天然气水合物是一种清洁高效的非常规战略能源,其规模化开发对优化能源消费结构及推动低碳经济发展具有关键作用。针对南海埋藏浅、非成岩、弱胶结、易碎化、缺乏致密层覆盖、不易开采天然气水合物,可采用固态流化开采方法,因此,需要在海底将天然气水合物浆液中的泥砂实时分离并回填。为降低浆液含砂量,保证生产安全,同时减少举升系统的能耗,本文采用轴流式螺旋流道旋流分离器对水合物浆液进行除砂提纯。 针对南海浅层非成岩天然气水合物固态流化开采中原位分离除砂提纯需求,构建了水合物浆液旋流分离器固-固-气-液多相流数值模型,采用混合多相流模型和雷诺应力湍流模型对旋流分离器的流场开展仿真研究,基于旋流器涡流理论及数值模拟结果,对各相迹线、切向速度、径向速度、轴向速度、静压力和各相体积分数的分布规律进行了研究。通过单因素分析方法揭示了底流口直径、溢流管直径、螺距、螺旋叶片圈数、螺旋叶片头数和锥筒段角度对旋流分离器流场特性及分离性能的影响机理,为提升水合物浆液多相旋流分离装备性能提供参数设计依据。 为提升水合物浆液多相旋流分离器的综合性能,采用量化分析方法确定了各结构参数对分离器分离性能的影响程度,选取底流口直径、溢流管直径、螺距及锥筒段角度作为设计变量进行最陡爬坡设计,基于响应曲面法构建了各相分离效率的样本空间,深入分析了设计变量间交互作用对各相分离效率的影响,以泥砂分离效率、天然气水合物分离效率及天然气分离效率为优化目标,建立了旋流分离器各相分离效率的预测模型。通过附加试验验证预测模型的可靠性后,将预测模型嵌入至NSGAⅢ算法适应度函数,融合数值模拟与优化算法开展参数协同寻优。优化后旋流分离器的泥砂分离效率和天然气分离效率提高了约7.6%和29.4%。 综合考虑天然气水合物浆液处理量、泥砂相和水合物相颗粒直径、入口泥砂含量、入口水合物含量和入口天然气含量等工艺参数,对优化后的水合物浆液多相旋流分离器开展多工况数值模拟研究,揭示了不同工艺参数对旋流分离器流场特性及分离性能的影响。面对水合物开采中高分级精度和高处理量的分离需求,设计了基于旋流分离器串并联组合的工艺方案,为满足南海非成岩天然气水合物固态流化开采的工程化应用需求提供工艺方案。