Laval喷管设计及在天然气液化中的应用研究

杨 文，曹学文

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛266580)

Laval喷管设计及在天然气液化中的应用研究

杨 文，曹学文

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛266580)

提出通过超声速喷管使气体在高速流动条件下急剧膨胀而产生的低温效应液化天然气。结合双三次曲线法、BWRS真实气体状态方程、圆弧加直线方法及边界层黏性修正进行Laval喷管的设计，对喷管内甲烷气体的流动及液化过程进行研究，并分析入口温度、压力及背压对甲烷气液化过程的影响。研究结果表明：气体在喷管内流动达到超声速并导致低压低温，促使气体液化；入口温度的降低或入口压力的升高能促进气体液化，但过低温度(低于170 K)将使气体进入固相区，同样，提高压力时，由于比热比增大，当压力增大到2.5 MPa时也将使气体进入固相区，阻碍气体的液化；随着背压的升高，激波将进入喷管内，减弱或破坏气体的液化过程。利用超声速旋流分离器液化天然气时，应尽可能地回收压力能并保证激波不进入喷管和旋流分离段内。

天然气液化；喷管；超声速；数值计算

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)的体积只有气态天然气的1/625左右，因此，采用LNG的形式对天然气进行储存、运输及合理利用都具有十分明显的优越性，对于天然气远洋贸易，海上天然气、页岩气和煤层气的开发以及天然气调峰等都具有重要的应用价值。

超声速旋流分离技术最早应用于空调中，空气加压后以超声速流经管道，将水从空气中分离出来[1]。而后，ENGO石油公司与Twister BV公司将此技术引入石油天然气行业，应用于天然气加工处理领域，由于超声速旋流分离器具有结构紧凑、安全可靠(无旋转部件)等特点而被广泛关注，国内西安交通大学[2]、大连理工大学[3]、北京工业大学[4-5]、中国石油大学(华东)[6-7]等均开展了将其应用于天然气脱水、脱重烃等方面的数值模拟及实验研究工作。在超声速旋流分离器中，气体从亚声速段流经喉部进入扩张段内，可形成低温低压区，利于气体的液化。本文提出利用超声速旋流分离器进行天然气的液化，并研究了其可行性。LNG中一般要求甲烷含量达到83%以上，因此，利用商业软件FLUENT研究了甲烷气体单组分在Laval喷管内的流动过程，并结合NIST提供的甲烷气体饱和性质数据[8]分析其液化过程。

1 Laval喷管设计

拟将气体在高速流动条件下急剧膨胀所产生的低温效应应用到天然气液化中，利用超声速旋流分离器来实现这一目的，其结构示意图见图1所示。气体进入喷管后在Laval喷管中被加速至超声速，形成低温低压区域，促使气体液化，液相被旋流分离，气相从喷管出口排出。

气体液化过程主要发生在Laval喷管中，Laval喷管可分为稳定段、亚声速收缩段、喉部及超声速扩张段4个部分[9-12]。①稳定段：直径与喉部直径有关，理论认为稳定段直径与喉部直径之比越大越好，本文将该比值取为7～8之间，稳定段长度取为喉部直径的10倍左右；②收缩段：采用双三次曲线法设计，该方法使得流场过渡自然，涡流较小，可在收缩段出口处获得均匀气流；③喉部：天然气在超声速喷管中的流动属于低温范畴，采用真实气体状态方程BWRS对气体热力学性质进行计算，以进行喉部设计；④扩张段：采用圆弧加直线的设计方法进行设计。边界层黏性修正，认为边界层位移厚度沿轴向线性发展，线性修正角取为0.5°。

图1 用于天然气液化的超声速旋流分离器结构示意图

在入口压力2 MPa、入口温度170 K、标准状态下5 000 m3/h流量的工况进行喷管设计，喷管型面及其参数分别见图2、表1。

图2 喷管型面

表1 喷管结构参数

2 Laval喷管内流场计算理论基础

2.1 流动控制方程组

甲烷气体在喷管内流动，遵循质量守恒、动量守恒及能量守恒方程，控制方程组如下：

(1)

(2)

(3)

其中：ρv为气体密度；ui、uj为速度分量；p为压力；T为温度；μ为黏度；δij为Kronecker delta数；E为气体总能；keff为有效导热系数；τeff为有效应力张量。

2.2 计算方法

利用FLUENT计算Laval喷管内甲烷气体流动过程。

(1)为闭合流动控制方程组，需选用合适的湍流模型，本文采用k-ω模型。k-ω模型适用于墙壁束缚流动，且适用于可压缩流体流动。

(2)喷管中的气体流动属于高速可压缩流动，采用密度基方法进行求解；流动控制方程、湍流动能方程、湍流耗散率方程均采用二阶迎风格式进行离散。

(3)采用非结构化网格进行网格划分，考虑到边界层的影响，对边界层进行局部加密。为排除数值计算结果对于网格划分的依赖性，逐步加密网格，进行网格无关性验证，分别对3 864、7 733、12 834、19 085、40 117网格数量进行计算，当网格数大于12 834时计算结果变化很小，选定计算网格数为12 834。

(4)低温甲烷气体已偏离理想气体，采用NIST真实气体模型计算密度、比热、黏度、导热系数等物性参数。

(5)对于边界条件，喷管进口设置为压力进口，出口设置为压力出口，固壁设置为无滑移、无渗流、绝热边界。压力入口指定总压、静压、总温、湍流参数。对于超声速流动，因所有流动参数将从内部外推得到，故而压力出口不进行相应设置，对于改变背压情况，压力出口指定静压、回流总温及湍流参数。

