基于超音速膨脹凝結的油田伴生氣脫二氧化碳研究

范路 韓卓 蒲曉莉 馬立輝 李煒 邊江

摘要 ：油田伴生氣通常含有大量的二氧化碳等酸性氣體，為了提升油田伴生氣質量，必須對天然氣進行脫二氧化碳處理；將超音速旋流分離技術用于伴生氣脫除二氧化碳是一條全新路徑，但二氧化碳在超音速流動條件下的冷凝特性有待進一步明晰。建立二氧化碳在噴管中的相變過程數學模型，討論二氧化碳超音速凝結流動特性，分析入口溫度和壓力對二氧化碳超音速凝結特性的影響規律。結果表明：二氧化碳在噴管喉部之后的擴張段發生凝結，生成大量的二氧化碳液滴；隨著噴管入口溫度增加，盡管凝結的二氧化碳液滴數量增加，但噴管出口和中軸線上的液相質量分數減小，凝結位置越靠近噴管出口；隨著噴管入口壓力增加，混合氣體在噴管出口的壓力和溫度升高、速度減小，二氧化碳在噴管內凝結產生的液滴數量減少，噴管出口和中心軸線上的液相質量分數越大。

關鍵詞 ：油田伴生氣； 二氧化碳； 噴管； 超音速； 凝結

中圖分類號 ：TE 86 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：范路，韓卓，蒲曉莉，等.基于超音速膨脹凝結的油田伴生氣脫二氧化碳研究［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（1）：159-165.

FAN Lu， HAN Zhuo， PU Xiaoli， et al. Decarburization of oilfield associated gas based on supersonic speed expansion and condensation technology［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（1）：159-165.

Decarburization of oilfield associated gas based on supersonic

speed expansion and condensation technology

FAN Lu 1， HAN Zhuo 1， PU Xiaoli 2， MA Lihui 1， LI Wei 1， BIAN Jiang 3

（1.Technical Inspection Center， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying 257000， China;

2.Jianghan Machinery Research Institute Limited Company of CNPC， Wuhan 430024， China;

3.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract ： Oilfield associated gas usually contains a large amount of carbon dioxide and other acidic gases. In order to improve the quality of oilfield associated gas， it is necessary to remove carbon dioxide from the natural gas. The application of supersonic speed cyclone separation technology to natural gas to remove carbon dioxide is a new path， but the condensation characteristics of carbon dioxide under supersonic speed flow conditions need to be further clarified. A mathematical model of the phase transition process of carbon dioxide in the Laval nozzle was established， the supersonic speed condensation and flow characteristics of carbon dioxide were discussed， and the influence of inlet temperature and pressure conditions on the supersonic speed condensation characteristics of carbon dioxide was analyzed. The results show that the carbon dioxide will condense in the expansion section behind the throat of the nozzle， forming a large number of carbon dioxide droplets. With the increase of the temperature of the nozzle inlet， although the number of droplets produced by the condensation increases， the mass fractions of the liquid phase on the nozzle outlet and the central axis decrease， and the condensation position becomes closer to the nozzle outlet. With the increase of the inlet pressure of the nozzle， the pressure and temperature of the mixed gas at the nozzle outlet increase， and the corresponding velocity decreases. The number of droplets generated by carbon dioxide condensation in the nozzle decreases， and the mass fractions of the liquid phase at the nozzle outlet and central axis increase.

Keywords ： oilfield associated gas; carbon dioxide; nozzle; supersonic speed; condensation

