組合可調式超音速分離器試驗研究

尤小榮，王麗珺，趙新勝，王百戰(zhàn)

(長慶油田分公司 機械制造總廠，陜西 西安 710201)

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組合可調式超音速分離器試驗研究

尤小榮，王麗珺，趙新勝，王百戰(zhàn)

(長慶油田分公司 機械制造總廠，陜西 西安 710201)

摘要：通過組合可調式超音速分離器的模擬試驗，確定了試驗的操作參數(shù)(入口含液濃度和壓比)及性能評價參數(shù)(分離效率和溫度降)，并給出了相應的計算方法。通過分析試驗裝置及試驗測試系統(tǒng)，對試驗中需重點關注的流量、溫度、壓力測量進行研究，并對喉部流速進行測算。通過試驗驗證了現(xiàn)有的研究成果，可為分離器設計提供參考。

關鍵詞：超音速分離；測試系統(tǒng)；試驗研究

隨著天然氣的廣泛應用，以及非常規(guī)天然氣開采程度的增加，研究小型化、低能耗、高效率、環(huán)保無污染的超音速分離處理設備具有十分重要的意義。本文通過試驗對超音速分離器內部流動機理進行研究，以提高超音速分離器的分離效率，在此基礎上使設備盡量小型化、輕量化。

超音速分離器的研究分為軟件模擬和試驗研究?，F(xiàn)有的研究成果中，軟件模擬的成果非常多，試驗研究的成果相對較少[1]。對于軟件模擬的結果，由于軟件的設置、模型簡化等諸多因素的影響，模擬的結果存在很大的不確定性或不完整性，軟件模擬通常需要有試驗研究的成果進行論證才更具有可信度。同時，通過試驗才能較為完整真實的反映理論研究的成果[2-3]。

1結構組成

超音速分離器由拉瓦爾噴管段、含分離翼的旋流管段和擴壓管段等部分組成。這些結構組成一個單進雙出的氣體通道，外形結構較為簡單，分離器的整體結構如圖1所示。在構成分離器的各個部件中，噴管段的作用是實現(xiàn)氣體由亞音速到超音速的加速過程，氣體的壓力和溫度在該段內急劇下降；旋流管段由直管整流段和含分離翼的旋流管組成，整流管的作用是使噴管段出口的氣體有一段緩沖區(qū)間，分離翼則使氣體由直線流動變?yōu)槁菪\動，通過產生的離心作用使液體被分離到壁面流出，在這一階段氣體的壓力和溫度變化不大，速度的方向和大小發(fā)生改變；擴壓管的作用是實現(xiàn)氣體的增壓降速，在流過漸擴型流道時，氣體的速度下降，壓力有所升高。分離器直接安裝在管線上，氣相出入口直接與管線相接，液體出口則設置相應的處理裝置以收集含烴混合液。

圖1　超音速分離器結構

用于試驗的組合可調式超音速氣液分離器如圖2所示。該分離器由錐形拉瓦爾管、可調式分離段、擴壓段等部分構成。拉瓦爾噴管設置多種結構，分離翼的位置可調節(jié)，擴壓管長度可調節(jié)，不同可調結構組合可形成多種結構。本文以該分離器樣機為主體，輔以相應的動力裝置與測量裝置，用于重點研究分離器參數(shù)對流場的影響。

圖2　組合可調式超音速分離器

2試驗參數(shù)及性能評價指標

試驗參數(shù)分為操作參數(shù)與性能參數(shù)[4]：操作參數(shù)用于進行不同的工況設定，主要包括含液濃度Ci和壓比pr；性能參數(shù)用于表征分離器的性能優(yōu)劣，主要包括分離效率Et和溫度降ΔT。

1)入口含液濃度Ci。入口含液濃度主要用于模擬天然氣的含水率，天然氣含水率因其出產地域不同而存在差異[5]。Ci值對于分離器的分離效率有著非常直接的影響，試驗時需預先設定入口含液濃度 Ci0，即

(1)

式中：G1為液體質量流量，kg/s；G2為氣體質量流量，kg/s。

考慮到氣體流量調節(jié)較為困難，預設時保持氣體質量流量G2不變，通過調節(jié)G1來達到預定的含液濃度。在緩沖器出口端設置有溫濕度傳感器，用于測定分離器入口端流體濕度，測定值Ci與設定值Ci0誤差在 0.5%以內視為合格。

2)壓比pr。壓比是指超音速分離器入口壓力pin與干氣出口壓力pout的比值，即

(2)

根據(jù)現(xiàn)有的理論可知，壓比對于分離器內氣流的流動狀態(tài)有著非常重要的影響。壓比過大時，導致分離器內流體速度過高，氣流均勻性不足，無法保證后續(xù)旋流的有效進行，壓比過大則意味著氣體能量損失過大，較高的能量損失無法滿足后續(xù)其他工藝的順利進行。壓比較小時，流經噴管的氣體能量有限，不能保證有效地實現(xiàn)超音速流動，噴管出口的氣體速度較小，在流經分離翼時不能產生足夠的旋流強度，氣液分離不徹底。在工藝允許的范圍內，盡量選擇小壓比進行試驗。