3 Laval喷管特性研究

3.1 甲烷气液化过程

利用Fluent软件，依据流动控制方程组及所选取计算方法，计算喷管内甲烷气体流动参数。甲烷气体在流动过程中，当温度低于当地压力对应饱和温度时将发生液化。图3为喷管中心轴线处马赫数、静温及静压分布情况。从图中可以看出，随着气体在喷管内的流动，气体流速逐渐增大，在喷管入口处时为亚声速流动，跨越喉部(x=0.327 96 m)后变为超声速流动，喷管出口处马赫数可达到2.13；同时，气体的高速膨胀导致低温、低压的产生，在喷管出口处压力为2.09×105Pa(对应饱和温度为121.25 K)，温度为99.91 K，出口处温度低于当地压力对应的饱和温度21.34 K，甲烷气体将发生液化。此处数值计算的入口压力为2 MPa、入口温度170 K。

图3 喷管中心轴线处马赫数、静温及静压分布

3.2 入口温度、压力对甲烷气液化过程的影响

随着入口温度及压力的改变，甲烷气体在喷管内流动过程的p-T性质将发生变化，从而影响其液化过程。

保持入口压力不变，改变入口温度，分析入口温度对于超声速喷管内液化过程的影响。图4所示为不同入口温度下喷管内p-T曲线与甲烷气体饱和曲线。从图中可以看出，入口温度越高，喷管内气体所能达到的温度越高，压力分布基本不发生变化，从而导致进入液相的区域越小，当入口温度升至220 ℃时，甲烷气体已基本不能发生液化。也即入口温度的降低将促进甲烷气体的液化。但值得注意的是，入口温度过低，将有可能使气体越过液相区而进入固相区(如图5所示)，阻碍气体的液化。因此，对于用于气体液化的喷管，其入口温度存在最优范围。研究结果表明，入口压力为2 MPa时，所设计喷管最优入口温度范围为170～220 ℃。

图4 不同入口温度喷管内p-T曲线

图5 甲烷单组分相图及喷管内p-T曲线

图6所示为不同入口压力下喷管内p-T曲线与甲烷气体饱和曲线。从图中可以看出，入口压力越低，喷管轴线处所能达到的压力越低，温度分布变化较小，从而导致进入液相的区域越短，当入口压力降至0.5 MPa时，甲烷气体已基本不能发生液化。即压力的升高可促进甲烷气体的液化。但研究过程中发现，当保持入口温度不变，提高入口压力至某一值时将使喷管出口温度过低而进入固相区，从而对于甲烷液化过程起不到促进作用。也即是，对于固定出口马赫数喷管，当提高入口压力时应相应提高入口温度(图7所示为各压力下最低入口温度)，以保证超声速旋流分离器的正常运行。发生这一现象与甲烷气体比热比有关，当压力提升时其比热比增大，喷管内气体温降及压降变大，当压力增大到某一值时气体将跨过液相区进入固相区， 阻碍气体的液化。同样，对于用于气体液化的喷管，其入口压力也存在最优范围，压力过低将导致气体不能液化，过高将有可能使得气体进入固相区阻碍气体液化。研究结果表明，入口温度为170 K时，所设计喷管最优入口压力范围为0.4～2.5 MPa。

图6 不同入口压力喷管内p-T曲线

图7 不同入口压力下最低入口温度

3.3 背压对甲烷气液化过程的影响

保持喷管入口参数不变，改变背压，研究背压对气体液化的影响。定义喷管压比为背压与入口静压的比值，图8、图9分别为不同压比情况下喷管内压力、温度分布，分别计算了压比为0.2、0.4、0.6、0.8 的情况。从图中可以看出，当压比为0.2时，在喷管内未有激波产生，随着压比的增大，喷管内产生激波(使得压力、温度突变)，且随着压比的增加，激波产生的位置向喷管入口移动，其突升时的压力、温度更高，不利于气体的液化。图10为各压比情况下喷管内p-T曲线与甲烷气体饱和曲线。从图中可以看出，压比为0.2时其流动及液化过程未受到影响，当激波进入喷管后，将使得压力、温度向着饱和曲线移动，从而减弱或破坏喷管内的液化过程。应用超声速旋流分离器进行天然气液化分离，难以将气体完全液化，干气将从气体出口排出，为减少能量损失，应将压力能回收。超声速旋流分离器结构中(见图1)，在喷管后还有旋流分离段及扩压段，就是为了尽可能地回收压力能并保证激波不进入喷管和旋流分离段内破坏液化环境。

图8 不同压比情况下喷管内压力分布

图9 不同压比情况下喷管内温度分布

图10 不同压比情况下喷管内p-T图与甲烷气体饱和曲线

4 结 论

(1)入口温度的降低或者入口压力的升高，将促进甲烷气体的液化。但当入口温度过低时，将有可能使得气体越过液相区而进入固相区，妨碍气体的液化过程；同时，随着压力的升高，由于比热比的增大，也有可能使得喷管出口温度过低而进入固相区。

(2)增大压比，将使得激波进入喷管内，减弱或者破坏喷管内气体的液化过程。对于超声速旋流分离器，应尽可能地回收压力能并保证激波不进入喷管和旋流分离段内。

(3)为了解甲烷气体在喷管内具体液化情况，需结合液滴生成及生长理论，进一步分析其在喷管内的自发凝结情况，这是该课题下一步的研究工作。

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责任编辑：董 瑾

2014-09-29

国家自然科学基金项目“基于流体高速膨胀特性的天然气液化机理研究”(编号：51274232)；国家自然科学基金项目“基于超音速膨胀过程的天然气脱CO2过程机理研究”(编号：51406240)

杨文(1987-)，男，博士研究生，主要从事多相流及油气田集输技术研究。E-mail：yangwen112006@163.com

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