例的缩小设计，喉部设计成一段光滑圆弧，扩张段按照富尔士法设计，喷管出口流速均匀性较好，具有较小的能量损失；经过对轴流叶轮叶片设计方法设计的叶片进行优化，提高了离心加速度、增加了旋流比。对混合气流场进行数值模拟，根据液滴颗粒在叶片的旋流分离效率，模拟计算低压降旋流分离器分离段水的分离效率为75.2%，重烃的分离效率73.2%。水和重烃在喷管后的最大滞留时间约为9.6毫秒，水化物来不及形成，因此低压降旋流分离器实现了免添加水化物抑制剂防冻。利用 HYSYS 计算，出口压力 4MPa下烃露点温度降至-27.83℃，水化物的形成温度降至 1.17℃。
对低压降旋流分离器内气流特性进行数值模拟分析，得出气流速度、压力和温度特性的变化情况，控制激波趋于扩压器入口，降低气流动能，增加了旋流比，提高了旋流分离的效率，保持升压比达 40%～47%，分离器可正常工作。
关键词：凝析气，低压降，旋流分离，升压比，露点
近几年随着我国经济的高速发展，能源消费快速增长，与资源约束形成明显对比。我国单位GDP能源消耗比世界平均水平高2.2倍左右，是发达国家的4～8倍。尤其是最近几年，高耗能产业发展较快，经济增长方式粗放，能源消耗量不断增加，能源产出效率大大低于国际先进水平。为保持国家的可持续发展，节能减排已成为今后促进经济高效快速发展的重点。“十一五”规划纲要提出的万元GDP能耗降低20%和主要污染物排放减少10%的目标，为确保实现该目标必须大力研发节能环保技术。2006我国没有实现预定的万元GDP能耗降低4%、主要污染物排放减少2%的目标，全年万元GDP能耗下降1.23%，主要污染物排放不降反升，加大了实现“十一五”节能减排总体目标的难度。
根据《能源发展“十一五”规划》，加快油气开发、节能、环保是我国能源发展的重要措施，天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支柱。2005年中国天然气产量为493亿立方米，占一次能源消费总量的2.7％。“十一五”规划要求，2010年全国天然气产量要达到920亿立方米，占一次能源消费总量的5.3％。我国天然气勘探开发潜力大，处于勘探早期阶段，储量产量将快速增长，随着我国油气勘探技术的发展，预计今后五年还将有更多的天然气田得到开发。
我国天然气工业的迅速发展和国家节能减排促进经济高效快速增长的要求迫切需要研发低能耗、节能环保的天然气加工处理设备，以完善和发展天然气集输和加工处理工艺，促进高能耗、高污染的石油化工行业节能减排。
1.1我国天然气矿场加工处理现状
目前，我国的天然气资源多为凝析气田和酸性气田，开发也较晚。天然气气田从井口出来的气流几乎都为水汽所饱和，并含有少量重烃。含饱和水的天然气进入管线常常造成一系列的问题：（1）增加管线输送的动力消耗，降低输气量；
（2）天然气中的CO2和H2S溶于游离水中会形成酸，腐蚀管路和设备；（3）水与天然气形成的水合物结晶造成天然气水合物的局部积累减少输气管道截面积，降低输气量，影响平稳供气，严重时可堵塞输气管线和其它处理设备，给天然气储运和加工造成很大困难。而重烃的存在也会降低天然气热值，降低输气效率，严重时堵塞管线。因此天然气防冻、脱水和重烃分离是油气集输系统的重要工艺环节。将天然气中的水汽含量控制在工艺流程要求的范围内，才能保证气体输送和轻烃回收工艺的实施。
井口加热节流和加入水合物抑制剂集气工艺是当前天然气开发常规集气工艺，通过节流降低井流压力，损失了高压能量，而加热、注醇又增加了能源消耗，显然常规的加热、注醇工艺被动地解决水合物的冻堵问题，增加了运行设备，提高了天然取得开发成本。
常温分离工艺和低温分离工艺是常用的天然气分离技术，传统的油气分离技术有诸多弊端。如：在天然气集输系统中存在油气分离不彻底、能源浪费、凝析油采收率不高等问题。从天然气中分离水和凝析油通常采取蒸汽压缩制冷、节流膨胀制冷和膨胀机制冷等方法获取冷量，实现低温分离，必要时还需加热或加水合物抑制剂以防水与天然气形成的水合物结晶在管输及后续深冷加工过程中冻堵管线、设备，整个过程极为复杂，耗资巨大，需要庞大的设备，成本和运行费用很高。
针对传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大的特点，提出了免加热或免加注防冻剂的超声速旋流分离重烃和水的新技术——超声速旋流天然气分离技术。从国内外天然气气工业的发展来看，超声速旋流天然气分离技术顺应了天然气工业安全、环保、节能降耗、降低开发成本的要求，支持无人值守，顺应边际油气田、沙漠油气田特别是海洋油气田发展的趋势，有着广阔的发展前景。
1.2超声速旋流分离器研究进展
超声速漩流分离技术是将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的一项新技术。其理论最初应用于1989年，以空气旋流器的名义获得专利，主要用于空调上，空气加压以超声速流经管道，将水从空气中分离出来[1]。直到 1997年，壳牌石油公司提出并开始研究超声速旋流天然气分离技术[2]，研制出一种名为Twister的超声速分离装置，该技术才在油气加工处理领域受到重视。国内对超声速旋流天然气分离技术的研究刚起步，主要是对国外技术的报道和综述。下面从超声速旋流天然气分离技术的基础理论与数值模拟研究、实验室与现场试验研究等方面介绍国内外研究现状和发展趋势。
