Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.15.06 - Розробка нафтових та газових родовищ. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Івано- Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2018. Дисертація присвячена удосконаленню існуючих технологій підготовляння природного газу до транспортування шляхом використання вихрових труб. На сьогодні розроблено та реалізовано на практиці широкий спектр технологій, які забезпечують необхідну якість підготовляння природного газу, серед яких найпоширенішою є низькотемпературна сепарація з використанням дроселювання. Одним із визначальних параметрів процесу низькотемпературної сепарації за допомогою дроселювання є вільний перепад тиску. У процесі виснаження родовища тиск на усті свердловин знижується, а наявний перепад тиску на дросельному пристрої зменшується. Це практично виключає подальшу можливість ефективної роботи типової схеми низькотемпературної сепарації з дросель- ефектом. Використання інших методів і пристроїв (турбодетандерів, хвильових детандерів, пульсаційних осушувачів, холодильних машин та ін.) потребує великих енергетичних та матеріальних витрат, додаткового обслуговуючого персоналу або має значні технологічні обмеження. Тому виникає потреба у пошуку та удосконаленні альтернативних технологій, які б забезпечували необхідну якість підготовляння природного газу до транспортування з максимальною ефективністю та мінімальними витратами енергоресурсів. До таких технологій відноситься використання в системі підготовляння газу вихрових труб. Проведено критичний аналіз основних технологій підготовляння природного газу до транспортування, а також таких інноваційних систем, як Twister та 3-S. Встановлено, що, незважаючи на тривале вивчення ефекту Ранка, так і не було створено загальновизнаної фізичної моделі цього явища. Внаслідок складності процесу та відсутності методів газодинамічного розрахунку параметрів потоку у вихровій трубі, основою для розрахунку вихрових труб є дослідні дані, оброблені відповідно до вибраної схеми. В існуючих методиках присутній ряд обмежень, що не дає можливості використовувати їх для розрахунку вихрових труб в умовах установок низькотемпературної сепарації газу. Також в існуючих методиках не враховується можливість виникнення режиму ежектування. У роботі досліджено процес температурного розділення потоку газу у вихровій трубі. Запропоновано удосконалену математичну модель вихрової труби. Чисельно досліджено умови виникнення явища ежектування у вихровій трубі. Встановлено характер впливу геометричних розмірів вихрової труби на її термодинамічну ефективність. За результатами чисельних досліджень отримано емпіричні залежності, що пов'язують між собою масову частку гарячого потоку µh, площу діафрагми Fc, площу кільцевого отвору на виході гарячого потоку Fh та відношення вхідного і вихідного тисків я, тобто дають можливість визначити умови виникнення режиму ежектування у вихровій трубі. Також отримано емпіричні залежності, що пов'язують між собою масову частку гарячого потоку µh, температуру робочого газу на вході Ti, температуру холодного Tc та гарячого Th потоків. Запропоновані залежності дозволяють проводити розрахунки як для вихрового режиму течії, так і для режиму ежектування газу на дослідженому діапазоні вхідних параметрів. Співставлено результати чисельних досліджень з використанням запропонованої математичної моделі вихрової труби з результатами експериментів інших дослідників. На основі математичної моделі розроблено, запатентовано та запущено в експлуатацію промисловий зразок вихрової труби для використання в системах низькотемпературної сепарації природного газу, за допомогою якого проведено промислові дослідження ефекту Ранка в умовах установки низькотемпературної сепарації природного газу. Описана та проаналізована робота вихрового пристрою у складі технологічних піній установок HTC під час промислових досліджень. За результатами проведених досліджень встановлено, що наявність режиму ежектування негативно впливає на термодинамічну ефективність роботи вихрової груби. Максимальний ефект нагрівання газу отримано при найбільшому відношенні вхідного і вихідного тисків ? = 1,854 і складає ? Th = -9 °С або без впливу цросель-ефекту ?Тh = 12,4°С. Максимальний ефект охолодження при цьому відношенні тисків дорівнює ?Tc = 26,5 °С. За результатами статистичного аналізу промислових даних встановлено, що відношення вхідного і вихідного тисків ? має найбільший вплив на ефект охолодження, що пояснюється збільшенням величини дросель-ефекту при збільшенні вхідного тиску. Також впливають на процес частка гарячого потоку µh, га ефект взаємодії цих двох параметрів. Запропоновано регресійну модель для визначення перепаду температур ?Tc залежно від частки гарячого потоку JUH та відношення тисків ?. Діапазон її використання включає відношення вхідного і вихідного тисків ? = 1,465 - 1,854, вхідну температуру газу Ti = -2.. .