頁巖氣測試平臺(tái)積液原因及排液對策研究

廖柯熹，彭 浩，曾昭雄，何國璽，苗春江，冷吉輝

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都610036；3.四川廣潤投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，四川成都610000）

近年來，我國陸續(xù)建成了涪陵、長寧-威遠(yuǎn)、昭通、延長等4個(gè)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，頁巖氣開發(fā)已進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段[1]。頁巖氣開采大多采用多段大型水力壓裂的工藝方法[2]。水力壓裂技術(shù)雖然為頁巖氣的高效開采起了積極作用，但也給頁巖氣地面工程建設(shè)帶來了一定的難度，如在頁巖氣排液測試階段的井口壓力、溫度很高，測試平臺(tái)返排液量較大，且返排過程持續(xù)時(shí)間長等。這不僅給頁巖氣測試平臺(tái)氣液分離器的現(xiàn)場運(yùn)行帶來了諸如分離效果較差、當(dāng)前設(shè)計(jì)處理量難以滿足運(yùn)行負(fù)荷的問題，而且會(huì)降低集輸管道的輸送能力，增加動(dòng)力消耗，也會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物的生成、堵塞集輸管道，同時(shí)還會(huì)加劇CO2對管線的腐蝕。

氣液分離器是一種操作簡單、氣液兩相分離效率較高的工藝設(shè)備，國內(nèi)外學(xué)者對不同結(jié)構(gòu)形式和適用場合的氣液分離器的分離性能進(jìn)行了研究并取得了很多研究成果。文獻(xiàn)[3—12]基于CFD軟件對氣液分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了分離器內(nèi)部的流場分布規(guī)律、分離效率的影響因素、流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對其模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。波紋板氣液分離器作為氣液分離器的一種，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，能夠在較小的空間內(nèi)達(dá)到較高的分離效率，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)撬裝化，故常用于長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)。但是，波紋板氣液分離器在行業(yè)中仍無明確的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，并且波紋板的形狀、尺寸、種類以及安裝方法紛繁復(fù)雜，專業(yè)技術(shù)人員通常只能憑借自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。目前，國內(nèi)外針對波紋板氣液分離器分離性能方面的研究成果較多，主要是對其進(jìn)行宏觀上的流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)、流場分布特性改善，并對其研究結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[13?18]。但是，波紋板氣液分離器的分離效果仍然存在一定的不足，難以滿足頁巖氣田現(xiàn)場的實(shí)際工況條件。

本文首先對現(xiàn)場波紋板分離器的出口進(jìn)行取樣與測試分析，并總結(jié)測試平臺(tái)的積液原因。然后，針對積液原因，從工藝操作參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式兩方面對波紋板分離器進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況條件，在現(xiàn)有研究成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究頁巖氣測試平臺(tái)積液問題的應(yīng)對措施。在降低波紋板分離器入口氣流溫度和飽和含水量的同時(shí)，改進(jìn)波紋板流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方式，以提高波紋板分離器的整體分離效率，保證波紋板分離器的高效、經(jīng)濟(jì)以及平穩(wěn)運(yùn)行，從而達(dá)到降低頁巖氣測試平臺(tái)及其輸送管道積液量的目的，滿足頁巖氣測試平臺(tái)的迫切需要。

1 測試平臺(tái)積液原因分析

1.1 分離器出口現(xiàn)場取樣

取樣位置選擇測試平臺(tái)5口井所對應(yīng)的分離器排液管出口與氣體放噴管，其中2#、3#、5#井獨(dú)立使用波紋板分離器對采出氣進(jìn)行處理，而4#井與6#井共用一個(gè)波紋板分離器。長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)現(xiàn)場取樣情況見表1。

表1 長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)現(xiàn)場取樣情況

由表1可知，除4#井與6#井共用的分離器外，其余分離器氣路出口均采集到液體樣本，即2#、3#、5#井所對應(yīng)的分離器分離效果均未達(dá)到理想的分離效果。

