基于CFD的三相分离装置工作性能仿真与参数分析.pdf

中图分类号 U D C 如D 7 1 3 6 2 9 ．4 硕士学位论文 学校代码 Q 5 兰兰 密级公珏 基于C F D 的三相分离装置工作性能 仿真与参数分析 P e r f o r m a n c eS i m u l a t i o na n dP a r a m e t r i cA n a l y s i so f T h r e e - P h a s e ．S e p a r a t i o nD e v i c eb a s e d o nC F D 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、 指导教师 张晶 交通运输工程 载运工具运用工程 所 交通运输工程学院 章易程副教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 月 、7 ≯1 ．1 万方数据 l I I I I I1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 U l l l la l l l I 学位论文原创性声明 Y 一2 6 8 8 0 7 5 一 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名张一晶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 戮晶 导师签雌 万方数据 硕士学位论文摘要 基于C F D 的三相分离装置工作性能仿真与参数分析 摘妻高瓦斯矿井在开采前往往采用钻孔施工来抽放瓦斯，以确保开 采前瓦斯浓度达到煤矿安全规定的数值。抽放过程中会产生大量的水、 煤、瓦斯的混合物，尽管瓦斯可以排放地面，但水严重影响了开采环 境。实际中亟需设计一种能将水、煤、瓦斯有效分离的装置，改善采 煤丑作面的工作环境，并将瓦斯变害为宝，作为能源加以利用。本文 首先分析了国内外水、煤、瓦斯分离的技术现状及其三相仿真研究的 动态，发现国内目前没有有关水、煤、瓦斯分离器的研究报道。本文 试图采用C A D ／C F D 技术，研究一种煤矿实用的高效的水、煤、瓦斯 分离器。 本文所做的研究工作如下 I 1 采用参数化设计，针对煤矿翻斗车改造，使用U G 软件设 计了水、煤、瓦斯分离器的初始结构，该分离器具有适应矿井环境， 结构简单、操作容易、维护方便的特点； 』 2 进行了分离性能的研究，提出了采用体积分数来衡量水、 煤、瓦斯的三相分离效率； 3 进行了水、煤、瓦斯分离器瞬态流场的仿真分析，分析了 水、煤、瓦斯分离器初始结构的流场规律，并计算了初始分离效率； 4 找出了影响性能的关键因素，及其影响规律。参数化仿真 结果表明 『1 瓦斯出口位置在最靠近进口位置，瓦斯出口较容易从瓦斯出 口排出，水出口的排水量大，分离效果较好； 2 瓦斯出口直径稍大于进口直径，瓦斯出口排出的瓦斯较多， 水出口排出的瓦斯少，分离效果较好； 3 挡板位置在靠近模型中部偏右的位置，瓦斯出口和水出口排 出的瓦斯变化较小，水出E l 的排水量较大，整体分离效果较好； 4 挡板底边距箱底高度稍低于进口位置高度，进口部分或全部 浸没在初始水相中，分离器分离效果较好； 5 进口位置高度与挡板底边距箱底高度相同或稍高于该高度， 瓦斯出口排出的瓦斯量大，分离效果好； 6 进口直径与水出口直径相同或稍大于水出口直径，水出口排 出的水较多，瓦斯容易从瓦斯出口排出，整体分离效果较好。 I l 万方数据 硕士学位论文摘要 6 针对初始设计模型，根据影响规律，提出了改进设计的模 型。该模型分离效率显著提高，达到了水、煤、瓦斯的高效分离要求。 本文所进行的研究工作为进一步研究水、煤、瓦斯三相分离装置 的分离原理、分离特性提供了理论指导；为其装置的结构优化设计提 供了一种切实可行的方法。 图5 2 幅，表9 个，参考文献6 l 篇。 关键词三相分离；瓦斯；结构设计；数值模拟；结构参数分析 分类号T D 7 1 3 I I l 万方数据 硕士学位论文A b s t r a c t P e r f o r m a n c eS i m u l a t i o na n dP a r a m e t r i cA n a l y s i so f T h r e e - P h a s eS e p a r a t i o nD e v i c eB a s e do nC F D A b S t r a c t Ad r i l l i n gi so p e r a t e di nac o a lm i n ew i t hp l e n t yo fc o a l b e d g a sf t oe x t r a c tg a si no r d e rt oe n s u r et h a tt h eg a sc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n t h es a f ev a l u ep r o v i d e db yt h er e g u l a t i o n so fc o a lm i n es a f e t yb e f o r e m i l l 】i n g ．A1 0 to fam i x t u r eo fw a t e r , c o a la n dg a sw i l le m e r g ed u r i n g d r i l l i n gj o b ．A l t h o u g ht h eg a si sd i s c h a r g e di n t ot h ea i r , t h ew a t e rw i l l h a v es e r i o u s l ye f f e c to nt h em i n i n ge n v i r o n m e n t ．