1.2.1超声速旋流天然气分离器的工作原理
1997壳牌公司研发的Twister超声速旋流分离器结构如图1所示[3]，由拉伐
尔喷管、超声速整流管、超声速翼、扩压器等构件组成。其工作原理包括①天然气通过拉伐尔喷管绝热膨胀至超声速，形成低温低压；②低温使天然气中的重烃和水份凝结成液滴，形成气液混合物；③气液混合物通过超声速翼，形成强烈的旋流场，液滴在离心力的作用下旋流到管壁处，而居于管道中心处的气流变成干气，实现气液分离。④生成的干气流入扩压管，速度转化为压力。分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的部分气体，并将这部分气体与干气流会合。
该处理设备集膨胀降温、旋流式气/液分离、再压缩等工艺于一个密闭紧凑的装置里，与传统工艺相比，具有密闭无泄漏、无需化学药剂（乙二醇或甲醇）、结构紧凑轻巧、简单可靠（无移动部件）、支持无人值守等优点，该技术与常规处理工艺相比可使投资和运行费用减少10～25%[2]，更适于海上深水天然气的开发。
改进的低压降Twister设计图如下：
2007年4月到8月之间，SSB B11气体处理厂对改进的Twister系统进行了测试，由测试结果可知：在同样的压力降下，改进的Twister在145Bar的入口压力下去除的液体是原设计的大约3倍，噪声比原设计的更低，在主要出口气体中水的含量比原设计降低了30%。水的含量比SSB的目标低了10%。
1.2.2低压降Twister的工作原理及与原设计的比较
Twister TM是一种新型气体露点指向装置，在装置里天然气以超音速速度流经分离段。Twister用来从气流中去除可压缩的蒸气，例如水或液态天然气（NGL），这是为了降低气体的露点或提取重烃中的气体。
Twister TM里面三个主要的物理过程如下：
1．近等熵膨胀，由于高的速度（超音速）导致低压、低温；
2．蒸气的非平衡凝结，使得产生了由亚微米级的小液滴形成的细水雾； 3．很强的旋流使得比周围气体重的液滴由于惯性而产生了分离； 虽然这些物理过程结合后的应用是新的，但是每个过程的物理学知识已早为人知。
在高速流动中，粘性和热传导对薄边界层的影响，通常是有限的，因些主要流程可以看作是一个等熵过程。在这种情况下，压力，密度和温度的关系如下：
在喷管中，含可压缩蒸汽的气体快速绝热膨胀到超音速，而混合物的温度却以一个非常高的冷却速度（104-106K/s）降低。形成了一个过冷的非平衡状态，但是在这个状态下凝结不会发生。这个亚稳定状态不会持续很久。在喷管超音速部分的一些点处蒸气分子的凝结核将会自发形成。核化速率变得非常高，而大批非常小的液滴，其尺寸通常为几毫微米，几乎是瞬间形成的。由于小液滴的浓度极高（>1015 m-3），外部粒子作为凝结核的环境不能形成，在这个冷凝过程中起不到作用。因些可以把这个过程看作是均匀成核过程。当蒸气混合物仍然处在过冷（或过饱合）状态时，这些凝结核将会长成小液滴，然后蒸气消失，重新回到平衡或饱合状态。
常规相分离器的原料流（进料）通常是两相混合物。分散相可以是小液滴，气泡或着固体颗粒能在惯性的作用下分离开，但是在这些装置里通常不会发生相变。在Twister装置里原料流通常是一个单相的包含很多组分的液体，超音速膨胀和后来蒸气的凝结过程产生了第二个相-亚微米级的小液滴。
图1-4是Twister管子的艺术效果，详细的描述了低压降旋流分离器的横截面和主要的组成部分。
图1-4 Twister TM装置的艺术效果，流动的方向是从左到右，干燥的气体继续从右边出来，而分离出来的液体和带出的气体被转移到底部。天然气从左边进入，通过内体中的旋流叶片，旋流叶片安装在内体的最大环面处。然后随着内径的减小，根据角动量守恒原理，切向流速急剧增加。随着切向速度的增加，内径的减小，轴向速度也会相应增加，外部轮廓的形状类似于超音速喷管的轮廓。由此产生了低温，气体开始凝结。由于相当高的转动力（加速度大于500000g）,小液滴被甩向管子的外壁。简单的涡流定向器把干燥的气体核心流和液体分开，滑移气体则沿着管壁流动。在最低温度点发生分离后，为了恢复动能，在两个同中心的扩压器里，两个支流将会再次降速[4]。图1-5中，这个过程被描绘在P-T图里。在相包络线的边界点A点处开始，气体膨胀到点B，在点B处气体开始分离。分离后，气体在扩压器里再次被压缩到点C点，也就到了Twister装置的出口处。
图1-5 在P-T圈里的膨胀和再压缩轨迹线，并结合相包络线和等熵膨胀线
与最初设计不同的是，这种高性能的Twister使用静止转向的叶片在管子入口产生旋涡。主要的改进包括由于更高的径向速度、轴向速度和再蒸发影响程度的变小而增加了的分离效率，当然还有压力降的降低。除了入口的转向叶片，新的设计利用角动量守恒算出一个比原来设计小的内径。经过CFD模拟可知在这个设计里离心力被大大的提高，内部结构也确保了涡流是同中心的，从而也使得旋