1.2 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

首先，采用多功能離子色譜儀ICS?5000對液樣進(jìn)行檢測分析；然后，采用CHANDLER千德樂冷鏡式露點(diǎn)分析儀在分離器入口處進(jìn)行水露點(diǎn)測試。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況及采樣時(shí)氣路出口氣體所攜帶液體的液量分析可知，分離器氣路出口氣體中液體來源主要有兩個(gè)：一是由于氣井返排流體溫度過高，進(jìn)入分離器入口時(shí)的溫度與其水露點(diǎn)相近，且氣體中飽和含水量較大，在取樣過程中由于溫度的降低導(dǎo)致水蒸氣冷凝產(chǎn)生一部分冷凝水；二是分離器分離效果不理想，導(dǎo)致返排液未能與氣體完全分離，部分返排液在氣流的攜帶下直接進(jìn)入氣路出口。

2 降低波紋板入口溫度的方案

為解決因溫度過高引起的積液問題，考慮從工藝方面對測試平臺(tái)波紋板分離器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，即在現(xiàn)場波紋板分離器的入口前加裝換熱設(shè)備對測試平臺(tái)攜液氣流進(jìn)行降溫。

2.1 間壁式換熱管網(wǎng)格劃分

根據(jù)間壁式換熱器的作用原理對換熱管進(jìn)行建模，以模擬攜液天然氣由80.00℃、10.00 MPa冷卻至30.00℃的換熱過程。對換熱管入口截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證后，最終得到的網(wǎng)格劃分如圖1（a）所示。圖1（a）中，換熱管最外側(cè)為冷卻水流域，中間圓環(huán)為換熱管管壁，內(nèi)部為天然氣（熱流體）流域。網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果精度的影響很大，換熱管流道的網(wǎng)格質(zhì)量如圖1（b）所示。圖1（b）中，橫坐標(biāo)為網(wǎng)格質(zhì)量，數(shù)字1.0代表網(wǎng)格質(zhì)量最好，0代表網(wǎng)格質(zhì)量最差。由圖1（b）可見，所有網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上，故可驗(yàn)證所選擇計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖1 換熱管入口截面的網(wǎng)格劃分及換熱管流道的網(wǎng)格質(zhì)量

2.2 計(jì)算模型與邊界條件

對高溫氣流在換熱管內(nèi)部流道中的流動(dòng)過程，選用Realizable計(jì)算模型進(jìn)行模擬。高溫氣流流域的入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口；冷卻水流域的入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口邊界條件設(shè)置為自由出流。

2.3 間壁式換熱管模擬結(jié)果分析

熱流體為長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣測試平臺(tái)采出原料天然氣，井口流體平均溫度為80.40℃，井口平均壓力為10.00 MPa，進(jìn)入分離設(shè)備時(shí)的氣液混合流體平均溫度為60.34℃，平均壓力為5.68 MPa。冷流體可選擇水，其入口溫度為20.00℃。采用Fluent軟件對換熱管的內(nèi)部流道進(jìn)行溫度場模擬，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，高溫氣流從換熱管入口進(jìn)入管內(nèi)后，換熱管壁面附近的氣流最先受到冷量影響，從而導(dǎo)致其溫度降低，而初始階段換熱管軸心部分的氣流溫度仍保持入口溫度。隨著氣流在管內(nèi)持續(xù)換熱，外部的冷量最終傳遞至管內(nèi)軸心處。從換熱管軸心處至管壁的氣流溫度是由高到低，且呈對稱狀。從整個(gè)換熱管內(nèi)部的氣流來看，等溫線將各溫度下的氣流劃分為不同的區(qū)域，整個(gè)區(qū)域形狀呈子彈狀。

圖2 氣流與冷卻水在換熱管內(nèi)的溫度變化云圖

在測試平臺(tái)加裝換熱設(shè)備對氣流進(jìn)行冷卻，可以將測試平臺(tái)氣流進(jìn)入分離設(shè)備的平均溫度從60.34℃降至30.00℃，測試平臺(tái)外輸管道中氣流的飽和水質(zhì)量濃度可以減少至0.731 g/m3。通過飽和水質(zhì)量濃度計(jì)算公式換算可知，氣流中飽和水質(zhì)量濃度減少了2.468 g/m3。

