Высокоскоростные течения природного газа высокого давления в элементах газодинамических установок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Московский физико-технический институт

УДК 533.697.5 На правах рукописи

рг-, о Л / 2 •"?

Имаев Салават Зайнетдииовкч

Высокоскоростные течения природного газа высокого давления в элементах газодинамических установок

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ В.И. Алферов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор АЛ. Стасенко

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.И. Фейгин

Ведущая организация: Институт проблем механики РАН

Защита состоится "_"_199 г. в_час.

на заседании Специализированного совета К 063.91.07 на факультете аэромеханики и летательной техники Московского физико-технического института по адресу: г. Жуковский, 140160, Гагарина, 16, ФАЛТ МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФАЛТ МФТИ. Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических

наук О) /) А.И. Кнркинский

Л

Общая характеристика работы

Цель данной работы состоит в совершенствовании методов расчетов дозвуковых и сверхзвуковых течений природного газа высокого давления сложного химического состава в различных газодинамических устройствах; развитии, оптимизации, экспериментальной проверке методик расчета таких течений и выдаче рекомендаций для их использования; а также в исследовании возможности применения методов расчета течений, развитых в аэродинамике, применительно к течениям природных газов в различных устройствах, используемых в газовой промышленности.

Актуальность и практическая значимость работы определяются современными потребностями газовой промышленности.

Одним из наиболее перспективным направлением улучшения технико-экономических показателей промысловой и заводской обработки газов является применение устройств, в которых технологические процессы подготовки газа к транспортировке происходят при высоких скоростях течения природного газа. К таким устройствам в частности относятся эжекторные системы, высокоскоростные устройства разделения компонентов природных газов, вихревые трубы Ранка и т. п.

Течения природного газа высокого давления в таких устройствах сопровождаются сложными физическими эффектами, основными из которых являются:

• сильная нелинейная зависимость термодинамических параметров природного газа, таких как теплоемкость, энтальпия, скорость звука, сжимаемость и некоторых других, от давления и температуры, обусловленная высоким уровнем давлений (межмолекулярным взаимодействием) и многокомпонентным составом газа; •эффект Джоуля-Томпсона;

• конденсация компонентов природного газа в высокоскорост ном потоке газа;

• эффект взаимного растворения компонентов природного газ; в конденсате, образующемся при конденсации.

Поэтому разработка высокоэффективных устройств, в которы; обработка природного газа происходит в высокоскоростном потоке невозможна без создания совершенных методов расчета таких течений.

Роль теоретических исследований и математического моделиро вания в этом случае становится особенно актуальной, потому что экс периментальная доводка таких систем затруднена, т.к. для воспроизве дения условий течения природного газа в лабораторных условиях необ ходимо обеспечение высоких давлений, больших расходов и натурног химического состава газа. Организация экспериментальных исследовг ний на существующих месторождениях также затруднена из-за необхс димости поддержания рабочих характеристик существующего прои: водственного оборудования, остановка или сбой которого приводи к значительным убыткам. Значение математических моделей во: растает при выборе оптимальных параметров установок обработк природного газа на морских месторождениях, разрабатываемых настоящее время в России (Приразломное, Штокмановское, Сахали 1-3), вследствие того, что экономический ущерб от допущенных пр этом ошибок будет несоизмеримо выше, чем на месторождениях ь суше.

Настоящая работа посвящена исследованию высокоскоростнь течений природного газа, развитию методов расчета таких течений математическому моделированию процессов, происходящих в нем.

Научная новизна работы определяется следующими иаучныл результатами:

1 .Предложена методика численного расчета высокоскоростнь течений природного газа высокого давления и сложного химическо]

остава, основанная на применении вириального уравнения состояния и юзволяющая с большой точностью определять характеристики течений 1 газодинамических элементах различных установок;

2. Разработаны методы, позволяющие проводить выбор оптимальных параметров течений и конструктивных элементов эжекторных :истем, работающих на природном газе высокого давления;

3. Выявлен характер воздействия конденсации компонентов триродного газа на работу эжекторных систем;

4. Предложен принципиально новый способ разделения композитов природного газа, основанный на их конденсации и последую-дей сепарации в сверхзвуковом закрученном потоке;

5. Разработаны специальные меры предотвращения отложений гидратов и парафинов на газодинамических элементах устройств (сопел, камер смешения и т.п.), работающих в условиях низких температур и высоких давлений.