天然氣是實現中國雙碳工作目標的重要清潔能源 ?［1］ 。油田伴生氣是隨油氣一同開采出的天然氣，回收和利用伴生氣中高價值輕烴組分是提高油田產值的重要手段 ?［2］ 。油田伴生氣中除了含有大量甲烷和一定量的水分及重烴外，還含有大量的二氧化碳等酸性氣體，二氧化碳的存在會影響天然氣的熱值，降低天然氣的質量；二氧化碳與水會生成碳酸，難以避免地造成管道或儲運設施的腐蝕 ?［3］ 。為了提高油田伴生氣質量從而增加經濟效益，必須對天然氣進行脫二氧化碳處理，但常規處理通常是將含二氧化碳的天然氣直接燃燒，這樣不僅會浪費資源，還會污染環境，所以有必要研發適用于油田現場的天然氣脫碳工藝，實現油田伴生氣中的二氧化碳的高效脫除。超音速旋流分離技術是近些年來新興的天然氣脫水、脫烴技術，具有結構緊湊、支持無人值守等優勢，在天然氣凈化領域有廣闊的商業前景和實用價值。將超音速旋流分離技術用于伴生氣脫除二氧化碳氣體是一條全新路徑 ?［4］ 。 經過超音速旋流分離器加工處理后的天然氣符合管輸或直接燃燒利用要求，脫除的二氧化碳可直接用于驅油或回注?；谠摷夹g既降低了二氧化碳分離的成本，又減少二氧化碳的排放，實現二氧化碳的高效回收利用，同時提純天然氣產品，達到節能減排、綠色發展的目標。綜上，研究利用凝結和旋流分離技術相結合的方法脫除油田伴生氣中的二氧化碳氣體為實現油田節本降耗提供了新路徑。目前利用超音速膨脹凝結原理進行天然氣脫水和天然氣液化的研究較多。文闖等 ?［5-6］ 建立了天然氣在超音速旋流分離器內氣液兩相流動數學模型，對分離器內凝結液滴軌跡進行數值計算。邊江等 ??［7-8］ 通過數值模擬和實驗研究了拉法爾噴管入口參數對天然氣液化特性的影響。范學君等 ?［9］ 利用HYSYS軟件對超音速天然氣脫水和重烴工藝進行了設計，分析了馬赫數、氣液比和壓損比等關鍵設計參數對超音速旋流分離器性能的影響。然而，當前針對伴生氣超音速分離二氧化碳的研究十分少見，有必要進一步研究二氧化碳在超音速旋流中的膨脹過程和冷凝特性。筆者建立二氧化碳在超音速噴管中的相變過程數學模型，討論二氧化碳在超音速流動條件下的冷凝特性，分析入口溫度和壓力條件對二氧化碳超音速凝結特性的影響規律。

1 工作原理與幾何模型

1.1 結構與工作原理

超音速旋流分離裝置主要由拉法爾噴管、旋流發生裝置、旋流分離段，擴壓段等組成，如圖1所示。含有二氧化碳的天然氣進入超音速旋流分離裝置后，氣體在拉法爾噴管中膨脹至超音速，溫度和壓力隨之降低，當達到一定過飽和狀態時，二氧化碳氣體開始凝結，同時隨著溫降加劇液滴不斷生長，在旋流產生的巨大離心力作用下實現氣液分離 ??［10-11］ 。因此二氧化碳氣體在拉法爾噴管內的自發凝結相變過程是超音速旋流分離脫碳工藝的關鍵。需要深入研究二氧化碳氣體在拉法爾噴管中的自發凝結流動過程。

1.2 噴管幾何結構模型

在超音速旋流分離器中二氧化碳的凝結液化主要發生在拉法爾噴管中，拉法爾噴管又可以分為穩定段、亞音速收縮段、喉部和超音速擴張段4個部分 ?［12］ 。數值模擬中采用二維拉法爾噴管模型結構，使用GAMBIT對其進行網格劃分，網格劃分的拉法爾噴管結構如圖2所示。喉部熱力學參數根據BWRS真實氣體狀態方程計算獲得，從而確定喉部參數； ?穩定段的相關參數與喉部的相關參數有關，一般認為喉部直徑比穩定段直徑越小越好，在此基礎上取穩定段直徑為喉部直徑的7倍，穩定段長度為10倍喉部直徑；通過雙三次曲線法設計得到亞音速收縮段的尺寸；超音速擴張段采用圓弧與直線相結合的方法設計 ?［13］ ，拉法爾噴管穩定段入口、喉部、擴張段出口的直徑分別為70、10和18.264 mm，穩定段、收縮段、擴張段長度分別為100、112.021 和63.077 mm。

2 數值方法

2.1 模擬方案

采用FLUENT進行數值模擬，混合氣體組分為物質的量分數80%的甲烷與20%的二氧化碳。為更全面地分析二氧化碳氣體在拉法爾噴管內的凝結流動特性，分別模擬不同入口壓力（5～7 MPa）和溫度（273～283 K）條件下的甲烷和二氧化碳混合氣體在拉法爾噴管內的凝結流動過程，獲得不同模擬條件下噴管內壓力、溫度、速度、液滴數、液相質量分數等影響規律。