3 波紋板分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

頁巖氣測試平臺(tái)的運(yùn)行工況經(jīng)常會(huì)發(fā)生一定變化，導(dǎo)致波紋板分離器的入口流量波動(dòng)較大，因此波紋板分離器通常采用撬裝化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)波紋板分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。根據(jù)表2，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況的變化情況設(shè)計(jì)的波紋板分離器流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表2 測試平臺(tái)波紋板分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 測試平臺(tái)波紋板分離器流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于現(xiàn)場調(diào)研，長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)的波紋板分離器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。在進(jìn)行流體數(shù)值計(jì)算時(shí)，波紋板分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接進(jìn)行數(shù)值仿真難度較大，因此對流體域進(jìn)行三維制圖時(shí)需要對圖形進(jìn)行一定的簡化。采用Solid Works軟件對波紋板分離器進(jìn)行了建模，結(jié)果如圖3（b）所示。

圖3 長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣測試平臺(tái)的波紋板分離器結(jié)構(gòu)示意圖及整體幾何模型圖

氣液分離是非常復(fù)雜的、多階段的過程，針對波紋板內(nèi)三維、非定常的攜液流動(dòng)情況，可將其簡化為：（1）在波紋板內(nèi)部流動(dòng)過程中，流體速度并不很高，因此可將其視為不可壓縮流體；（2）重力相較于液滴運(yùn)動(dòng)方向上氣流對液滴的拖曳力可以忽略；（3）考慮液滴分離到壁面的分離過程，但不考慮液滴之間的相互作用。

對簡化后的波紋板內(nèi)部流道，忽略氣液兩相在Z方向上的運(yùn)動(dòng)，可將其在X?Y平面坐標(biāo)系中進(jìn)行建模。波紋板分離器內(nèi)部流道示意圖如圖4（a）所示。對波紋板分離器內(nèi)部流道的兩端進(jìn)行水平延長，使其入口處的氣液能夠充分發(fā)展，以保證氣液兩相混合流體在進(jìn)入波紋板彎曲段時(shí)均勻分布。為分析波紋板分離器分離效率的影響因素的實(shí)際作用規(guī)律，確定了波紋板單通道計(jì)算區(qū)域，結(jié)果如圖4（b）所示。為了考察單通道數(shù)值模擬所得結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際工況吻合程度，建立了一種與實(shí)際波紋板排布更為貼合的多通道模型。選取波紋板分離器中心軸線所在的X?Y二維平面上的波紋板組，建立了波紋板流道的整體計(jì)算模型，結(jié)果如圖4（c）所示。

圖4 波紋板分離器內(nèi)部流道示意圖及波紋板單通道、多通道計(jì)算區(qū)域示意圖

對波紋板之間的流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分，波紋板壁面底層網(wǎng)格厚度設(shè)置為0.1 mm，增長因子0.25。在波紋板的入口段、圓弧段處，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分，以起到網(wǎng)格規(guī)整化的目的，其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 波紋板單通道計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

波紋板分離器數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況之間存在一定的誤差。但是，對數(shù)值模擬自身存在的離散誤差與迭代誤差，可以通過選擇適宜密度的網(wǎng)格來降低離散誤差和迭代誤差的影響。因此，必須通過對不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行試算，確保所選用的網(wǎng)格不會(huì)影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證網(wǎng)格劃分方式與計(jì)算結(jié)果無關(guān)，從而判斷網(wǎng)格劃分方式是否合理。在采用多組網(wǎng)格進(jìn)行試算后，通過比較各組網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的差異，并充分考慮計(jì)算機(jī)性能，選取網(wǎng)格數(shù)量為161 694的網(wǎng)格劃分方式對波紋板分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在此網(wǎng)格數(shù)量下，壓降和最大速度較大，但是其綜合性能最好，同時(shí)計(jì)算精度最高。

板壁設(shè)置為“TRAP”類型邊界條件。液滴到達(dá)波紋板出口截面即認(rèn)定為逃逸，液滴觸及到波紋板壁面就認(rèn)定為分離。對于模擬的殘差曲線，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)設(shè)置為10-4。

