弧形分支管气液两相分离数值仿真及参数优选

作     者：陈柯杰 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马廷霞

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：弧形分支管 气液两相流 数值模拟 正交试验设计 参数优选 

摘      要：随着油气资源需求量的与日俱增,海洋也将成为油气开发的重点。对于目前我国海洋浅层天然气水合物开采,通过海床表层的水下生产系统,将得到的天然气水合物浆体在海底实现水下分离,可以降低举升能耗,减少水合物抑制剂的使用。现有海底多相流分离器不仅结构庞大笨重,而且制造、安装和运行成本很高。由于T形管类管式分离结构简单,尺寸小,承压能力高,易于加工成标准件,制造加工和安装使用成本低,运行可靠性高,这类管式分离将是海底多相流分离的一个重要发展方向。因此,本文基于T型管结构提出了一种弧形分支管结构,并重点围绕弧型分支管与T形分支管的分离机理与效果,展开了对比研究。同时深入研究了影响弧型分支管分离效率的影响因素、适用范围与参数优选。具体地,本文主要开展了以下研究工作:(1)通过调研国内外文献,了解了 T形管气液分离的研究现状和进展。(2)气液两相流数值模型开发与验证。根据气液两相流和计算流体力学基础理论,分析了气液两相在管道内流动的力学行为,开发了管内气液两相流模拟的数值模型,并进行实验对比验证。(3)弧形分支管操作参数优选。利用所开发并验证后的数值模型,仿真模拟研究气液两相在弧形分支管内的流动规律。通过正交试验设计方法,确定影响弧形分支管气液两相分离效率的4因素5水平的正交试验方案,通过正交试验优化,得到最佳入口参数组合。同时,分析了流型和分流比对分离效率的影响。(4)弧形分支管结构参数优选。在最佳参数组合下,分析了支管位置角、支管倾角、弧形管曲率半径和管径比对分离效率的影响,优选了各自的结构参数,对该优选结构参数组合结构在塞状流下的分离效率进行了讨论,并对气液两相在弧形分支管内的分离机理作了分析。通过上述研究,掌握了气液两相在弧形管内的流动规律,通过正交试验优化,得到了最佳操作参数匹配,使得弧形分支管的分离效率达到93.59%。发现了影响弧形分支管分离效率的因素重要程度依次是分流比、气相入口速度、液相入口速度以及气体体积分数,发现了最适合于弧形分支管分离的入口流型是塞状流。基于最佳入口操作参数,对弧形分支管的结构参数进行了参数优选。本文的研究成果对气液两相管式分离设计提供了有价值的参考。