裘松濤 張興凱 馮建設(shè) 鄭剛 廖銳全 史寶成

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

在天然氣的開采過程中,隨著溫度和壓力的降低,會攜帶一部分液體而變?yōu)闈裉烊粴?簡稱濕氣[1]。濕氣中液體的存在會對天然氣的輸送造成很多不利影響[2-3]:①液體會占據(jù)一定的管道流通面積,增加輸送阻力,降低管輸效率;②液體大大增加了天然氣輸送過程中水合物形成的概率,容易造成冰堵事故;③液體在管道起伏段的聚積容易形成氣液段塞流型,造成管道系統(tǒng)的振動;④液體會強化管道的電化學(xué)腐蝕,造成管道的穿孔破壞,甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故;⑤液體的存在增大了天然氣準(zhǔn)確計量的難度[4]。因此,隨著天然氣需求的日益增大,濕氣的氣液分離或除濕是非常有必要的。

傳統(tǒng)的濕氣氣液分離是利用大型分離器完成的,這種分離器體積龐大,安裝和維護費用昂貴。因此,越來越多的學(xué)者將焦點聚集到了緊湊式氣液分離器的研究。代表性的緊湊式氣液分離器包括管柱式旋風(fēng)分離器(gas-liquid cylindrical cyclone,以下簡稱GLCC)和軸向旋流葉片分離器等[5]。GLCC分離器主要由切向入口和垂直管組成,氣液混合物通過切向入口噴嘴進入分離器內(nèi)部,由于離心力和重力的作用,液體沿管壁向下流動并在垂直管下部排出,而氣體則被集中到管中心并從垂直管上部排出[6]。盡管GLCC具有許多優(yōu)點,但尚未廣泛使用,其主要原因在于隨著氣體速度的增加,會有大量液滴被夾帶到氣流中,導(dǎo)致分離效率降低[7]。對于常規(guī)的GLCC,要求表觀氣速通常小于9.2 m/s[8]。因此,GLCC更適合用作預(yù)分離器、段塞捕集器或部分分離器[9]。

與GLCC不同,在旋流葉片分離器中,氣液混合物沿軸向流過旋流葉片,在離心力的作用下,液相被甩至管壁側(cè)形成液膜,氣體則聚集在管中心形成氣核。然后利用一種套管結(jié)構(gòu),將氣芯和液膜在旋流器下游進行分離,氣體從套管中心管流出,液膜通過套管的環(huán)形空間排出[10]。實驗結(jié)果表明,軸向旋流葉片分離器的氣體表觀速度上限擴展到30 m/s[11]。但是由于液體薄膜本身可能沒有足夠的動能來克服環(huán)形端口的阻力,為了保證氣液分離效果,必須將部分氣芯和液膜同時從環(huán)形通道排出,而這部分氣液再進行分離時依然會出現(xiàn)液體夾帶的問題[12]。此外,對于濕氣段塞流流型,當(dāng)液塞流經(jīng)旋流器后,在旋流器下游的持液率增大,會使得液體不能完全進入環(huán)形空間,導(dǎo)致旋流葉片分離器的分離效率降低[13]。

為了改善旋流葉片分離器的分離效果,提出了一種基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣分離方法。一方面,該氣液分離方法將重力分離和離心分離相結(jié)合,消除段塞流對分離效果的影響,擴大流量的適用范圍;另一方面,該方法采用氣體引射循環(huán)技術(shù),將隨液體排出的氣體重新引入主流中進行循環(huán)分離,提高氣液分離效率。對基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣氣液分離方法工作原理進行了介紹,設(shè)計并加工了相應(yīng)的實驗裝置,在實驗室內(nèi)對其工作性能及氣液分離效果進行了研究。

1 氣液分離裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣氣液分離裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,其主要由重力預(yù)分離系統(tǒng)、旋流分離系統(tǒng)、氣流自循環(huán)引射噴嘴、液位控制系統(tǒng)、集液管、氣體流量計、液體流量計等組成。天然氣濕氣流首先進入重力預(yù)分離系統(tǒng),在進口T型三通的對沖作用下,濕氣中大部分液相或段塞流型中的液塞會流入重力預(yù)分離系統(tǒng)下部的液路中,然后匯入集液管;而絕大多數(shù)氣相會攜帶少量液滴進入上部的主氣路中,實現(xiàn)氣液預(yù)分離,同時消除段塞流對旋流分離器分離效果的影響。