3.2 求解方法與邊界條件

3.2.1 求解方法 將波紋板內(nèi)部流動(dòng)分離的攜液氣流分為連續(xù)相與離散相，而攜液氣流在流道中的速度方向及大小不斷變化。為獲得精確的模擬結(jié)果，選擇適用于流場工況變化大的RNGk?ε雙方程湍流模型。對離散相的液滴則選用DPM模型，初始時(shí)均勻分散于氣流中的液滴從波紋板入口界面均勻噴射進(jìn)入波紋板流道。

3.2.2 邊界條件 將模型的入口邊界條件設(shè)置為速度入口，速度參數(shù)選擇2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 m/s，氣流在入口界面速度分布均勻。波紋板流道出口截面的邊界條件設(shè)置為壓力出口。模型的入口與出口邊界條件類型均設(shè)置為“ES?CAPE”類型。

3.3 流線型波紋板模擬結(jié)果及分析

為便于分析模擬結(jié)果，將流線型波紋板流道空間劃分為6個(gè)區(qū)域，結(jié)果如圖6所示。流體自波紋板流道入口進(jìn)入后，進(jìn)入第一個(gè)彎折區(qū)域即A區(qū)與A′區(qū)；第一段彎道區(qū)域終點(diǎn)處即為平緩區(qū)B區(qū)與B′區(qū)，在此區(qū)域流體流速方向發(fā)生變化；流體經(jīng)過平緩區(qū)后隨即進(jìn)入第二段彎折區(qū)C區(qū)與C′區(qū)；當(dāng)流體流出第二段彎道后，就進(jìn)入波紋板第二級(jí)波段，流體在第二級(jí)波段的流動(dòng)規(guī)律與第一級(jí)波段相同。入口流速不同時(shí)流體在流線型波紋板流道內(nèi)的速度云圖如圖7所示。

圖6 波紋板分離器流道內(nèi)部的空間區(qū)域劃分

圖7 入口流速不同時(shí)流體在流線型波紋板流道內(nèi)的速度云圖

由圖7可以看出，攜液氣流在流道入口界面的速度均勻分布，進(jìn)入波紋板流道后水平段的流速基本無變化。當(dāng)氣流即將進(jìn)入波紋板第一段流道時(shí)，受流道方向變化的影響，氣流速度開始發(fā)生變化，A′區(qū)壁面附近出現(xiàn)較明顯的低速區(qū)，此區(qū)域的流速小于入口流速，而靠近A區(qū)壁面的流體則出現(xiàn)較明顯的高速區(qū)，此時(shí)A區(qū)的最高流速可達(dá)5.5 m/s。在B′區(qū)入口近壁面處出現(xiàn)5.4～5.7 m/s的速度峰值，在整個(gè)波峰段B區(qū)壁面附近出現(xiàn)較厚的低速區(qū)，從B區(qū)至B′區(qū)流道內(nèi)氣流速度逐漸增大。在C、C′區(qū)，波紋板流道的彎曲導(dǎo)致流道截面再次變窄，流速繼續(xù)發(fā)生變化，在此階段流速的變化規(guī)律類似于A、A′區(qū)，靠近C區(qū)壁面氣流速度大于C′區(qū)壁面附近速度。隨著波紋板級(jí)數(shù)的增加，流道內(nèi)的最高流速也隨之增加。在波紋板流道出口靠近波紋板壁面處存在較厚的低速區(qū)，而在流道的中部處，速度則逐漸發(fā)展成均勻分布。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，氣流所能達(dá)到的最高流速為6.0 m/s，約為入口流速的1.5倍。

由圖7還可以看出，不同流速下的速度場變化規(guī)律相似，僅速度大小發(fā)生改變。速度峰值也總是在流道內(nèi)部各變化區(qū)域的交接處出現(xiàn)，并且隨著波紋板級(jí)數(shù)的增加，流速總體變大，加速區(qū)域也不斷增大，波紋板流道內(nèi)的氣流產(chǎn)生明顯的加速效果。

流線型波紋板在入口流速不同時(shí)的流場參數(shù)見表4。

表4 流線型波紋板在入口流速不同時(shí)的流場參數(shù)