2.2 模擬方法

不同模擬條件下對甲烷和二氧化碳混合氣體在拉法爾噴管中凝結流動進行數值模擬，除了邊界條件設置不同外，其他模擬操作均相同。

（1）求解器選擇。FLUENT軟件有壓力基求解器和密度基求解器兩種求解器，其中壓力基求解器使用的是壓力修正算法，求解的控制方程形式是標量形式，對于可壓縮流動和不可壓縮流動都可以進行求解，本文中選擇壓力基求解器。

（2）湍流模型選取。超音速凝結流動包含自由剪切流與附體流，Menter ?［14］

提出的SST ?k-ω模型結合了k-e模型與k-ω模型特點，對于近壁面低雷諾數流動采用標準k-ω模型進行計算，而在遠壁面完全湍流區切換為k-e模型， 因此該模型可用于受限空間超音速凝結流動的數值模擬。

（3） 邊界條件設定。FLUENT中的入口條件包括速度入口條件、壓力入口條件、質量入口條件等，數值模擬選擇壓力入口條件，設置出口條件中溫度為273 K，壁面條件選擇固壁無滑移，操作壓力均設為0。

（4）求解方法設置。求解方法設置主要包括關聯算法和離散格式，在分離求解器的使用過程中，一般選擇3種壓強-速度的關聯形式：SIMPLE、SIMPLEC和PISO，本文中選擇SIMPLE算法 ?［15］ 。

（5）UDS和UDF。由于二氧化碳氣體會發生凝結相變，所以在模擬計算過程中需要通過利用用戶自定義標量（user-defined scalar，UDS）和用戶自定義函數編程（user-defined function，UDF）對FLUENT軟件進行二次開發 ?［16］ 。

（6）求解設定。在完成上述設定以后進行初始化，之后通過修改求解過程中的控制參數進行求解。當計算過程滿足以下收斂條件時，判定收斂：①能量方程殘差小于1×10 ?-5 ；②其余方程殘差小于1×10 ?-3 ；③出、入口質量流量相對誤差小于0.05%。

2.3 網格獨立性驗證

在Fluent模擬中，網格劃分質量對模擬結果有重要影響。采用數值模擬方式對網格數分別為 4 851 、8 985、18 984、31 811的結構性網格進行無關性驗證，分析溫度在噴管軸線不同位置下的相對誤差。對比發現，不同的網格密度對預測精度有差異，特別是對激波附近的流場。當網格單元大于18 984時，計算結果變化不大。綜合考慮實際運行中計算效率，模擬采用網格數為18 984的網格進行模擬。

2.4 模型驗證

Moses等 ?［17］ 的試驗數據能夠準確反映自發凝結所引起的流動變化。為了驗證所建立的凝結模型、湍流模型、流動方程的準確性，采用Moses等的實驗數據與數值模擬結果進行對比分析。計算條件為：入口水蒸氣壓力70.727 kPa，入口溫度377 K，出口背壓0 kPa。通過分析噴管內壓力分布（圖3），可以看出仿真結果能夠準確反映噴管內的壓力變化趨勢，尤其是數值模擬可以較為準確地預測凝結過程，說明所建立的數學模型和數值計算方法具有較高的準確性。

3 結果與討論

3.1 混合氣體流動和凝結特性

設置噴管入口壓力5 MPa、入口溫度273 K，得到拉法爾噴管內甲烷和二氧化碳混合氣體在不同模擬條件下的流動和凝結參數云圖，結果如圖4所示。

由圖4可知，甲烷和二氧化碳混合氣體的壓力在拉法爾噴管的穩定段基本不發生變化，在收縮段的某一位置開始降低，在擴張段出口達到最小值；混合氣體的溫度在拉法爾噴管的穩定段不會發生變化，在收縮段的某一位置開始迅速降低，由于二氧化碳氣體凝結會釋放凝結潛熱，對流動場有加熱效應，所以在擴張段會出現溫度先升高后降低的現象，但由于混合氣體在擴張段內不斷膨脹，因此整體溫度呈現不斷降低趨勢，最后溫度在擴張段出口達到最小值；混合氣體的速度在拉法爾噴管的穩定段基本不會發生變化， 從收縮段開始，混合氣體的速度開始增大，在喉部位置達到音速，在擴張段繼續增大，在噴管出口變為超音速；混合氣體在拉法爾噴管的喉部之前不會發生凝結，即不會產生液滴，在喉部之后會發生凝結現象，然后液滴數和液相質量分數增加，到擴張段出口達到最大值。