Апробация работы. Основные положения исследования излагались и обсуждались на:

• Международной конференции "Исследование гиперзвуковых течений и гиперзвуковых технологий", 19-21 сентября 1994 г., г. Жуковский.

• Всероссийской научной конференции "Фундаментальные проблемы нефти и газа", январь 1996 г., г. Москва;

• Научных конференциях МФТИ в 1993 и 1996 годах;

• II - ой научно-технической конференции молодых ученых ЦАГИ, 1997 г., г. Жуковский.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

Содержание работы:

Введение. Дано обоснование темы работы, определена её акту алыюсть, выявлены цель и задачи диссертации.

Глава первая - "Исследование особенностей высокоскоростных течешн природного газа высокого давления".

Известно, что природный газ, представляющий собой смесь уг леводородов метанового ряда (метана, этана, пропана, бутана и т.д.) диоксида углерода, сероводорода и азота, можно считать термичесю (коэффициент сжимаемости Z = 1,0) и калорически (коэффициент ади абаты % = const) совершенным газом лишь при нормальных температу

pax и давлениях (Р~1 атм., Т~300К). При температурах 250-350 К и дав лениях 40-150 атм. влияние эффектов реального газа, обусловленные высоким давлением (межмолекулярным взаимодействием) и многоком понентным составом газа, является определяющим.

Переработка и транспорт природного газа, как правило, ведет ся при высоких давлениях, поэтому при исследовании его высокоско ростных течений в различных газодинамических устройствах в первук очередь необходимо выяснить характер влияния реальных свойств газ: на основные параметры потока.

Для расчета термодинамических свойств реального газа необ ходимо знать его уравнение состояния. В настоящее время преддоженс более двухсот уравнений, связывающих между собой давление, объем i температуру реального газа. Все они являются эмпирическими и по луэмпирическими выражениями, пригодными в той или иной обласп параметров. В данной работе будет использовано вириальное уравненш состояния - единственное теоретически обоснованное уравнение со стояния:

Z=P/(RTp) = 1 + В(Т)р + С(Г)р2 + ...,

где В(Т), С(Т) и т.д. - второй, третий и т.д. вириальные коэффициенты. Они зависят от температуры и вида потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия и описывают отклонения от уравнения состояния идеального газа, обусловленные потенциальным взаимодействием двух, трех и т.д. молекул. Хотя количество вириальных коэффициентов, которое необходимо учитывать при выполнении расчетов, зависит от значений давления и температуры, при Т>Ткр и Р<2Ркр (Ткр, Ркр - критические значения температуры и давления газа), как показано в ряде исследований, можно ограничиться лишь третьим вириальным коэффициентом.

Приведенное выше вириальное уравнение состояния использовалось для изучения влияния реальных свойств природного газа на течения в сверхзвуковых соплах, камерах смешения эжекторов и дозвуковых диффузорах.

Сверхзвуковые сопла. Сильная зависимость показателя адиабаты от давления и температуры, а также изменение температуры торможения при расширении природного газа из-за эффекта Джоуля-Томпсона делают невозможным не только применение для расчета газовых потоков общепринятых в газовой динамике газодинамических функций, но также и использование для описания течений такой величины, как приведенная скорость газа. Поэтому при исследовании течений природного газа высокого давления в сверхзвуковых соплах Лаваля необходимо проводить прямые численные расчеты, с использованием термодинамических функций реального газа.