旋流分離系統(tǒng)的工作原理如圖2所示,其中的旋流器選擇Wang S[14]推薦的導(dǎo)葉式旋流器形式。由主氣路來的濕氣流在兩級旋流器的作用下,密度較大的液相被甩到壁面形成液膜,分別流經(jīng)環(huán)縫和排液口匯入集液管中;分離的主氣流經(jīng)氣體流量計計量后由氣體出口排出。隨液膜進入環(huán)形空間的部分氣體,一部分可以通過T型導(dǎo)氣管再導(dǎo)入主氣流中(T型導(dǎo)氣管的出口位于旋流流場的中心部位,此處壓力較低);另外一部分可能會隨著液體經(jīng)排液口流入集液管中。環(huán)形腔的排液管和集液管之間相切,這樣,集液管中的氣液相在離心力和重力的作用下進一步實現(xiàn)氣液分離。在如圖3所示的氣流自循環(huán)引射噴嘴的作用下,濕氣主氣流將集液管內(nèi)的氣相引入主氣流中,進入旋流分離系統(tǒng),進行進一步的氣液分離。文丘里式引流器的應(yīng)用可以保持將集液管液面穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi),實現(xiàn)氣路和支路的阻力匹配,維持裝置的正常運行。

這樣,通過多個分離步驟,利用基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣氣液分離裝置可以實現(xiàn)天然氣濕氣的氣液分離,大大提高濕氣中的氣液分離效率。

2 實驗系統(tǒng)及裝置

實驗系統(tǒng)如圖4所示,用水和空氣作為實驗介質(zhì)。從壓縮機出來的壓縮空氣首先進入穩(wěn)壓罐,然后經(jīng)氣體流量計計量后進入氣液混合器;從水泵輸送來的水經(jīng)液體流量計計量后進入氣液混合器與氣體進行混合。從氣液混合器出來的氣液兩相流,經(jīng)2 m長的直管段流型充分發(fā)展以后流入氣液分離裝置,分離為單相氣和單相水,氣體直接排空,水經(jīng)計量后進入水箱循環(huán)利用?？諝鈮嚎s機和水泵分別通過變頻器調(diào)節(jié),以改變進入分離裝置的氣、水流量。在實驗過程中,采用的氣體流量計是由E+H公司生產(chǎn)的Proline t-mass型熱式氣體質(zhì)量流量計,測量范圍為5～400 m3/h,精度為±1.5%;液體流量計采用Rosemount公司生產(chǎn)的Micro Motion科氏力質(zhì)量流量計,型號為CMF050,其量程范圍為0～1.5 kg/s,精度為±0.1%;分離裝置兩端的壓差由橫河EJA110A差壓傳感器進行測量,其量程范圍可以根據(jù)工況壓差大小進行調(diào)節(jié),最大量程為200 k Pa,精度為±0.1%。流量計和壓差傳感器的輸出為4～20 m A直流電流信號,可以接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在電腦上進行數(shù)據(jù)處理與分析。

圖5是設(shè)計加工的基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣氣液分離實驗裝置。裝置主體采用高透明有機玻璃管,以便于觀察管道內(nèi)流型變化,氣流自循環(huán)引射噴嘴和旋流器采用3D打印技術(shù)完成。分離裝置的主管內(nèi)徑為65 mm,液膜環(huán)縫寬度為2 mm,旋流器與液膜環(huán)縫的距離為數(shù)值模擬確定的80 mm。

3 實驗方法

室內(nèi)實驗的主要目的是分析設(shè)計的濕氣氣液分離裝置在不同表觀氣速和液相體積分?jǐn)?shù)下的氣液分離性能和壓降特性。其中,液相體積分?jǐn)?shù)定義為實驗裝置進口處的液相體積流量與氣液混合物總體積流量之比。實驗過程中采用固定變量法,主要包括:①固定液相體積分?jǐn)?shù),通過調(diào)節(jié)氣體流量改變表觀氣速,以分析表觀氣速對濕氣氣液分離裝置的分離效率和壓降的影響;②固定氣體流量,通過調(diào)節(jié)液體流量改變液相體積分?jǐn)?shù),以分析液相體積分?jǐn)?shù)對濕氣氣液分離裝置性能的影響。

濕氣氣液分離裝置在不同工況下的壓降通過橫河EJA110A差壓傳感器測量裝置進出口壓差大小進行評價,而分離效率則采用比較分離前后液體流量進行評價。進入分離裝置的液體流量由科氏力質(zhì)量流量計測量,從分離裝置分離出來的液體流量則采用稱重法進行測量。稱重法所用電子秤量程為0～5 000 g,精度為±0.1%。取液時間根據(jù)液體流量大小為20～100 s,為使計量更加精準(zhǔn),在同時段內(nèi),一般取液3～5次,取液體質(zhì)量流量平均值。濕氣氣液分離效率η可表示為式(1)。

