超音速分離技術(shù)研究概述

于鑫

（華電電力科學(xué)研究院西安分院 西安 710054）

超音速分離技術(shù)研究概述

于鑫

（華電電力科學(xué)研究院西安分院 西安 710054）

天然氣中的水蒸氣若凝結(jié)為液態(tài)水，會(huì)對(duì)天然氣生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響。常用的天然氣脫水技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，而超音速脫水技術(shù)集膨脹、分離、壓縮過(guò)程于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。本文介紹了超音速分離技術(shù)的原理及特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明超音速分離技術(shù)效果好，優(yōu)勢(shì)大，在天然氣脫水過(guò)程中引入超音速分離技術(shù)具有重要價(jià)值。

超音速分離技術(shù)；流場(chǎng)；熱力學(xué)

引言

天然氣中含有大量飽和水蒸氣，這些水蒸氣在天然氣集輸處理過(guò)程中，容易凝結(jié)形成液態(tài)水。常用的天然氣脫水技術(shù)有分子篩脫水技術(shù)、JT閥及透平膨脹機(jī)脫水技術(shù)和三甘醇脫水技術(shù)等，其中三甘醇脫水技術(shù)應(yīng)用最廣泛，但其存在系統(tǒng)復(fù)雜、三甘醇溶液再生能耗大等問(wèn)題，投資和運(yùn)行成本較高[1]。

超音速脫水技術(shù)是由Shel（殼牌）公司在2000年引入的新型脫水技術(shù)，它是利用超音速狀態(tài)下的蒸汽冷凝現(xiàn)象進(jìn)行天然氣脫水，與傳統(tǒng)的天然氣脫水方法有著顯著區(qū)別。超音速脫水利用一個(gè)管道實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的所有功能，使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)的成本。開展超音速技術(shù)的研究及應(yīng)用，緊跟國(guó)外天然氣脫水的技術(shù)前沿，對(duì)徹底改變現(xiàn)有脫水系統(tǒng)體積大、操作復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題具有重要意義[2]。

1 超音速分離技術(shù)及的主要原理

超音速分離器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，天然氣超音速脫水技術(shù)屬于低溫冷凝法。其最核心的部件為超音速分離器，基本原理是利用拉瓦爾噴管使氣體在自身壓力的作用下膨脹加速至超音速，此時(shí)氣體的溫度及壓力急劇下降，從而使天然氣中的水蒸氣冷凝成無(wú)數(shù)細(xì)小的液滴，然后在超音速產(chǎn)生的強(qiáng)氣流旋轉(zhuǎn)作用下，將小液滴甩至壁面并分離，對(duì)于氣體則進(jìn)行再壓縮回收壓力[3]。

圖1 Twister-II結(jié)構(gòu)示意圖

2 流場(chǎng)特性

含一定質(zhì)量份額水蒸汽的天然氣在噴管中膨脹，其流動(dòng)與純凈天然氣的流動(dòng)有明顯差異。水蒸汽流動(dòng)中存在過(guò)飽和現(xiàn)象，即隨著膨脹過(guò)程的進(jìn)行，水蒸汽從過(guò)熱區(qū)跨過(guò)飽和線，而后進(jìn)入濕蒸汽區(qū)時(shí)并沒有立刻凝結(jié)，而是繼續(xù)膨脹，此時(shí)的蒸汽溫度低于蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，二者之差即為過(guò)冷度△T。隨著的繼續(xù)膨脹，過(guò)冷度不斷升高，流動(dòng)處于熱力學(xué)的非平衡狀態(tài)。此時(shí)要一直持續(xù)到過(guò)冷度達(dá)到極限值時(shí)，氣體中的水蒸汽才會(huì)突然凝結(jié)，并在短時(shí)間內(nèi)成核形成大量微小的液滴。而后，隨著膨脹過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，水蒸汽分子不斷在這些微小液滴表面凝結(jié)，液滴尺寸不斷生長(zhǎng)。

超音速噴管或者超音速噴管中的某一段為L(zhǎng)aval噴管。其由一定形狀的漸縮漸擴(kuò)噴管組成，這種結(jié)構(gòu)可使氣體壓力降低至臨界值以下，從而得到超音速的氣流。當(dāng)噴管的入口滯止壓力P0為定值時(shí)，噴管出口背壓的變化會(huì)顯著影響其工作特性。隨背壓的變化Laval噴管中氣體的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出四種不同的特性[4]。

3 不同脫水技術(shù)的對(duì)比

將天然氣超音速分離器與J-T閥及透平膨脹機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)比較[5]。以上三種脫水方法的出口壓力（即外輸壓力）均相同。J-T閥是等焓絕熱過(guò)程，其效率最低。透平膨脹機(jī)的等熵效率約為85%，其進(jìn)入相包絡(luò)線明顯要深一些，因此需要使用二次壓縮機(jī)將氣體處理至出口壓力的要求。與以上兩種方法相比，超音速分離器的等熵效率接近90%，其進(jìn)入相包絡(luò)線最深，對(duì)于給定的壓降條件能達(dá)到較低的溫度，并且其無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)部件，僅利用擴(kuò)壓管就可將氣體壓縮至所需的出口壓力。因此從熱力學(xué)的角度來(lái)分析，超音速旋流分離器更充分的利用了熱力學(xué)原理，并成功的將理論上優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為天然氣處理的實(shí)際應(yīng)用。

4 總結(jié)

超音速分離器由于所處環(huán)境特殊且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，來(lái)流汽液混合物經(jīng)旋葉后做三維螺旋流動(dòng)，兩相混合物的分布及運(yùn)動(dòng)、分離過(guò)程比較復(fù)雜，目前尚無(wú)可應(yīng)用的純理論公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。而分離器的穩(wěn)定工作又直接影響到天然氣脫水的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此，有必要對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)開展機(jī)理性分析研究，以便在當(dāng)前核動(dòng)力裝置單機(jī)功率不斷提高的情況下，汽水分離器的性能仍能達(dá)到以下基本要求：

（1）較高的汽水分離效率；

（2）較小的壓降；

（3）良好的抗沖蝕性能。

在滿足以上要求并結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)得到最優(yōu)分離器從而達(dá)到使分離裝置緊湊化、高效化的目的。

[1]何策，張曉東.國(guó)內(nèi)外天然氣脫水設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油機(jī)械，2008，36（1）：69·73.

[2]謝滔，宋保建，閆蕾，等.國(guó)內(nèi)外天然氣脫水工藝技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（8Z）：48～49.

[3]陳 珊，陳 舟，盧 華.高含硫天然氣的礦場(chǎng)脫水[J].油氣田地面工程，2011，30（2）：58～61.

TE86

A

1004-7344（2016）35-0306-01

2016-11-28

于 鑫（1987-），男，漢族，山東濰坊人，助理工程師，碩士，主要從事汽輪機(jī)、發(fā)電技術(shù)監(jiān)督、優(yōu)化調(diào)整、性能驗(yàn)收考核試驗(yàn)等工作。