3)分離效率Et。分離效率是表征超音速分離器性能的關鍵指標[6]，即，分離器對含濕氣體的處理效率，通過測定液體質量變化進行表征，采用式(3)進行計算：

(3)

式中：G為濕空氣質量流量，kg/s；m2為出口液體質量，通過測量排液口液體質量獲得，kg。

4)溫度降ΔT。溫度降是表征分離器性能的又一重要指標。溫度降是指分離器入口溫度Tin與噴管出口溫度Tmin(最低溫度值)之間的差值。

ΔT=Tin-Tmin

(4)

ΔT值越大，則表征分離器能夠達到的最低溫度越低，可產生的低溫驅動力越強。溫度降通過讀取預定位置的溫度傳感器數(shù)值，通過單片機進行計算之后直接顯示出來。

3試驗裝置與試驗測量系統(tǒng)

3.1試驗裝置

超音速分離器試驗裝置如圖3所示，根據(jù)功能可分為霧化裝置、分離裝置、測量裝置以及收集裝置[7]。霧化裝置包括空壓機、水泵、緩沖器、穩(wěn)壓閥、儲水罐以及霧化噴嘴等，并在管線位置設置測量儀表。分離裝置主要是指超音速分離器，分離裝置包括管線、閥門等管道附件。測量裝置主要是指預設在各處的壓力、溫度傳感器與變送器，及用于記錄和顯示的單片機及計算機。收集裝置主要包括干氣儲罐、儲水罐以及相應的管路附件。

圖3　組合可調式超音速分離器試驗裝置

3.2試驗測量系統(tǒng)

如圖3所示，試驗中所需測量的物理量有：溫度T、流量Q、壓力p以及喉部速度v。試驗中所有儀器儀表的數(shù)據(jù)讀取與記錄均通過單片機或計算機軟件完成，減少人為誤差的影響。

（1）焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗 試驗標準：焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》（GB4675.5—1984）的規(guī)定進行。

霧化裝置中，分別在氣路和液路設置壓力、溫度、流量測量裝置，主要是為了進行入口參數(shù)調節(jié)，考慮到單片機的容量有限，該部分設備不接入單片機，使用傳統(tǒng)的儀表測量顯示，試驗開始前做好人工記錄，試驗時只需保證其參數(shù)維持穩(wěn)定即可。

3.2.1流量測量

流量包括超音速分離器入口濕空氣流量、出口液體流量。

1)入口濕空氣流量。入口濕空氣流量采用高壓天然氣流量計計量[8]，該流量計屬于智能旋進漩渦流量計，主要利用卡門渦街原理測量。為減少測量儀表的影響，儀表安裝位置根據(jù)廠家建議，在距分離器入口前端需保證有5倍于管道直徑的長度作為緩沖。該智能型流量計內置溫度、壓力傳感器。流量測量范圍12～150m3/h，工作壓力10MPa。

2)出口液體流量。出口液體計量采用質量換算。通過在出口部位設置集液裝置，試驗完成后稱量收集到的液體質量，記錄試驗所用時間，即可測得出口液體流量。根據(jù)出口液體質量的多少采用不同的方式稱重，出口液體質量較少時，使用干燥劑吸附，根據(jù)干燥劑質量測定出口液體流量；出口液體質量較多時，先稱量已有液體質量，再使用干燥劑干燥集液裝置，疊加兩者質量進行計算。

3.2.2溫度測量

溫度測量使用溫度傳感器[9]，在超音速分離器喉部、噴管出口、擴壓管入口及氣、液出口分別設置溫度傳感器測量，通過單片機進行測量數(shù)據(jù)的記錄與顯示。噴管喉部與噴管出口處溫度傳感器需耐低溫高壓，工作范圍為-100～50 ℃之間，可承受10MPa壓力。由于喉部尺寸很小，因而選用尺寸較小的螺釘頭傳感器進行喉部溫度測量。除喉部和噴管出口外，其他部位的尺寸較大，溫度要求不高。因而傳感器選型比較容易，一般的溫度傳感器均可勝任，只需注意傳感器信號傳輸與單片機的匹配即可。

3.2.3壓力測量

壓力測量使用壓力傳感器，在噴管出口、擴壓管入口和分離器氣相出口、液相出口分別設置壓力傳感器。壓力傳感器測量結果通過單片機進行數(shù)據(jù)顯示與記錄，壓力傳感器的精度要求在 0.5%以內，量程為 0～20MPa。噴管出口由于溫度較低，需注意壓力傳感器的耐低溫特性。

