壓風(fēng)管風(fēng)水多級(jí)分離器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄭偉光

0 引言

由于井下壓風(fēng)管路季節(jié)性存水和其它環(huán)境因素造成壓風(fēng)管積水，使得風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)無(wú)法正常工作，打眼工作中經(jīng)常出現(xiàn)糊鉆頭、抱鉆桿現(xiàn)像，操作人員每打一個(gè)眼需對(duì)風(fēng)管進(jìn)行1～2 次放水工序，引響生產(chǎn)效率。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，需設(shè)計(jì)一種新型風(fēng)水多級(jí)分離器。該風(fēng)水分離器采用阻隔式、擋板式和旋流式三級(jí)分離方式，成本低，且比傳統(tǒng)分離器堅(jiān)實(shí)耐用，分離效果更明顯。

1 分離器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 分離器結(jié)構(gòu)

分離器由進(jìn)風(fēng)管、閥芯管道、濾風(fēng)閥芯、阻水外殼、阻水擋板、排水閥、清渣端蓋和出風(fēng)管8 部分組成。（如圖1、圖2 所示）

圖1 分離器工作原理結(jié)構(gòu)示意

圖2 壓風(fēng)管風(fēng)水分離器裝配結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

當(dāng)風(fēng)水混合物進(jìn)入風(fēng)水分離器后，首先進(jìn)行隔阻式一級(jí)分離，混合物從分離器腔體內(nèi)的閥芯排出，混合風(fēng)水在風(fēng)壓作用下撞擊阻水管管壁，此時(shí)含水風(fēng)流中的水流會(huì)沖擊管壁速度瞬間降為0，由于水的密度較大在重力作用下會(huì)順管壁凝結(jié)成細(xì)水流延管壁流下，過(guò)濾后部分純凈的風(fēng)則會(huì)經(jīng)出風(fēng)口排出；其次進(jìn)行檔板式二、三級(jí)分離，部分未分離的混合物在風(fēng)壓作用下在分離器腔體內(nèi)做離心回旋運(yùn)動(dòng)，會(huì)頻繁撞擊檔板和器壁將分水再次進(jìn)行二、三級(jí)分離。之后純凈的風(fēng)流會(huì)經(jīng)出風(fēng)口流排出。

1.3 相關(guān)要求

（1）間隔一定時(shí)間打開(kāi)排水開(kāi)關(guān)排出存水；

（2）由于風(fēng)中雜質(zhì)較多，可打開(kāi)清渣蓋清理雜質(zhì)。

2 理論應(yīng)用及風(fēng)壓損失驗(yàn)算

2.1 濾風(fēng)閥芯設(shè)計(jì)

進(jìn)風(fēng)管接口是公稱內(nèi)徑DN50 無(wú)縫鋼管其外徑60.3 mm，壁厚3.8 mm，管徑52.7 mm，濾風(fēng)閥孔設(shè)Ф8 mm，其中：

上式中S1為管內(nèi)面積，為保證風(fēng)量濾風(fēng)孔面積定為1.8 倍額定孔面積，漏風(fēng)孔數(shù)取80 個(gè)，×80=4 019.2＞S1，滿足要求。

2.2 風(fēng)壓損失計(jì)算

壓風(fēng)管風(fēng)水分離器壓力損失示意見(jiàn)圖3。

圖3 壓風(fēng)管風(fēng)水分離器壓力損失示意

風(fēng)管內(nèi)空氣流動(dòng)的阻力有兩種：

摩擦阻力hf(沿程阻力）由于空氣本身的粘滯性及其與管壁間的摩擦而產(chǎn)生的阻力；

局部阻力hj（形體阻力）空氣流經(jīng)風(fēng)管中的管件及設(shè)備時(shí)，由于流速的大小和方向變化以及產(chǎn)生渦流造成比較集中的能量損失。

（1）摩擦阻力損失

式中：hf——摩擦阻力損失，Pa；

d——管道的直徑或當(dāng)量直徑，m；

l——管道的長(zhǎng)度，m；

ρ——0.6 MPa 下空氣的密度，7.758 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度1.293 kg/m3，0.6 MPa=6 kgf）；

20℃條件下，空氣運(yùn)動(dòng)粘度v=14.8×10－6m2/s，雷諾數(shù)（管內(nèi)為湍流狀態(tài)），查表求得摩擦阻力系數(shù)λ=0.03，將以上數(shù)據(jù)代入達(dá)西公式可得hf=420 J/kg 。