由表4可見，隨著流線型波紋板流道入口流速的增加，其內(nèi)部攜液氣流的壓降也逐漸增大，最大流速也相應(yīng)增加，并且壓降的增幅也不斷增大。

張立峰[16]通過波紋板氣液分離實(shí)驗(yàn)對其效率特性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，在入口流速小于8.0 m/s時(shí)，流速的增大提高了液滴破碎的可能，此時(shí)分離效率隨流速的增加而變化顯著；在入口流速大于8.0 m/s時(shí)，分離效率隨著入口流速的增加反而有所減小。這一結(jié)論與本文的研究結(jié)果相一致，驗(yàn)證了模型計(jì)算方法及結(jié)果的可靠性。

入口流速不同時(shí)粒徑為40μm的液滴在流線型波紋板流道內(nèi)部液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。

圖8 入口流速不同時(shí)粒徑為40μm的液滴在流線型波紋板流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8可見，分散于氣流中的液滴在波紋板入口均勻分布，進(jìn)入波紋板流道后，由于流道方向的變化，液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)隨之變化。液滴在氣流拖曳力的作用下，流速方向發(fā)生變化，但受到液滴慣性的影響，其流速變化并沒有氣流那么迅速，液滴在流道內(nèi)的流動(dòng)主要集中于波紋板各波段的A′區(qū)和C區(qū)壁面附近，大部分液滴在第一個(gè)波段內(nèi)撞擊A′區(qū)和C區(qū)壁面而被波紋板吸收分離，幾乎沒有液滴進(jìn)入波紋板B和C′區(qū)域壁面附近的低速區(qū)。在波紋板流道內(nèi)的高速區(qū)，液滴也會(huì)隨著氣流一起產(chǎn)生加速效應(yīng)，從而獲得更大的慣性使之偏離主流方向。

在波紋板流道板間距和液滴粒徑的一定條件下，隨著波紋板流道入口流速的增加，分散于氣相內(nèi)的微小液滴因具有更大的慣性，而在第一個(gè)波段內(nèi)有更多數(shù)量的液滴與波紋板壁面發(fā)生碰撞，能夠逃逸的液滴數(shù)量大大減少，從而增強(qiáng)波紋板分離器的分離性能。

3.4 帶鉤型波紋板模擬結(jié)果及分析

國內(nèi)外對流線型波紋板較為成熟的優(yōu)化方式是在原來流線型波紋板的基礎(chǔ)上，加裝一個(gè)疏水彎鉤，從而改變流道空間結(jié)構(gòu)，增加液滴碰撞的空間，彎鉤與波紋板之間形成的空間有助于液相泄流，防止大液量時(shí)堵塞波紋板分離器的內(nèi)部流道，同時(shí)又顯著改變流道的曲折形狀，有效增加波紋板對細(xì)微粒徑液滴的分離效率。

基于現(xiàn)場波紋板分離器的應(yīng)用情況，為提高長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣測試平臺(tái)波紋板分離器的機(jī)械分離效率，可將波紋板流道內(nèi)疏水鉤的半徑設(shè)定為40 mm，加裝在B′區(qū)與C′區(qū)的交界處。帶鉤型波紋板流道的模型如圖9所示，入口流速不同時(shí)流體在帶鉤型波紋板流道內(nèi)的速度云圖如圖10所示。

古代有學(xué)者就有“溫故而知新”這一說法。其實(shí)，我們體育教師可以在新舊知識(shí)、技術(shù)、技能之間架起一座橋梁，使學(xué)生在“溫故”之時(shí)，導(dǎo)入以舊引新，學(xué)新聯(lián)舊、新舊類比。如：水平二的《前滾翻》教學(xué)時(shí)，我們可以在準(zhǔn)備活動(dòng)中復(fù)習(xí)各種滾翻練習(xí)，引出團(tuán)身這一要點(diǎn)，為新授前滾翻技術(shù)服務(wù)。這種以舊引新的方式是我們教師常用的形式，在學(xué)生已有的知識(shí)、技術(shù)、技能的基礎(chǔ)上，充分利用學(xué)習(xí)的正遷移，循序漸進(jìn)地順勢延伸過渡。