I ti su r g e n tt oi n v e n ta n e wk i n do fd e v i c e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys e p a r a t ew a t e r , c o a la n dg a s ， a l s ni m p r o v e t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fc o a lw o r k i n gf a c e ，w h a t ’Sm o r e ， a n dt r a n s f e rt h eg a si n t oa l la v a i l a b l ee n e r g ys o u r c e ．I nf i r s tp l a c e ，t h e d o m e s t i ca n do v e r s e a s t a t u so fs t u d yo nw a t e r - c o a l - g a s s e p a r a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r e s s o ft h r e ep h a s es i m u l a t i o nr e s e a r c ha r e i n t r o d u c e d ．A n dt h ew a t e r - c o a l g a ss e p a r a t i o nd e v i c ei sn o tr e p o r t e db y n o W ．F i n a l l y , an e wk i n do fd e v i c ef o rs e p a r a t i n gw a t e r , c o a la n dg a si s s t u d i e db ym e a n so fC A D ／C F Dt e c h n o l o g y ． T h es e a r c hw o r k si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s l 1 Ab a s i c s t r u c t u r eo f w a t e r - c o a l g a ss e p a r a t i o n d e v i c ew a s d e s i g n e db ym e a n so f U Gs o f t w a r eb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f p a r a m e t r i c d e s i g n ．T h i sd e v i c eh a ss o m eb a s i ca d v a n t a g e s ，s u c h a sa ne x c e l l e n t a d a p t a t i o nf o rt h ec o m p l i c a t e dm i n ee n v i r o n m e n t ，as i m p l es t r u c t u r e ，t h e c o n y e n i e n c ei no p e r a t i n g a n dm a i n t a i n i n g ． 2 S o m es e p a r a t i n gp e r f o r m a n c e sw e r er e s e a r c h e da n dt h ee f f i c i e n c y o f t h r e ep h a s es e p a r a t i o no fw a t e r - c o a l - g a sW a sd e f i n e di nv o l u m er a t e ． 3 At r a n s i e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s o fw a t e r - c o a l g a s s e p a r a t i o n d e v l c ew a sc a r r i e do u t ．A n ds o m ef l o wf i e l dl a w so fb a s i cs t r u c t u r eo f w a t e r - c o a l g a ss e p a r a t i o nd e v i c ew e r ea n a l y z e d ．A l s oi t ss e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw a sc o m p u t e d ． 4 T h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n ds o m e r e l a t e dl a w sw e r ef o u n d ．T h er e s u l t so fp a r a m e t r i cs i m u l a t i o ns h o wt h a t 1 W h e nt h eg a so u t l e ti st h ec l o s e s tt ot h ei m p o r t ，m o s to fw a t e ra n d g a s lw i l lb es e p a r a t e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h e i ro w no u t l e t ，r e s u l t i n gi n h i 曲s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． T V 万方数据 硕士学位论文 A b s 仃a c t 2 W h e nt h ed i a m e t e ro ft h eg a so u t l e ti ss l i g h t l yl a r g e rt h a nt h a to f t h ei n l e t ，t h em o s to fg a sw i l lf l o wV i a 廿1 eg a so u t l e tw h i l el e s sg a sg o e s o u to ft h ew a t e ro u t l e t , r e s u l t i n gi nh i g h s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． 