В ходе численного решения системы уравнений, описывающей квазиодномерное изоэнтропическое течение природного газа высокого давления в сверхзвуковом сопле, показано, что:

• при одних и тех же начальных параметрах плотность природного газа в критическом сечении сопла заметно выше, чем для совершенного газа того же состава. Это приводит к увеличению расхо-

да газа через критическое сечение сопла на 10-30% по сравненш с совершенным газом. Для одних и тех же чисел Маха отличие площадях поперечных сечений сопел может достигать 50 и боле процентов;

♦ учет реальных свойств природного газа всегда приводит уменьшению его статической температуры, а поле статически давлений изменяется при этом немонотонно;

♦ в отличие от совершенного газа в природном газе уже при мало сверхзвуковой скорости (число Маха М~1.5) разность межд температурой торможения газа и температурой восстановлен!! может составить величину «-60К, вследствие чего на стенках сс пла реализуются весьма низкие температуры.

Камера смешения. Теоретический анализ течения природног газа в камере смешения эжектора выполнен при следующих предпс ложениях:

1. течение является стационарным и квазиодномерным;

2. конденсация газов не учитывается;

3. камера смешения является цилиндрической;

4. система теплоизолирована;

5. в камере смешения осуществляется полное перемешивание газов;

6. на начальном участке камеры смешения (до сечения запирания) смешением струй можно пренебречь;

7. кроме того, будем считать, что статические давления в стрз ях эжектирующего и эжектируемого газов в сечениях 1, 2, (рис.1) постоянны;

8. между сечениями 1 и 2 - течение адиабатическое, и не совершается внешней работы, связанной с силами трения,

9. течения эжектирующего и эжектируемого газов до сечения изоэнтропические.

Сопротивление трения камеры смешения принимается пропорциональным скоростному напору , а коэффициент поверхностного трения равным коэффициенту сопротивления турбулентного пограничного слоя для гладкой трубы при соответствующем числе Рейнольдса.

в ы ео/со я а порныа еаз

77777777777777

г

Миф/рузвр

_ у -'{{'"и-

7^77777^77777777ТГ,

Камера смешения

рис.1

Расчет течения природного газа высокого давления и сложного химического состава в камерах смешения эжекторов основывается на совме-:тпом решении уравнений сохранения массы, энергии и количества движе-шя и уравнений, определяющих термодинамические свойства природного ■аза по вириальному уравнению состояния.

Методика расчета была опробована на эжекторах, работающих на фиродном газе Карачаганакского и Оренбургского месторождений (ме-ган (СН4) - 76,05%, этан (С2Н6) - 7,27%, диоксид углерода (С02) - 6,76%, :ероводород (Н28) - 5,01%, пропан (С3Н8) - 2,86%, бутан (С4Н10) - 2,05%.).

На рис.2 показана расчетная дроссельная характеристика (кри-зая 1) эжектора, предназначенного для утилизации попутных нефтяных газов на нефтяном месторождении Оренбургской области. Геометрия эжектора и параметры торможения газов в форкамерах представлены в таблице к рис.2.

На этом графике точка Г соответствует критическому режиму работы эжектора, при котором, начиная от сечения запирания до выхода из камеры смешения, - поток сверхзвуковой, а в выходном сечении камеры смешения располагается прямой скачок уплотнения.

О-1 0.2 О.З О.А 0.5 ОЬ 0.7 0.8 К

коэффициент эжекиии

Рис. 2

Высоконапорный газ: Р'о = 100 атм., Т'о = 300К;

Низконапорный газ: Р0= 30 атм., Т0 = 300К;

Диаметр камеры смешения: Ок = 12.8 мм;

Критический диаметр высоконапорного звукового сопла: с!=7.2 мм.

Вертикальная ветвь дроссельной характеристики соответствует реж!; мам, при которых коэффициент эжекции остается постоянным, а степен сжатия падает за счет возрастания потерь в прямом скачке уплотненш На том же рисунке представлена дроссельная характеристика (кривая 2 того же эжектора, но при уровне давлений высоконапорного и низконг порного газа в 10 раз меньшем, при котором влияние эффектов реально го газа пренебрежимо мало. В указанных расчетах для выяснения тольк эффектов влияния реальных свойств газа коэффициент трения приш мался равным нулю. Из сравнения кривых 1 и 2 следует, что реальны свойства природного газа, которые проявляются при высоких давления газа, слабо влияют на степень сжатия эжектора, изменения которой сс ставляют величину порядка 1-2%. В то же время изменение коэффиш ента эжекции при этом может составлять 10% и более. Уменьшение кс эффициента эжекции при высоких давлениях природного газа объясш ется тем, что в этом случае реальные свойства газа приводят к

начительному увеличению расхода газа через сопло высоконапорного аза, что равнозначно падению коэффициента эжекции.

