【摘 要】
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由于高压高含硫气田工况条件极为特殊,所产天然气中含有硫颗粒和液滴使集输系统存在堵塞、渗水问题,且析出硫颗粒与携带液滴均为微米级,为保证气田平稳运行,设计出适用于高压高含硫气田的毫米级三相分离器至关重要。本研究内容为井口压力20 MPa条件下单管旋风分离器的结构设计与优化,分为结构参数初选与数值模拟优化两部分,深入探究单管旋风分离器的分离性能。首先利用均匀设计法耦合遗传算法进行结构参数初选,确定分离
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由于高压高含硫气田工况条件极为特殊,所产天然气中含有硫颗粒和液滴使集输系统存在堵塞、渗水问题,且析出硫颗粒与携带液滴均为微米级,为保证气田平稳运行,设计出适用于高压高含硫气田的毫米级三相分离器至关重要。本研究内容为井口压力20 MPa条件下单管旋风分离器的结构设计与优化,分为结构参数初选与数值模拟优化两部分,深入探究单管旋风分离器的分离性能。首先利用均匀设计法耦合遗传算法进行结构参数初选,确定分离器初始结构与尺寸。在井口压力20 MPa工况条件下,选择七个无量纲化的结构参数作为优化参数,根据设计需求选取合理的参数范围,建立包含七个结构参数的设计参数向量X;选择Mohamed-Swaray和Hamdullahpur分离效率模型作为目标函数,为提高求解效率并与结构参数初选过程耦合,选用遗传算法求解函数;且初始种群选用均匀设计法耦合算法的方式生成;输出全局最优解,即完成结构参数初选,确定初始结构及尺寸参数。其次在数值模拟工作中,验证了遗传算法最优解的分离效率与模拟结果的吻合程度,计算表明两者偏差在3%以内;分析了初始结构单管旋风分离器对多种粒径的硫颗粒与液滴的分离性能,以及入口气速对其性能的影响。研究结果表明,相较于分离液滴,单管旋风分离器更易分离硫颗粒。提高入口气速可提高分离效率,以分离3μm颗粒为例,气速由5 m/s增至15 m/s时,分离效率增加了18.36%,气速增至20 m/s时,分离效率与气速15 m/s的相比仅增加4.06%;同时随着气速由5 m/s增至20 m/s,压降从44610.41 Pa增至809593.42 Pa,增长了约17倍,因此本研究认为过大的入口气速会使能量损失剧增,不利于实际应用需求。研究表明初始结构单管旋风分离器对小颗粒分离性能较差,而单管旋风分离器能够很好地分离小粒径颗粒对实际生产有重要意义,其初始分离段与入口结构均不利于分离,因此改进这两部分结构,提出包括原结构在内的六种不同结构的单管旋风分离器,采用数值模拟方法探究其性能,通过对比发现,分离段选用大锥型结构、入口选用小高宽比的单管旋风分离器F的分离性能更好,压降为42457.61 Pa,约下降4.8%;分离效率为68.57%,约提高38.98%。以分离性能更好的单管旋风分离器F为研究对象,探究各项结构参数对分离性能的影响。通过研究发现:所选结构参数对颗粒分离性能均有影响,区别在于影响程度不同,其中排气管管径、入口高宽比、筒体长度对分离性能影响较大,因此在后续的优化工作中,可针对影响分离性能较大的结构参数进行更为细致全面的研究。
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