圖9 帶鉤型波紋板流道示意圖

圖10 入口流速不同時(shí)流體在帶鉤型波紋板流道內(nèi)的速度云圖

由圖10可以看出，在波紋板流道水平段的氣流速度均勻分布，當(dāng)進(jìn)入流道彎曲部分時(shí)，由于流通面積變窄，氣流會(huì)得到一定的加速。但是，帶鉤型波紋板流道內(nèi)的氣流在進(jìn)入A區(qū)壁面附近時(shí)不再出現(xiàn)明顯的高速區(qū)，A′區(qū)附近也不再出現(xiàn)明顯的低速區(qū)。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到彎鉤處時(shí)，在彎鉤內(nèi)部出現(xiàn)明顯的低速區(qū)域，且在此區(qū)域產(chǎn)生渦旋，此區(qū)域的流速幾乎為0，而在彎鉤的外側(cè)存在突變的高速區(qū)域，此高速區(qū)域的形狀寬厚且長度較長，自彎鉤外側(cè)至波紋板C區(qū)壁面均為高速區(qū)，整個(gè)區(qū)域的加速效果較流線型波紋板更為明顯，此工況下的速度峰值可達(dá)到8.4 m/s，比優(yōu)化前的速度峰值提高了39.3%。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)至C′區(qū)時(shí)，緊貼C′壁板附近出現(xiàn)狹長的低速區(qū)，此區(qū)域的速度很低，且分布區(qū)域較大。

由圖10還可以看出，隨著帶鉤型波紋板入口流速的不斷增加，其流道內(nèi)氣流的加速效果逐漸明顯，其加速區(qū)的厚度變寬。與此同時(shí)，其減速區(qū)的厚度變窄，從整體上來看，各波段的加速效果和程度基本相同。

帶鉤型波紋板在入口流速不同時(shí)的流場參數(shù)見表5。

表5 帶鉤型波紋板在入口流速不同時(shí)的流場參數(shù)

對比表5與表4可知，在入口流速和波紋板間距一定的條件下，帶鉤型波紋板流道內(nèi)流體的最大流速和壓降比流線型波紋板更大，攜液氣流自身具有的能量衰減得更快；隨著帶鉤型波紋板入口流速的不斷增加，其內(nèi)部流道的最大流速和壓降隨之增加，并且壓降的增加幅度也隨之逐漸增大。

入口流速不同時(shí)流道內(nèi)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示。

圖11 入口流速不同時(shí)粒徑為30μm的液滴在帶鉤型波紋板流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡（板間距20 mm）

對比圖11與圖8可見，一部分液滴碰撞A′區(qū)壁面而被吸附分離，另一部分液滴碰撞彎鉤前端而被吸附分離。由于帶鉤型波紋板彎鉤深入氣流通道內(nèi)部，導(dǎo)致液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡在翻越彎鉤后較流線型波紋板流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡向上發(fā)生偏移，從而使更多的液滴在B、C區(qū)壁板上發(fā)生碰撞，氣液分離效果更加顯著，相比第一波段，在第二波段內(nèi)的液滴分布面積明顯減小。

3.5 優(yōu)化前后波紋板分離效率對比

分離效率η是波紋板氣液分離器關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一，它表示波形板式汽水分離器在單位時(shí)間內(nèi)所收集液滴與分離器入口液滴的質(zhì)量之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（1）。

式中，min、mout分別為波紋板流道入口處及出口處的液相質(zhì)量流量，kg/h。

流線型和帶鉤型波紋板分離器的分離效率曲線如圖12所示。

圖12 流線型波紋板及帶鉤型波紋板在板間距為20 mm時(shí)的分離效率曲線

由圖12（a）可見，采用增加波紋板入口流速與增大液滴粒徑兩種方式均可提高分離器的分離效率。對于提高波紋板入口流速的方式，其在一定范圍內(nèi)是可行的，但超過其極限流速就會(huì)產(chǎn)生二次攜帶問題，分離效率也就會(huì)迅速下降。在波紋板入口流速一定的條件下，分離效率隨液滴粒徑的變化是非線性的。在液滴粒徑小于10μm時(shí)，波紋板入口流速對其分離效率的影響較小，此階段為低效段，在該段入口流速的提高無法成為改善分離器分離效果的高效方式。當(dāng)液滴粒徑大于10μm時(shí)，隨著流速的增大，分離效率變化較為明顯，特別是低流速時(shí)分離效率的提高效果更為突出，因此液滴粒徑10μm為效率敏感點(diǎn)，此階段為效率敏感段。