На рис.3 представлена зависимость температуры газа на выходе [з камеры смешения от коэффициента эжекции (кривые 1, 2 соответст-уют дроссельным характеристикам 1, 2 на рис.2). Эффект Джоуля-"омпсона при больших давлениях газа ведет к значительному падению ффективной температуры торможения природного газа.

Уменьшение статической температуры газа приводит к сниже-1ию скорости звука в газе, а значит к увеличению числа Маха на выходе 13 камеры смешения по сравнению с совершенным газом того же соста-1а, что приводит к ухудшению работы диффузора, а значит к падению

0 1 0.2 03 0.4 0.5 06 07 08 К

коэффициент эжекции

Рис. 3.

:уммарной степени сжатия системы эжектор+диффузор. Поэтому при зыборе оптимальных параметров эжекторной установки, работающей на природном газе, важно выбирать оптимальные параметры не только для эжектора, но и для системы эжектор+диффузор.

Такая оптимизация может приводить к существенному увеличению диаметра камеры смешения по сравнению со значениями, полученными при расчете оптимального эжектора отдельно от диф-

фузора. Особенно сильные отличия и диаметрах камер смешения оптимального эжектора и оптимальной системы эжектор+диффузор наблюдаются при малых степенях сжатия эжектора и больших коэффициентах эжекции, т.е., когда изменения полного давления в камере смешения эжектора и диффузоре,- одного порядка.

Как известно, при заданных параметрах высоконапорного и низконапорного газа существует некоторое оптимальное значение числа Маха на

выходе из высоко напорного сопла М = М^р^, определяющее его геометрию и эжектора в целом, при котором степень сжатия эжектора в случае дозвуковых скоростей в выходном сечении камеры смешения достигает при работе на критическом режиме максимального значения. На рис. 4 показана расчетная зависимость оптимального значения числа

Рис.4

Маха на выходе из высоконапорного сопла эжектора М от перепада давлений (Т (О - отношение полного давления высоконапорного газа к полному давлению низконапорного газа) газов, при разных давлениях смешиваемых газов и фиксированном коэффициенте эжекции. Состав и параметры газов в расчетах были приняты такими же, как и в предыдущих расчетах. Видно, что отличие в значениях М для эжекторов, работающих при высоких давлениях природного газа

и ЮОатм. и выше), от М для случая, при котором реальные

свойства газов не проявляются (Р0 «1—10 атм.), незначительно в диапазоне изменения 1<СГ<5 и при коэффициенте эжекции К>0.2. При увеличении С и уменьшении коэффициента эжекции эти отклонения возрастают.

Дозвуковые диффузоры. Структура потока в каналах диффузоров является достаточно сложной, что существенно затрудняет их теоретический расчет. Поэтому в настоящее время для расчетов диффузоров обычно используются экспериментальные данные. Для случаев течений совершенного газа их достаточно для расчета влияния условий на входе в диффузор на течение газа при различных геометриях каналов и типах диффузоров. Для определения влияния реальных свойств газов на характеристики газодинамических качеств диффузоров ( такие как коэффициент потерь полного давления и др.) был проведен анализ уравнения диссипации энергии в объеме диффузора, и показано, что падение полного давления АР01- в дозвуковом диффузоре можно представить в

следующем виде:

ЛРоГ У1-М?.