3.2.4喉部速度測算

喉部能否達到音速是實現(xiàn)分離的關鍵，因而喉部速度值的測量非常重要。喉部尺寸較小，壓力較高，直接進行速度測量時，現(xiàn)有儀表難以滿足要求，喉部速度值的獲得需通過其他測量值進行換算。

超音速分離器的低溫性能具有重要的參考價值。因而在喉部設置溫度傳感器進行測量，喉部溫度測量值記為T*，將流體視為理想流體，根據(jù)空氣動力學關系，可以換算出喉部的速度值v[10]，即

(5)

式中：k為絕熱指數(shù)，空氣取1.4；Rg為氣體常數(shù)，空氣取 287J/(kg·K)；T*為喉部溫度測量值，K。

4試驗方案

試驗主要采用對比法進行，即在超音速分離器入口參數(shù)(入口流量、入口含液濃度)不變的前提下，選擇中間參數(shù)的結構作為基準，每次試驗改變1個結構參數(shù)，其他變量保持不變進行試驗。每個結構至少進行 3 次試驗，取平均值作為最終取值。

根據(jù)設定，入口角度有 3 種變化(γ、θ、ω)，每種角度的變化又對應3個不同的喉部直徑(s、m、l)；同時，分離翼有5個位置，擴壓段長度變化有3種，根據(jù)以上分析，從理論上講，所設計的超音速分離器可以產生135種結構變化。

試驗結果分析時，除對各個關鍵參數(shù)進行測算外，還應綜合分析多次試驗的結果，總結各個參數(shù)的變化趨勢對分離性能的影響，在進行一定次數(shù)的試驗后，可根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)預計各參數(shù)的調節(jié)趨勢，對明顯不符合要求的結構可不予試驗。經過多次試驗后選定最佳結構，選定的最佳結構用于進行后期的現(xiàn)場試驗。

每進行1次試驗可獲得大量的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的記錄工作由單片機完成，對試驗數(shù)據(jù)的處理則需要借助計算機進行，對測量結果分別建立數(shù)據(jù)庫，并繪制為直觀的折線圖，剔除粗大誤差數(shù)據(jù)。交叉對比不同結構同一位置的數(shù)據(jù)，預測下一步的參數(shù)調節(jié)趨勢，并結合軟件模擬的結果進行分析。

分離器的低溫制冷作用是試驗中需重點關注，軟件模擬結果顯示最低溫度出現(xiàn)的位置在噴管出口處。為驗證該結論是否正確，處理溫度數(shù)據(jù)時，分別繪制單次試驗的溫度沿軸線位置分布曲線，然后疊加多次試驗的分布曲線分析驗證。

分離器低溫環(huán)境的獲得與壓力損失有關，壓損越大，溫度越低。為驗證該結論，對每次試驗的溫度曲線與壓力曲線進行擬合對比。

在驗證有關結論的基礎上，綜合多次試驗的數(shù)據(jù)，分別分析影響溫度、壓力、速度的結構參數(shù)，探究控制這些參數(shù)變化的方式。

5結論

1)試驗參數(shù)中，選擇入口含液濃度和壓比作為操作參數(shù)，選擇分離效率和溫度降作為性能評價參數(shù)，并給出相應的計算、計量方法。

2)試驗裝置中，根據(jù)功能劃分對每類裝置的構成分別予以規(guī)劃，并根據(jù)平臺組建以及試驗過程中可能存在的一些問題，從氣密性檢驗、設備安裝、測量儀表檢定、環(huán)境濕度測定與影響排除、裝置的啟停等方面進行規(guī)劃。

3)試驗測量系統(tǒng)中，對試驗中需重點關注的流量、溫度、壓力以及喉部速度的測量測算展開研究，選定安裝位置，并對特殊部位的儀表進行選型，并對喉部流速進行了測算。

4)試驗方案研究中，從試驗對象、初始條件、試驗方法、試驗數(shù)據(jù)處理幾方面進行分析，給出了關鍵的試驗步驟與方案。通過試驗，驗證現(xiàn)有的研究成果，并能夠提出更多更新的理論用于指導分離器設計。

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TestStudyofTestingSystemofCombinedandAdjustableSupersonicSeparator

YOUXiaorong，WANGLijun，ZHAOXinsheng，WANGBaizhan

(Machine Manufacture Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710201，China)

Abstract：Through module test of testing system of combined and adjustable ultrasonic separator，the liquid content and pressure ratio were determined，and the separating efficiency and temperature drop were determined as well，to obtain the method of calculation and measurement.Through the analysis of test device and testing system，a study was made for flow rate，temperature，and pressure，and calculation was made for the speed at throat.The experiment verified the present study result and can be used as reference for separator designers.

Keywords：supersonic separator；testing system；experimental study

文章編號：1001-3482(2016)06-0065-04

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：尤小榮(1981-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事油氣田用設備的機械設計、制造、試驗工作，E-mail：yxr2000_cq@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE934.1

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.014