气液相分布及切向速度的大小,是影响旋流式分
离器分离特性的关键因素之一34。由于气、液相
流速不同,内部可能呈现分层流、段塞流、分散气泡
图3横截面静压分布示图
流或环状流等多种流型。实验研究表明,入口管向
轴截面上静压力的分布见图4。从图中可知,
下倾斜,在重力作用下有利于形成分层流,能很好地分布大致呈现轴对称性,在外旋流中,压力分布的整
改善气液分离效果、扩展旋流分离器的适用范間,其体趋势是在两侧比较大,内侧比较小,在内旋流部分
最佳倾斜角为-275
有负压出现。总压沿轴向变化比较小,由于强制涡
1.3漩涡的数学分析
的出现,总压分布云图出现一定的摆动?。
经初步分离的液相以切向速度沿简壁旋转形成
强制漩涡。除壁面附近,该漩涡可看作是刚体转动,
微元受力分析示意图见图2。
?2微元受力分析示图
图4轴截面静压分布示图