РоГ 2о1"

Здесь под у у , '¿у , м^ понимаются локальные значения показателя изоэнтропы у =

, коэффициента сжимаемости и числа

V д1пр) §

Маха природного газа на входе в диффузор, Ъ0у - сжимаемость газа при параметрах торможения газа на входе в диффузор. Коэффициент С, связан с обычно употребляемым коэффициентом

£ 2

т •

соотношением : ^ = ^ 1 (Ь - работа идеального компрессора для

Тог

восстановления полного давления, V:. скорость газа на входе в диффузор, Т[- ,Т()2' - статическая температура и эффективная температура

торможения газа на входе в диффузор).

Сильная нелинейность зависимости функций Z(P,T) и у(Р,Т)

от давления и температуры газа приводит к тому, что потери полного давления в диффузорах с природным газом высокого давления могут быть как больше, так и меньше потерь полного давления в диффузорах с совершенным газом. При относительно низких давлениях газа, когда значение показателя изоэнтропы при изменении Р и Т меняется незначительно, потери полного давления в диффузорах, работающих на реальном природном газе, будут меньше, чем в диффузоре с совершенным газом. При высоких давлениях газа, когда значение показателя изоэнтропы для реального газа намного больше, чем для совершенного газа,-потери полного давления в диффузорах на реальном газе становятся больше, чем на совершенном газе.

Экспериментальное исследование особенностей работы эжек-торных систем на природном газе было выполнено на опытно-промышленном эжекторе для установки комплексной подготовки природного газа к транспортировке Карачаганакского газоконденсатиого месторождения. Этот эжектор был предназначен для компримирования газов выветривания (давление -35 атм., расход - 1.94 кг/с) ) за счет энергии высоконапорного газа (давление -125 атм., расход - 44.4 кг/с) и подачи смеси газов в общий газопровод на установку низкотемпературной сепарации газа с давлением 81 атм. Сравнение экспериментальных точек

и теоретической зависимости степени сжатия эжектора от коэффициента эжекции показывает, что предложенная в этой работе теория хорошо отражает сущность явлений, происходящих в газовом эжекторе, работающем на природном газе.

Как правило, при высоких давлениях и низких температурах течения природного газа сопровождаются отложением на стенках газодинамических элементов гидратов и парафинов. В эжекторных системах образование на стенках сопел и камер смешения слоя таких отложений приводит к существенному изменению его рабочих характеристик. Поэтому необходима разработка специальных мер, исключающих их образование на поверхности газодинамических элементов.

Для исключения этого были предложены и испытаны следующие меры:

1) подача специальных ингибиторов, препятствующих процессам отложений гидратов и парафинов, в пограничный слой камеры смешения и диффузора;

2) применение антиадгезионных покрытий;

3) специально организованный нагрев элементов эжектора;

4) теплоизоляция стенок сопла высоконапорного газа.

Глава вторая - "Исследование воздействия конденсации отдельных компонентов природного газа на параметры высокоскоростных течений".

Как было показано в главе 1, течение природного газа в различных газодинамических элементах, таких как сверхзвуковые сопла, камеры смешения эжекторов, сепараторы, дроссели и т.п., сопровождается значительным падением статической температуры, обусловленного не только адиабатическим расширением, но и значительным влиянием эффекта Джоуля-Томпсона. Низкий уровень температур приводит к конденсации в потоке тяжелых компонентов природного газа и, как следствие, к значительному изменению газодинамических параметров течения. Поэтому анализ течений в устройствах, работающих на при-

родном газе, необходимо проводить с учетом этих процессов. Теоретический анализ конденсации природного газа сопряжен со значительными трудностями, связанными с тем, что конденсация природного газа представляет собой процесс, при котором в первую очередь конденсируются наиболее тяжелые углеводороды, а образовавшиеся капли служат центрами конденсации для более легких углеводородов. В результате образуется аэрозоль, капли которой представляют собой смесь различных углеводородов. Кроме того, в случае неравновесной конденсации будет иметь место неравновесное взаимное растворение компонентов, а значит необходимо одновременно учитывать процессы неравновесного растворения газов в конденсате.