3 W h e nt h eb a f f l eb o a r di sl o c a t e dc l o s et ot h er i g h ts i d eo ft h e m i d d l eo ft h ed e v i c e ，t h ew a t e ri sm a i n l yd i s c h a r g e dv i at h ew a t e ro u t l e t w h i l et h ef l o wo f g a so u to f t h ew a t e ro u t l e ta n dg a so u t l e tb a s i c a l l yk e e p s c o n s t a n t ，r e s u l t i n gi nh i g hs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． 4 W h e nt h eb a f f i eb o t t o me d g ei sal i t t l el o w e rt h a nt h el o w e s t l o c a t i o no fi n l e t ，t h ei n l e tw i l lb ep a r t l yo rc o m p l e t e l yi m m e r g e di nt h e w a t e r , r e s u l t i n gi nh i g hs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． 5 w h e nt h ei n l e ti sa sh i 曲a st h eb a f f l eb o t t o me d g eo rs o m e w h a t h i g h e r ，t h em o s to fg a sw i l lf l o wV i at h eg a so u t l e t ，r e s u l t i n gi nh i g h s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． 6 T h ew a t e ro u t l e ti sa sl a r g ea st h ei n l e to rs o m e w h a tl a r g e r , t h e w a t e ra n dg a sw i l l m a i n l yr u n sr e s p e c t i v e l yo u to ft h e i ro w no u t l e t ， r e s u l t i n gi nh i 曲s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ． 5 B a s e do nt h ed e v i c ew i t hb a s i c ss t r u c t u r e ，a d v i c ew i t hi m p r o v e d s t r u c t u r ew a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e i n f l u e n c i n gl a w s ．T h eh i 曲 s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ei m p r o v e dd e v i c ec a nb eo b v i o u s l yo b s e r v e d ． Ad e v i c ew i t hh i 曲e f f i c i e n c yo fs e p a r a t i n gw a t e r - c o a l ．g a si so b t a i n e da t l a s t ． At h e o r e t i c a l g u i d a n c ei sp r o v i d e db yt h es t u d yt ot h ef u r t h e r r e s e a r c ho nt h es e p a r a t i o nm e c h a n i s m ，s e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e t h r e e 。p h a s es e p a r a t i o nd e v i c e ．A l s o ，av e r yu s e f u lm e t h o do fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ed e v i c ei sp u ti n t op r a c t i c e ． K e y w o r d s t h r e e p h a s es e p a r a t i o n ；c o a l b e dg a s ；s t r u c t u r ed e s i g n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r u c t u r ep a r a m e t e r a n a l y s i s C l a s s i f i c a t i o n T D 713 V 万方数据 堡主笆堡笙茎旦茎 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 √ 通用分离器的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．