胡雪飛[17]采用Fluent軟件進(jìn)行了模擬，并通過冷態(tài)試驗(yàn)對液滴經(jīng)過波紋板后的分離效率進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，波紋板氣液分離器對分離液滴的粒徑有一定要求，無法對小于10μm或小于20μm（因條件而異）的液滴實(shí)現(xiàn)有效的分離。上述結(jié)論與本文的結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了模型計(jì)算方法及結(jié)果的可靠性，模型結(jié)果可以定性分析各項(xiàng)參數(shù)及條件對波紋板分離效率的影響，能夠較為準(zhǔn)確地對分離效率進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)液滴粒徑達(dá)到50μm時(shí)，分離效率達(dá)到90.00%左右，敏感段結(jié)束，隨著粒徑不斷增大，分離效率的增加速度也重新變得緩慢。以流速為6.0 m/s的條件為例。當(dāng)液滴粒徑為10、20μm時(shí)，其分離效率分別為14.21%、45.26%。隨著入口流速的增加，分離效率敏感點(diǎn)左移，如入口流速為2.0 m/s時(shí)敏感點(diǎn)的粒徑為25μm，而入口流速為7.0 m/s時(shí)則變?yōu)?0 μm。不論波紋板入口流速如何提高，敏感點(diǎn)存在一個(gè)略大于分離器處理極限的最小值。因此，提高波紋板入口流速的方式可使更小的液滴粒徑處于分離器的敏感段，從而改善分離器的分離效果?？偟膩碚f，在各流速條件下分離效率敏感段的斜率幾乎相同。

由圖12（b）可見，帶鉤型波紋板所能分離的液滴粒徑較優(yōu)化前的普通流線型波紋板更小，且由于彎形疏水鉤的存在，不論液滴粒徑與流速多小都能夠分離一部分微小液滴。帶鉤型波紋板的整體分離效率達(dá)到高效段時(shí)的粒徑也比普通流線型波紋板小，且同樣存在一個(gè)效率敏感點(diǎn)。通過流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的波紋板分離器在液滴粒徑達(dá)到35μm后，其分離效率可達(dá)到90.00%以上。

韓子墨[18]在考慮二次攜帶現(xiàn)象時(shí)，采用模擬和試驗(yàn)方法對不同鉤型結(jié)構(gòu)的波紋板分離器進(jìn)行了分離效率測試，其分離效率都高于90.00%。結(jié)果表明，鉤狀結(jié)構(gòu)有利于提高波形板的分離效率，與本文結(jié)論一致。因此，可以驗(yàn)證帶鉤型波紋板分離器分離效率計(jì)算模型的可靠性，進(jìn)而對各參數(shù)的影響進(jìn)行定性分析。

4 結(jié) 論

（1）通過在波紋板分離器前設(shè)置間壁式換熱器的方式對氣流進(jìn)行降溫處理，在氣流溫度由60.34℃降至30.00℃時(shí)，飽和水質(zhì)量濃度可減少約2.468 g/m3。

（2）隨著流線型波紋板入口流速的不斷增加，分離效率敏感點(diǎn)左移。在波紋板入口流速一定的條件下，分離效率隨液滴粒徑的變化是非線性的：在液滴粒徑小于10μm時(shí)，液滴粒徑的變化對波紋板分離效率的影響較??；當(dāng)液滴粒徑大于10μm時(shí)，隨著液滴粒徑的不斷增大，分離效率變化較為明顯；當(dāng)液滴粒徑大于30μm時(shí)，分離效率又隨著液滴粒徑變化緩慢。

（3）在入口流速和波紋板間距一定的條件下，帶鉤型波紋板流道內(nèi)流體的最大流速和壓降比流線型波紋板大，攜液氣流自身具有的能量衰減得更快，其流道對液滴的捕捉率比流線型波紋板更高。

（4）在波紋板入口流速為4.0 m/s、液滴粒徑為20μm時(shí)，帶鉤型波紋板分離器的分離效率由流線型波紋板分離器的28.90%提高到76.50%，當(dāng)液滴粒徑達(dá)到35μm后，其分離效率最高可達(dá)到90.00%以上。