Сложность описания процессов конденсации природного газа обусловлена и тем, что коэффициент поверхностного натяжения конденсата (от которого решающим образом зависят результаты теоретического расчета) является сильной функцией его состава и зависит от давления и температуры газа. В настоящее время не существует достаточно точных данных по поверхностному натяжению жидких смесей углеводородов, поэтому применение общепринятых в газовой динамике методик расчета течений с конденсацией (основанных, как правило, на применении выражений для скорости образования ядер конденсации) для исследования кинетики конденсации природного газа не представляется возможным. Учитывая это, в данной работе исследование влияния конденсации на течение природного газа в различных газодинамических элементах было проведено для двух крайних случаев: равновесной конденсации и замороженного течения.

При рассмотрении вариаций основных газодинамических параметров течения газа показано, что в сверхзвуковой области течения конденсация компонентов природного газа может приводить как к росту, так и к падению импульса газа относительно замороженного течения.

Определяющую роль при этом играет параметр

СР

1 I 5Т )р

Т Я7.

где - давление, температура и сжимаемость газа, Ь , СР, Я -теплота парообразования, теплоемкость и газовая постоянная газа.

Если > 0, то конденсация газа в сверхзвуковом потоке сопровождается ростом импульса и статического давления газа (относительно замороженного состояния).

При а < 0 наблюдается обратный эффект, заключающийся в том, что конденсация газа в сверхзвуковом потоке приводит к уменьшению импульса и статического давления газа относительно замороженного течения.

_ , *

Сравнение зависимостей параметров £1 и " от давления ука-

СРТ

зывает на существенное влияние сжимаемости Ъ на характер конденсации газов. Равновесная конденсация "чистых" газов, таких как метан и пропан в сверхзвуковом потоке проходит классическим образом при давлениях Р < 40атм. и Р < 1 атм. соответственно. Для углеводородов метанового ряда тяжелее пропана (бутан, пентан, гексан, гептан, и т.д.) при давлениях больших 1атм. параметр < 0, поэтому их равновесная конденсация в сверхзвуковом потоке при этом уровне давлений всегда будет сопровождаться падением статического давления и импульса газа относительно замороженного состояния.

Полученные результаты использовались в расчетах эффективности эжекторных систем при наличии конденсации газа в потоке. Были рассмотрении: две наиболее интересные модели течения природного газа в эжекторе при наличии конденсации:

1) конденсация компонентов природного газа происходит до сечения запирания в струе высоконапорного газа, а в камере смешения происходит испарение образовавшегося конденсата;

2) конденсация природного газа происходит в камере смешения эжектора за сечением запирания.

Модель 1 соответствует случаю, когда геометрия высоконапорного сопла обеспечивает равновесную конденсацию высоконаиорного газа. Модель 2 описывает случай конденсации компонентов низконапорного газа, происходящей после смешения эжектируемого газа с холодным высоконапорным газом.

Обнаружено, что влияние конденсации на рабочие параметры эжекторных систем наиболее сильно проявляется при конденсации компонентов природного газа в высоконапорной струе до сечения запирания. Это обусловлено тем, что влияние энергоподвода, обусловленного фазовым переходом, на параметры течения в сверхзвуковом потоке значительно выше, чем в дозвуковом.

Глава третья -"Сепарация компонентов природного газа в высокоскоростном потоке газа".

Разделение компонентов природного газа и выделение из него пропана, бутана, этана является одной из важнейших задач газовой промышленности. Развитие отрасли в значительной степени сдерживается как высокой стоимостью самого процесса разделения компонентов, так и промышленного оборудования для его осуществления. В настоящее время основными процессами для извлечения целевых компонентов являются низкотемпературные процессы: низкотемпературная абсорбция, низкотемпературная конденсация. Основным узлом этих процессов низкотемпературной переработки природного газа являются агрегаты охлаждения. Из-за того, что пластовое давление природного газа часто намного превышает давление, необходимое для его транспортировки, - становится возможным использование в

процессах низкотемпературной переработки устройств, в которых низкие температуры природного газа достигаются за счет его расширения. К таким устройствам относятся: дроссели, детандеры, вихревые трубы Ранка и некоторые др.