2水、煤、瓦斯分离器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 『分离器流场研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．4 ．t研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．5 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．6l 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2水、煤、瓦斯三相分离器的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1设计要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 U G 参数化设计技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1U G 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．2 参数化设计技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 , 4 『材料选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 【本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3C F D 数值模拟的基本理论与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 C F D 数值模拟概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2C F D 数值模拟的求解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 。网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 求解器的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．5流场模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 ．1多相流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 ．2 湍流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．6 ．1 质量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．6 ．2 动量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．6 ．3 能量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．6 ．4 湍流控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．7 求解控制参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．7 ．1压力修正法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．7 ．2 离散格式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4基于C F D 的三相分离器的工作性能分析与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1三相分离器的分离性能定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．1 三相分离器分离原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．2三相分离器分离效率的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 面向三相分离器的流场仿真分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1仿真工具的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．2 基于F l u e n t 的仿真分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3基于C F D 的三相分离瞬态流动仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．3 ．1 物性参数及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 ．2三相分离器初始模型的瞬态流动仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 基于C F D 的三相分离器的参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．1 分离器参数分析方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 分离器的结构参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．1瓦斯出口位置对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．2 瓦斯出口直径对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 ．3挡板位置对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．4 挡板底边距箱底高度对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．2 ．5进口位置对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．6进口直径对分离器分离性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 基于C F D 的三相分离器分离性能的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 ．1三相分离器结构参数的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．2改进模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 6 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～5 9 V 1 I 万方数据 硕士学位论文目录 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 V I I I 万方数据 硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 ．11 研究背景 我国是煤炭生产和消费大国，煤炭作为主要固体燃料占一次能源构成的7 0 ％ 左右。但是我国超过9 0 ％的煤矿都属于地下作业，煤层条件具有复杂性和多变性， 开采过程中常发生瓦斯突出、瓦斯爆炸等重大安全事故。1 9 4 9 年以来，我国煤 矿判发生1 0 0 0 0 余次瓦斯突出事故，占世界突出事故总数的3 3 ％以上，共死亡 3 5 0 0 多人，其中包括1 1 次瓦斯事故，1 5 起1 次死亡人数超过1 0 0 的特重大事故， 共死亡1 4 9 6 人【l J ，导致重大经济损失和人员伤亡。同时，瓦斯也是一种温室气 体，温室效应是C 0 2 的2 0 多倍，对臭氧层的破坏能力是C 0 2 的7 倍，而且排放 到大气中的煤层气中还混有甲烷的同系物等放射性物质。大量瓦斯的排放不仅污 染环境，而且危害人体健康。根据联合国的报告，每年世界上3 3 ％以上的甲烷是 中国在采煤过程中释放到大气中的，甲烷排放量高达1 9 4 亿m 3 ，已经成为国际 社会关注的热点。 煤层瓦斯 煤层气 的主要成分是甲烷 C H 4 ，大量的瓦斯以吸附状态储存 在煤层内，少量的瓦斯溶解在煤层水或者游离于煤孔隙中，是煤的伴生矿产资源。 如果开采前能够有计划地抽采利用储存在煤层中的煤层气，不仅可以减少甚至杜 绝煤矿安全事故的发生，也能够得到新的洁净能源【2 J ，带来巨大的经济效益。 瓦斯抽放是目前防治煤矿安全事故的主要措施，它既可以减少矿井瓦斯的涌 出型，防止瓦斯爆炸和突出，也可以解决通风不易解决的瓦斯问题，减少通风费 用。抽放出来的瓦斯往往伴有水和煤浆，可以通过水、煤、瓦斯分离器将瓦斯分 离出来作为一种新的能源加以利用。本文将利用多相流仿真技术研究水、煤、瓦 斯分离器关键结构参数的分析。 1 ．2l 国内外研究现状 1 ．2 ．1 『通用分离器的类型 工业上的通用分离技术对于水、煤、瓦斯的分离具有一定的借鉴作用。通用 分倒器主要有离心分离、重力分离和碰撞聚结分离。7 0 年代和8 0 年代碰撞聚 结分离和重力分离技术得到广泛应用；N T9 0 年代，离心分离技术开始迅速发 展，由于碰撞聚结分离和重力分离技术的发展较为成熟，因此在当前仍被广泛运 用于．实际生产嘲。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 离心分离 离心分离技术是利用离心机旋转产生的离心力，分离并提取密度不同的物质 的方法。由于离心机高速旋转产生的离心力远远大于重力，很大程度上提高了沉 降速度，实现不同比重的物质的分离，分离效果优于重力分离。其中利用离心分 离原理的主要设备是水力旋流器，如图1 ．1 ’所示。 8 图H 水力旋流器示意图 1 ．溢流；2 ．溢流E 1 ；3 ．盖下流；4 矽} 旋流； 5 ．底流1 3 6 ．底流；7 ．内旋流；8 一进料口 离心分离设备可以分为水力旋流器、旋流分离器、混合分离器和液体分离器 四种，其中水力旋流器应用最为广泛。 1 8 9 1 年E ．B r e t n e y 【4 J 利用离心技术研制了第一台获得专利的水力旋流器，自 此旋流分离技术的研究开始蓬勃发展起来。 1 9 3 9 年荷兰的D r i e s s e n [ 5 】首次在煤矿利用水力旋流器来澄清煤泥水。 1 9 8 0 年1 0 月英国南安普敦大学流体力学教授M ．T ．T H E W 和D ．A ． C O L M A N t 6 , 7 】首次在B H R A 学术会议上发布了水力旋流器，而英国C O N O C O 公 司利用该项技术设计出第一台V O R T O I L 水力旋流器。 T u l s a 大学的A r p a n d iIA ．和J o s h iA ．以及C h e v r o n 石油技术公司的K o u b aG E 【8 _ 1 1 1 等最早研究了管柱式气液旋流分离器 G L C C ，而且获得了少许成果。 8 0 年代以后，国际上对水力旋流器进行了技术开发与产品研究，而我国从 9 0 年代才开始对此项技术有所认识，目前国内大量科研机构正在研究扩大这一 技术。