+9 °С, частку гарячого потоку µh = 0 - 1,0. Співставлено дані, отримані під час промислових експериментів, з розрахованими даними математичної моделі. Найбільше відхилення від експериментальних даних складає 5%. За результатами дослідно-промислової експлуатації вихрової труби обґрунтована доцільність використання запропонованої математичної моделі для розроблення нових технологічних схем підготовляння газу та конструювання нових промислових зразків вихрової труби. На основі запропонованої математичної моделі розроблено методику розрахунку геометричних розмірів вихрової труби (діаметра сопла, діафрагми та розмірів конусного регулятора) для досягнення заданих термодинамічних параметрів її роботи, а також методику визначення термодинамічних параметрів роботи вихрової труби для конструкції із заданими геометричними розмірами. За результатами промислових досліджень розроблено та запатентовано технології підготовляння газу з використанням вихрової труби. Одна із запропонованих технологій дозволяє ефективно використати холодний потік газу з вихрової труби для додаткового охолодження потоку перед сепаратором другого ступеня. Інша запропонована технологія використовує теплий потік газу з вихрової труби для підігрівання газу, що подається на газорозподільні станції побутовим споживачам. Це дозволяє уникнути використання додаткових джерел енергії для підігрівання газу. При проведенні розрахунків матеріально-теплового балансу розроблених технологічних схем підготовляння газу з використанням вихрових труб за базу порівняння були взяті типові схеми низькотемпературної сепарації з подачею газу у магістральний газопровід та з одночасною подачею у магістральний і побутовий газопровід. Підтверджено, що запропоновані технології мають підвищену ефективність порівняно з базовими варіантами технологічних схем та дозволяють заощаджувати енергоресурси, необхідні для підготовляння природного газу до транспортування. Результати теоретичних досліджень та дослідно-промислових випробувань було впроваджено в технологічний процес на установках підготовляння природного газу в Україні. Ключові слова: природний газ, низькотемпературна сепарація, вихрова труба, ефект Ранка, турбулентність, енергетичне розділення, гідродинаміка, моделювання. ЗМІСТ Вступ 4 Розділ 1 Огляд досліджень вихрового ефекту 10 1.1 Передумови використання вихрових труб у системах підготовляння природного газу 10 1.2 Механізм ефекту Ранка та його основні характеристики 19 1.3 Експериментальні дослідження ефекту Ранка 23 1.4 Чисельні дослідження ефекту Ранка 26 1.5 Методики розрахунку параметрів вихрових труб 30 Висновки до розділу 1 31 Розділ 2 Математичне моделювання процесів у вихрових трубах 33 2.1 Вибір рівнянь математичної моделі 33 2.1.1 Закони збереження маси, моменту та енергії 34 2.1.2 Рівняння стану газу 35 2.1.3 Модель турбулентності 38 2.2 Розв'язання системи рівнянь математичної моделі 41 2.2.1 Метод розв'язку системи рівнянь математичної моделі 41 2.2.2 Геометрична та розрахункова моделі досліджуваного об'єкту 44 2.2.3 Початкові та граничні умови математичної моделі 46 2.2.4 Результати розв'язання математичної моделі 48 Висновки до розділу 2 62 Розділ 3 Промислові дослідження термодинамічних характеристик (ВОПОТОКОВОЇ вихрової труби 63 3.1 Планування експерименту 63 3.2 Об'єкт досліджень 65 3.3 Технологічна схема установок при дослідженні вихрової труби 68 3.4 Контрольно-вимірювальні прилади, засоби автоматизації та програмне забезпечення 21 3.5 Методика проведення промислових досліджень 73 3.6 Аналіз результатів промислових досліджень 74 3.7 Статистичний аналіз промислових даних 90 Висновки до розділу 3 97 Розділ 4 Методика розрахунку вихрових труб та систем сепарації газу з їх використанням 99 4.1 Методика визначення основних геометричних та термодинамічних параметрів вихрової труби 99 4.2 Імітаційна модель вихрової труби для розрахунку матеріально- теплового балансу систем підготовляння газу 104 4.3 Розробка технологічних схем підготовляння природного газу з використанням вихрової труби 105 4.3.1 Технологія HTC з подачею газу в магістральний газопровід та на автоматичну газорозподільну станцію 105 4.3.2 Технологія підготовляння газу на автоматичній газорозподільній станції 109 4.4 Аналіз ефективності розроблених технологічних схем 110 Висновки до розділу 4 114 Висновки 115 Список використаних джерел 117 Додатки 129