На рис. 5 представлены расчетные графики изменения температуры газа при снижении давления в этих устройствах при различных степенях расширения газа. В расчетах в качестве природного газа принимался чистый метан. Как видно из этого рис.5 перепад температур в детандере при любых перепадах давлений газа намного превышает перепад температур в других устройствах. В то же время при расширении природного газа в соплах Ла-валя, при тех же перепадах давления, что и в детандарах, можно получить

падение статической температуры газа А Т^, намного превышающее перепад температур А Т в детандарах. Расчетная зависимость А от перепада давлений Р|/Р2 для метана показана пунктирной линией на рис. 5. При расчетах Р2был принят равным 0.5Ро\ где Р0'- полное давление газа после торможения сверхзвукового потока в прямом скачке уплотнения.

При использовании для охлаждения газа адиабатического расшире-

V2 .

ния в сопле Лаваля величина кинетической энергии —— > и (V, Ь - скорость и статическая энтальпия газа), и в дозвуковых и сверхзвуковых диффузорах эту энергию можно вновь перевести во внутреннюю энергию. Поскольку разность энтропий А8 при этом уменьшается по сравнешпо с классическим циклом, предлагаемый цикл с охлаждением газа в сопле Лаваля и с восстановлением давления за счет кинетической энергии потока более экономичен.

Таким образом, адиабатическое расширение газа в сверхзвуковом сопле с термодинамической точки зрения обладает определенными преимуществами по сравнению с существующими методами получения низких температур газа.

Падение статической температуры природного газа в соплах Лаваля сопровождается конденсацией отдельных его компонентов. В сверхзвуковом закрученном потоке представляется возможным совместить операции охлаждения, конденсации и их сепарации.

Принципиальная схема предлагаемого устройства для обеспечения разделения компонентов природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке представлена на рис. 6. Устройство состоит из форкамеры 1, заверителя 2, сверхзвукового сопла 3, разделительной камеры 4 и диффузора 5.

вход газа выход газа

..

Рис. 6

В работе рассмотрены следующие проблемы, требующего детального рассмотрения при его создании:

• определение необходимой степени расширения и геометрии сопла, достаточной для конденсации отдельных компонентов природного газа;

• сепарация образовавшихся капель конденсата в поле центробежных сил в сверхзвуковом потоке;

• организация роста капель требуемого размера при гетерогенной и гомогенной конденсации;

• коагуляция капель сконденсировавшейся фазы.

Для определения необходимой степени расширения газа в сопле и соответственно статической температуры газа был проведен расчет конденсации отдельных компонентов различных природных газов для случаев, представляющих интерес для РАО "Газпром", и в частности для Сосногорского ГПЗ. Показано, что для большинства представленных к рассмотрению случаев требуемые числа Маха для конденсации компонентов Сз+в укладываются в диапазон М~ 2.2 -2.8.

Основываясь на совместном анализе уравнения сохранения момента количества движения газового объема и уравнения движения капли в сверхзвуковом сопле рассмотрена возможность отбора сконденсировавшейся фазы из закрученного сверхзвукового потока под действием центробежных сил. Показано, что указанный способ сепарации сконденсировавшегося газа наиболее эффективен для капель, диаметр которых больше, чем 1 микрон.

Из проведенного анализа следует, что рост капель заданного размера при спонтанной гомогенной конденсации маловероятен.

При организации гетерогенной конденсации в сверхзвуковых соплах необходимо управлять количеством гомогенных центров конденсации за счет изменения пересыщения конденсирующегося газа. Од-

нако необходимые параметры пересыщения при этом невозможно определить из-за отсутствия достаточно точных данных по физическим свойствам смесей углеводородов (в частности коэффициента поверхностного натяжения), поэтому окончательный выбор параметров потока для реализации гетерогенной конденсации с нужным размером капель может быть произведен только экспериментально.

Предложен механизм получения капель размером от одного до нескольких микрон путем собирания капель малого размера каплями большего размера, заранее вводимыми в поток. В работе получены аналитические зависимости, позволяющие выбрать параметры экспериментальной установки, такие как место ввода, размер и концентрация капель, длина сверхзвукового канала и т.д., для осуществления описанного механизма коагуляции капель.