式中:W1為稱量法測量得到的分離后的液體質(zhì)量流量,kg/s;W2為利用科氏力質(zhì)量流量計測量得到的進入分離裝置的液體質(zhì)量流量,kg/s。

4 實驗結(jié)果與分析

保持裝置進口氣液比一定,實驗過程中控制液相體積分?jǐn)?shù)為1%,改變分離裝置進口氣相體積流量(氣體體積流量調(diào)節(jié)范圍為50～340 m3/h,對應(yīng)的裝置進口處壓力變化范圍為10.2～145.3 kPa),得到不同表觀氣速下的分離效率,如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)表觀氣速在4.2～28.5 m/s變化時,氣液分離效率基本可維持在96%以上。當(dāng)表觀氣速較小時,分離效率高,重力分離占主導(dǎo)作用,氣體的攜液能力較弱,液體在重力預(yù)分離系統(tǒng)中基本可以完全排出。隨著表觀氣速的增大,分離器內(nèi)流體流速變大,旋流分離作用逐漸起到主導(dǎo)作用,但是隨著氣流速度的增大,管道壁內(nèi)附著的液滴可能會再次被氣流卷起,使得少量液相從氣管逃逸。同時,隨著流量的增大,分離器內(nèi)的湍流強度加大,液滴受到的氣動壓力和流動剪切力也相應(yīng)變大,液滴破碎情況增多,分離變得相對困難。因此,分離效率隨著表觀氣速的增加而降低。

保持進口氣體體積流量為120 m3/h,改變液體的流量(調(diào)節(jié)過程中裝置進口壓力的變化范圍為24.0～26.7 k Pa),得到不同液相體積分?jǐn)?shù)下的分離效率,如圖7所示。從圖7可以看出,在液相體積分?jǐn)?shù)小于3%的情況下,分離效率基本可以保持在97%以上。隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,分離效率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,這是因為隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增加,過多的液膜來不及從環(huán)縫排除,沿著壁面進入主氣筒,造成液相的逃逸,導(dǎo)致分離效率降低。

壓降也是氣液分離裝置的一項重要性能指標(biāo)。圖8為不同工況下氣液分離裝置進出口處的壓降情況。由圖8可以看出,當(dāng)表觀氣速在4.2～28.5m/s變化時,在濕氣液相體積分?jǐn)?shù)小于3%的情況下,最大壓降約167 k Pa,表明氣液分離裝置的壓降并不大。從圖8還可以看出,隨著表觀氣速的增加,氣液分離裝置壓降明顯增加,這是因為隨著氣體流速的增大,摩擦阻力損失和入口沖擊損失都會增大。隨著液相體積分?jǐn)?shù)的增大,壓降也有變大的趨勢,但是考慮到濕氣的液相體積分?jǐn)?shù)通常小于3%,因此,相對于表觀氣速而言,濕氣的液相體積分?jǐn)?shù)對分離裝置的壓降影響不大。

5 結(jié)論

提出了一種基于旋流和引射循環(huán)技術(shù)的濕氣氣液分離裝置,將重力分離和旋流離心分離組合,并結(jié)合氣體引射循環(huán)技術(shù),消除段塞流對分離效果的影響,提高氣液分離效率。通過加工氣液分離實驗裝置,對其氣液分離性能和壓降情況進行了研究。得到的主要結(jié)論如下:

(1)當(dāng)表觀氣速為4.2～28.5 m/s、液相體積分?jǐn)?shù)小于3%時,所設(shè)計氣液分離裝置的氣液分離效率基本可維持在97%以上。

(2)隨著表觀氣速的增加,分離裝置逐漸由重力分離為主導(dǎo)變?yōu)樾麟x心分離為主導(dǎo);隨著氣速和液相體積分?jǐn)?shù)的增加,氣液分離效率逐漸降低,對濕氣而言,液相體積分?jǐn)?shù)對分離效率的影響并不明顯。

(3)當(dāng)表觀氣速在4.2～28.5 m/s變化時,在濕氣液相體積分?jǐn)?shù)小于3%的情況下,最大壓降約167 k Pa,且壓降隨著氣體流速和液相體積分?jǐn)?shù)的增加而增加,其中,液相體積分?jǐn)?shù)對壓降的影響較小。