3.2 溫度對二氧化碳超音速凝結影響

入口溫度的變化會導致混合氣體的相特性發生變化，從而改變混合氣體在拉法爾噴管內的流動狀態。保持出入口除了溫度以外其他的參數不變，通過改變溫度參數，得到不同溫度下甲烷和二氧化碳混合氣體在拉法爾噴管內凝結和流動情況，結果如圖5所示。

對入口壓力為5 MPa，溫度分別為273、278 和283 K的模擬結果進行對比，發現入口溫度的改變會對混合氣體在拉法爾噴管內的壓力分布產生影響。溫度越高，混合氣體的壓力在噴管擴張段中降低的更多，在噴管出口的壓力也就越小，出口壓力分別為0.755、0.747 和0.743 MPa；溫度越高，混合氣體在噴管中的速度就越大，在噴管出口的速度也越大。

入口溫度的改變會對混合氣體在拉法爾噴管內凝結產生的液滴數量及分布產生影響，從而影響液相質量分數。隨著入口溫度升高，凝結發生位置越來越遠離噴管喉部，其原因在于溫度升高時，相同壓力條件下二氧化碳氣體過冷度減小，入口狀態下離極限過冷度越遠，達到成核所需要的臨界條件越慢。當入口溫度為273 K時，凝結發生在噴管入口之后0.222 m處；當入口溫度升高到283 K時，凝結發生在噴管入口之后 x =0.228 m處，即入口溫度從273 K升高到283 K時，凝結位置向后移動了6 mm。溫度越高，混合氣體在噴管內凝結產生的液滴數量越多，但噴管出口和中軸線上的液相質量分數越小。隨著入口溫度從273 K增加至283 K，出口的液滴數從5.28×10 ?15 ?kg ?-1 升高到7.72×10 ?15 ?kg ?-1 ，液相質量分數從17.2%降低到12.8%。

3.3 壓力對二氧化碳超音速凝結的影響

保持其他條件不變，改變入口壓力參數，獲得不同入口壓力下甲烷和二氧化碳混合氣體在拉法爾噴管內凝結和流動情況，結果如圖6所示。

通過對比入口壓力對凝結和流動規律的影響，發現入口壓力越高，混合氣體膨脹程度越高，氣體在噴管擴張段中溫降幅度越大。從圖6中還可以看出，隨著入口壓力從5 MPa提高至7 MPa，液滴數從5.28×10 ?15 ?kg ?-1 下降到9.23×10 ?14 ?kg ?-1 ，其原因在于凝結發生位置越靠近喉部，凝結位置對應溫度較高，所獲得的液滴數較小。隨著壓力的升高，相同溫度下二氧化碳的分壓增大，液相質量分數也逐漸增加。相比于不同入口溫度，入口壓力的變化對凝結起始位置的變化影響較小。

4 結 論

（1）甲烷和二氧化碳混合氣體在拉法爾噴管內壓力、溫度會降低，然后膨脹至超音速，在噴管喉部以后的擴張段某一位置會發生凝結。

（2）隨著噴管入口溫度增加，混合氣體在噴管出口的壓力越小、速度越大，在擴張段由凝結放熱引起溫度變化的折點向噴管出口方向移動；但在噴管出口的溫度差別不大，混合氣體在噴管內凝結產生的液滴數量越多，噴管出口和中軸線上的液相質量分數越小，發生凝結的位置越靠近噴管出口。

（3）隨著噴管入口壓力增加，混合氣體在噴管出口的壓力越大、溫度越大、速度越小，二氧化碳在噴管內凝結產生的液滴數量越少，噴管出口和中心軸線上的液相質量分數越大，壓力變化對凝結起始位置的變化影響較小。

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（編輯 沈玉英）