相對(duì)于工作面管路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)本器件摩擦阻力hf可忽略不計(jì)。

（2）局部阻力計(jì)算

局部阻力系數(shù)：ε1是h2段局部壓力損失系數(shù)，ε2，ε3是h3段局壓力損失系數(shù)（h3段局部壓力損失包括：①流程截面突然縮小壓力的損失，②流程截面突然擴(kuò)大的壓力損失），ε4是h4段局部壓力損失系數(shù)。具體數(shù)據(jù)如下：

式中：A1——h2段，氣體流程截面突然擴(kuò)大或縮小所遇到的大管體截面積，A1=πr12=3.14×252=1 962.5 m2；

A2——h2段，氣體流程截面突然擴(kuò)大或縮小所遇到的小管體截面積，A2=πr22=3.14×42=50.24 m2。

將A1、A2代入(1)中：ε1=0.51。

在計(jì)算h3段局部壓力損失系數(shù)時(shí)，由于流入和流出管體截面相同，相對(duì)可把大管體截面看做A1=∞，得大管體流經(jīng)阻板間空隙時(shí)ε3=0.5，阻板間空隙流入大管體時(shí)ε2=1。

式中：A1'——h4段，氣體流程截面突然擴(kuò)大或縮小所遇到的大管體截面積，A1'=πr1'2=3.14×1002=31 400 m2；

A2'——h4段，氣體流程截面突然擴(kuò)大或縮小所遇到的小管體截面積，A2'=πr2'2=3.14×252=1 962.5 m2。

將A1'、A2'代入(2)中：ε4=0.47。

hj表示計(jì)算中段所遇阻力的局部壓力損失，相對(duì)應(yīng)ε1、ε2、ε3、ε4所代表的壓力損失系數(shù)可知hj1為h2段局部壓力損失，hj2、hj3指h3局部壓力損失，hj4指h4局部壓力損失。

對(duì)于工作面管路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)本器件摩擦阻力(沿程壓力損失)可忽略不計(jì)，即各段壓力損失為：h1=乙字型彎頭壓力損失，h2=hj1，h3=hj2+hj3，h4=hj4。由于乙字彎損耗為：50 Pa～198 Pa，即h1=198 Pa。

（3）壓力損失驗(yàn)算：

東二盤(pán)區(qū)壓風(fēng)管路風(fēng)壓為0.6 MPa，本工作面使用鉆具額定風(fēng)壓為0.5 MPa。

由上式可知，本裝置壓力損失不影響工作面鉆具正常使用，完全滿足額定風(fēng)壓0.5 MPa 工作需求，驗(yàn)證該分離器在此工作面管路安裝可行。

3 壓風(fēng)管風(fēng)水多級(jí)分離器技術(shù)參數(shù)

壓風(fēng)管風(fēng)水多級(jí)分離器（見(jiàn)圖4），技術(shù)參數(shù)如下：①設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa；②分離效率為99%；③接口尺寸為DN50；④接口形式為法蘭PN2.5；⑤壓力損失為0.004 MPa。

圖4 分離器

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)用型風(fēng)水多級(jí)分離器采用阻隔式、擋板式和旋流式三級(jí)分離方式，運(yùn)用了碰撞分離原理、重力沉降原理和離心分離原理，對(duì)含水及雜質(zhì)風(fēng)流進(jìn)行凈化，能有效延長(zhǎng)風(fēng)動(dòng)工具使用壽命及提高生產(chǎn)效率，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，分離效率達(dá)99%。能夠有效杜絕壓風(fēng)管積水所造成的經(jīng)濟(jì)損失，延長(zhǎng)井下風(fēng)動(dòng)工具使用壽命，應(yīng)用隊(duì)組提升工效，按時(shí)效可節(jié)省因排水誤工2h/d，成本低，且比傳統(tǒng)分離器堅(jiān)實(shí)耐用，分離效果更明顯，推廣應(yīng)用后，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

經(jīng)工作中實(shí)踐驗(yàn)證，該分離器可在井下因壓風(fēng)管路積水而導(dǎo)致風(fēng)動(dòng)工具不能正常使用的工作面廣泛應(yīng)用。