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 f 2 0 0 5 年，郑娟【1 2 J 在深入地研究了旋流器原理和G L C C 后提出一种新型气液 固j 相旋流分离器。 2 2 0 1 0 年，蒋明虎、徐磊和武海平【1 3 - 1 5 1 等借鉴G L C C 分离原理提出了两种气 液圆三相旋流分离设备。 由于起步比较晚，在三相旋流分离技术方面，我国仍然落后国外先进水平。 2 重力分离 重力分离技术是利用重力作用分离不同密度的气体和液体的方法，也是最简 单、最常用的方法，采用该技术能够使气泡从液体中浮出至气相，而液滴直接沉 降。 就重力分离器而言，最典型的设备是美国的A P I 游离水分离器，它的主要 作用是预分离油、水、气，被广泛地应用于工程实践中。 美国C ．EN a t c o 公司[ t 6 】在1 9 7 8 年采用游离水分离器的技术，研发出了 P e r f o r m a x 填料式分离器，实现了水油的快速分离。该公司在1 9 8 0 年以后又研发 出了与P e r f o r m a x 分离器工作原理相同的双流式分离器，事实上该分离器就是两 台P c r f o r m a x 分离器的并联组合。 图1 ．2 所示为河南石油勘探局【1 7 1 在1 9 8 7 年根据重力消能原理和水洗作用以 及美国的P e r f o r m a x 分离器，成功地研制出H N S ．I I 型分离器，该分离器改善了 原有的分离效果与流动特点。通过对H N S ．I I 型分离器的深入研究，1 9 9 2 年之后 又研发出一种结构优化的H N S ．I I I 型分离器，该分离器首次使用了一种新型组件， 它可以有效地改进分离器的流动特点。 图l 一2H N S I I 型分离器 1 ．进液口；2 ．水出口；3 ．油出口； 4 ．布液器；5 ．填料层；6 ．油室；7 ．水室 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 到了9 0 年代，陆耀军、潘玉琦、薛敦松等人1 1 8 】进一步研究了水油重力式分 离器，采用新的数学模型来研究该分离器的分离效率和流动特点。 3 1 碰撞聚结分离 碰撞聚结分离是把重力分离过程和碰撞聚结过程相结合的用于加速重力分 离的方法，其工作原理【1 9 】分散相进入分离器，首先通过进口构件碰撞实现预 分离，然后在重力作用下沉降到分离器下部，液体在分离器下部经过聚结介质， 经过碰撞、聚结和沉降过程实现有效分离。 图1 ．3 所示为C E - N A T C O 公司在2 0 世纪8 0 年代推出了P e f f o r m a x 板式聚结 器1 2 0 , 2 1 1 ，通过不停地改善，该分离器广泛地用于分离非均相。曹建树f 2 2 】等结合“聚 结技术”和“浅池理论“ 研制的新型高效波纹板分离器内部液流均匀分布，减少 甚至杜绝液流短路和沟流，可以在短时间内实现气液的高效分离。 4 图l 一3P e f f o r m a x 板式聚结器 卜进液口；2 一气出口；3 一油出口；4 一水出口 1 ．2 ．2 水、煤、瓦斯分离器 近些年，对于水、煤、瓦斯三相分离器的研究在国内才刚刚开始，许多研究 尚不成熟。2 0 0 7 年，淮北矿业集团海孜煤矿的魏胜田、连昌宝、郭忠等人【2 3 l 自 主研发出了“高瓦斯赋水钻孔瓦斯抽采气、水分离器”，根据水、水雾、瓦斯的 物理特性，设计了高效气、水分离器的结构，并将该设施成功应用于淮北矿业集 团海孜煤矿井下，成功地解决高瓦斯赋水钻孔气、水分离的技术难题，有效地保 障了矿井安全生产。 随着生产实际的需要以及科技的发展，近些年国内很多公司的科研机构开始 4 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 研究水、煤、瓦斯分离装置。2 0 1 3 年，神华神东保德煤矿的邬喜仓、孟宪章等 人【2 4 】研发出“一种瓦斯、煤水分离装置”，如图1 - 4 所示，该装置能够有效地控 制钻孔钻进中瓦斯突出或超限的问题，同时将钻孔中流出的煤水通过煤水排出管 集中处理，可以减少水煤对巷道的污染。 图l - 4 瓦斯煤水分离装置 1 - 分离装置；2 ．排气口；3 ．煤水排出管；4 琏通管 图1 ．5 所示为郭金陵、薛明理【2 5 1 发明的由集尘箱、进渣E 1 、抽气口和出水口 构剧的防瓦斯喷孔分离器，该分离器适用于水排钻屑或者风排钻屑，能够有效地 捕捉钻采过程中喷出的9 5 ％的瓦斯，很大程度上解决了开采过程中出现的瓦斯超 限问J 题。 7 3 图1 - 5 水、煤、瓦斯分离器 1 ．集尘箱；2 ．支腿；3 一横梁；4 - 抽气口； 5 ．喷水嘴；6 一进渣口；7 ．排水口；8 ．出渣口 6 2 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 2 0 1 1 年，重庆市能源投资集团科技有限责任公司的余模华、沈大富、周东 平等人【2 6 J 发明的一种“用于煤矿井下钻孔的气渣分离及煤层气回收装置”，详细 设计了该装置的结构特征，并且为了实现高效生产的目的，设计了该装置应用时 的技术方案。研究结果表明该装置除尘效果好、无瓦斯泄漏、水灾隐患和人身 伤害隐患，且结构简单、制造成本低。 2 0 1 2 年，中国矿业大学的李增华、葛泉、杨永良等人1 27 】为了克服解决煤层 瓦斯喷孔安全隐患的问题，设计了一种“煤矿瓦斯喷孔气水煤分离装置”，结合 该装置的结构，给出了利用该装置解决其技术问题所采用的技术方案。研究结果 表明所研发的煤矿瓦斯喷孔气水煤分离装置通过双仓的方式，大大提高了排喷 出物的效率和稳定性，能持续不问断的分离瓦斯、煤和水。 魏厚瑗、丁琦洋1 2 8 】发明的低耗能瓦斯分离系统能够将较低的煤层气及其组 分有效分离。 周成军【2 9 】利用瓦斯和空气比重不同提出了一种成本较低的空气和瓦斯分离 的方法，该方法能够有效地分离瓦斯和空气。 罗新荣、罗玉霖【3 0 】利用仓内的负压原理发明的煤与瓦斯分离方法，能够在 钻孔内的煤层分离煤和瓦斯