文23储气库是由原文23气田改建的一座枯竭气藏型储气库,该储气库具有井口压力高、产气量高、温度高等特点,在实际站场运行中存在三甘醇脱水负大、设备建设困难等问题。因此为了配合储气库的开发和应用,充分利用储气库采气期井口压力高、温度高等特点,采用在集气站内节流预脱水,在集注站内三甘醇脱水的脱水方式。超声速分离器是目前天然气脱水处理领域的新兴技术,具有效率高、结构紧凑、不产生水合物等优点,但目前对于高压实际站场内超声速分离器的设计与使用较少,本文结合文23储气库,对高压实际站场内超声速分离器进行了以下研究:首先以23储气库现有基础数据对高压下超声速分离器的喷管进行优选设计。对于喷管的渐缩段,分别采用维式曲线、维式位移曲线、双三次方曲线与五次方曲线设计线型;对喷管渐扩段,采用锥形管结构,渐扩角分别采用2°、4°、6°、8°设计。利用Fluent软件,对不同结构的喷管流场进行模拟,考虑到现场实际运行工况,最终采用维式曲线、渐扩角6°设计喷管。采用该结构喷管可最早为天然气内水和重烃的凝结提供低温环境,制冷效果最好,喷管出口流场更均匀。然后对超声速分离器内旋流叶片进行设计,由于后置型分离器的旋流叶片位置与气动激波位置息息相关,所以首先利用连续性方程计算喷管内激波位置,并进行了模拟分析,研究结果表明:理论计算与数值模拟结果较为接近,该计算方式对喷管内的激波位置有一定的参考价值。同时,保持喷管入口参数不变,降低出口背压,激波位置向喷管出口方向移动,激波区域宽度增加,激波后流场分布湍流程度高,出口温度低,不利于后续站场内三甘醇脱水,需控制喷管内压比。根据激波位置确定旋流叶片,并分别对前置型分离器与后置型分离器模拟研究,其结果表明:后置型分离器所能产生的切向速度是最大的,本文中采用后置型分离器进行液滴的旋流。再后,为计算超声速分离器的脱水效率以及有效运行区间,对喷管内甲烷-水双组份中水蒸气凝结进行模拟计算,研究了凝结激波与气动激波位置相互影响关系,其结果表明:(1)采用L-K实际气体混合定律计算混合气体中临界参数及摩尔定压比热,可以很好与实验结果中凝结激波的位置吻合。(2)气动激波远离凝结激波时,对凝结影响较小,当气动激波逼近凝结激波,甚至两激波重合时,极大的削弱了凝结。(3)增大入口压力、降低喷管入口温度能够使凝结液滴半径增大,液相质量分数增大,凝结激波位置前移,有利于后续旋流脱水;在储气库运行前期,高流量、高含液率的情况下,超声速分离器的脱水率反而越高;出口背压对凝结激波位置、成核率、液滴数目影响较小。(4)所设计超声速分离器的脱水效率在11%-51%之间,结合实际运行工况,控制压比在68.75%以下,同时考虑到天然气仍需外输用户,因此出口背压不低于5MPa。最后考虑到超声速分离器在现场实际应用中较少,本文采用HYSYS软件对整个脱水流程工艺进行模拟,其研究结果表明:超声速分离器能够很好的适应站场节流预脱水,其中天然气温度、压力的变化对后期三甘醇脱水影响较大,而水组分含量的变化对水露点影响波动较小。综合考虑三甘醇脱水与超声速分离器脱水效率,将进超声速分离器温度控制在35-45°C时,保证超声速分离器在有效运行区间,并减小对后续三甘醇脱水的影响。