天然气跨音速气水分离效率与旋流段长度确定

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1、石油机械2011年第39卷第4期CHINAPETROLEUMMACHINERY．．专题研究天然气跨音速气水分离效率与旋流段长度确定王俊奇张钊徐永高(1．西安石油大学石油工程学院2．长庆油田分公司第三采油技术服务处3．长庆油田分公司)摘要天然气在喷管中从亚音速加速到跨音速状态，饱和水凝结析出，通过三角翼后产生旋流，进入旋流段，旋流段的气水分离效率是实现跨音速分离的技术关键。对液滴在旋流过程中的受力进行分析，建立并化简液滴运动方程，结合旋流过程中的压降，得出气水分离效率的计算方法和计算流程。通过分析旋流分离过程的影响因素，获得了不同分离效率下液滴直径与旋流段长

2、度的关系。实例计算表明，随着液滴直径的增大，分离效率提高。在给定条件下，确定旋流段长度为180mm。关键词天然气跨音速气水分离效率旋流段0引言1液滴运动方程的建立与简化天然气跨音速气水分离是将天然气在喷管中加液滴在管内流动时，受到重力F。、阻力和速，使其从亚音速加速到跨音速状态，此时，将温压力梯度力的作用。此外，由于气流速度分布度降低到足以使天然气中气态的饱和水凝结为液滴的不均匀和湍流脉动，液滴还会受到附加质量力被游离析出，进入旋流段。旋流段内放置1个三角FA、Basset力FR、Safman力Fs以及Magnus力FM翼，当天然气和凝结液滴以跨音速绕三角

3、翼流动等作用]0液滴的受力分析如图1所示。时，产生高速旋转的气液两相流动。气流中的液滴一I，s在惯性离心力的作用下向壁面运动，在壁面上形成液膜，液膜在气流的牵引下流向下游，从而实现气—F^水分离。在文献[1—2]中，虽然对天然气跨音—·一，。速流动中的喷管结构和绕三角翼流动的可行性和流动规律进行了详细的研究，但天然气与析出的凝结游离水进入旋流段后的气水分离效率是实现跨音速分离的技术关键]。旋流分离器中液滴和气体在l跨音速下的两相流动，其动力学过程极其复杂。．图1液滴受力分析示意图因此，笔者建立并化简了液滴运动方程，结合根据牛顿第二定律；可得液滴运动方程：旋

4、流过程中的压降，得出气水分离效率的计算方法dup：塞’(1)和计算流程，以及不同分离效率下液滴直径与旋流段长度的关系，并找到了旋流段长度的确定方法，式中。——液滴速度，m／s；为天然气跨音速气水分离技术的进一步研究和应用——作用于液滴的单位质量的各种力，N。奠定了基础。针对笔者研究的问题，忽略一些小的和难以计}基金项目：陕西省高校省级重点实验室科研项目“低渗气藏高效开发排水采气工艺技术研究”(2OLOJSO34)；陕西省自然科学基金重点项目“低渗透油藏液态气动力压裂开采方法研究”(2009JZO14)。一12一石油机械2011年第39卷第4期算的力。气液密

5、度之比很小，并且气液相对加速度于液滴的直径和密度。因此，用分级效率来衡量旋不是很大，所以不考虑，同样可以忽略，液流器的分离性能，它是指某一给定粒径范围的分离滴两侧的速度相差很小，这样Saffman力可以效率。不计，液滴表面与气体可忽略相对滑动，不予对于进入、捕集和逃逸的液滴来说，如果相应计算。这样，采用拉格朗日的方法研究液滴的径向的体积或质量分数分别为()、()、()，运动，把牛顿第二定律应用于液滴运动，可以得出则粒径在一1和+1之间液滴的质量平衡如下关系式：方程为：簪—三p案：—(Lpl—p)口一_j订dp“，(2)()=()d+(一’7)()(8)式中

6、——液滴直径；cl()=叩cl，()-I-(I一叼)cl，()“——液滴速度；对于给定直径的液滴，通过对上式积分，可——液滴加速度；以得到质量平衡方程：——液体粘度；()='z()+(1一’7)．()(9)P、——液体密度和气体密度；分级分离效率定义为：粒径在一1与+￡——时间。1之间假设在t=0时，液滴相对于气体的运动速度，被旋流分离器捕集的液滴与进入液滴的为：比值'7()=，利用质量平衡关系，=ff-1TO,(1一e一了t)+／ZPe-r(3)、Pz／则有：式中——液滴相对于气体运动的速度矢量；-1_(1_叼)=口——外力场引起的加速度；．r——液滴的

7、速度松弛时间，计算可知液滴1_()(10)的速度松弛时间极小，即因此，进入液滴被捕集的总百分数为引：=(4)式中，为气体粘度，则液滴的终端速度值为：．，7J0叼(()J0叩()afA)(11)液滴分离效率计算流程见图2。=。(5)当计算径向速度时，式中的n为向心加速度，即／输入基本参数：管道半径R、长度厶切向／0=vo／r(6)／和轴向速度f、液滴直径表面张力o／I在柱坐标下沿径向划分计算区域，并计算每个圆环面NA．2旋流过程总压降和分离效率的计算I按照轴向运动速度和分离段长度L计算液滴分离运动2．1总压降时间t，并根据不同直径液滴的终端运动速度公式计算在

8、此时间内每个圆环区域内所能分离的液滴最小直径放置三角翼的管段，因变