Указывается, что основным недостатком приведенного способа введения скруббирующих капель в поток газа является трудность получения капель требуемого размера, т.к. существующие методы распыления жидкости дают достаточно широкий спектр капель по размерам. Поэтому основной проблемой при разработке данного способа является создание генератора капель с функцией распределения капель по размерам типа 5 - функции.

Заключение. По материалам диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика численного расчета параметров дозвуковых и сверхзвуковых течений природного газа высокого давления и сложного химического состава в различных газодинамических устройствах, основанная на применении вириального уравнения состояния.

2. Показано, что влияние эффектов реального газа, обусловленных высоким давлением (межмолекулярным взаимодействием) и его многокомпонентным составом, на течения природного газа в сверхзву-

ковых соплах, камерах смешения эжекторов, дозвуковых диффузорах является определяющим.

3. В результате промысловых испытаний эжекторных систем экспериментально подтверждено, что, разработанная в работе методика расчета газодинамических устройств хорошо отражает сущность явлений, происходящих в газодинамических элементах эжекторов.

4. Выявлено, что ухудшение эффективности эжекторных систем во время их эксплуатации связано с отложением на стенках газодинамических элементов слоя гидратов и парафинов. Предложены и испытаны специальные способы предотвращения образования гидратов и парафинов на стенках газодинамических элементов эжекторных систем.

5. При анализе конденсации компонентов природного газа в сверхзвуковых соплах показано, что в сверхзвуковой области течения конденсация компонентов природного газа может приводить как к росту, так и к падению статического давления в сопле и соответственно импульса потока (относительно замороженного состояния).

Указан определяющий параметр 5, зависящий от давления, температуры, сжимаемости, теплоемкости, газовой постоянной и теплоты парообразования газа.

6. Исследованы течения природного газа с конденсацией в камерах смешения эжекторов. Обнаружено, что влияние конденсации на рабочие параметры эжекторных систем наиболее сильно проявляется при конденсации компонентов природного газа в высоконапорной струе до сечения запирания.

7. Предложен способ низкотемпературной сепарации компонентов природного газа, основанный на его охлаждении при адиабатиеском расширении в сверхзвуковом сопле с закруткой потока. Для практически интересных случаев определены геометрии сопел, числа Маха и необходимые степени закрутки газа. Рассмотрены процессы

роста капель при гомогенной и гетерогенной конденсации газа. Показано, что отбор сконденсировавшейся фазы из закрученного сверхзвукового потока наиболее эффективен для капель, диаметр которых больше, чем 1 микрон. 8. Установлена необходимость искусственного введения частиц заданного размера в сверхзвуковой закрученный поток, для обеспечения сепарации капель, образующихся при конденсации компонентов природного газа.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

• Имаев С.З. Эжекторные системы для нефтяной и газовой промышленности //Фундаментальные проблемы нефти и газа: Тез. докл. Всероссийской науч. конф. - Москва, Гос. академия нефти и газа, 1996г.;

• Имаев С.З. Исследование течений природного газа высокого давления в газодинамических элементах эжекторов // Проблемы нелинейной динамики: Межведомственный сб. науч. тр. - Долгопрудный, МФТИ, 1996г.;

• Имаев С.З., Дмитриев Л.М. Тепло- и массоперенос к каплям в турбулентном потоке газа. - Рукопись депонирована в ВИНИТИ РАН 2 февраля 1996 г. Свидетельство №385-В96;

• Имаев С.З., Алферов В.И., Дмитриев Л.М. Газовый эжектор, патент № 2074988 от 10.03.97;

• Имаев С.З. Исследование воздействия конденсации компонентов природного газа на параметры высокоскоростных течений в различных газодинамических устройствах // Современные проблемы аэрокосмической науки: Тез. докладов II научно-технической конференции молодых ученых ЦАГИ - г. Жуковский, ЦАГИ, 1997 г.