麻宏強,丁瑞祥,韓喜蓮,王 麗

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,南昌 330013;2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730050)

在天然氣開發(fā)領(lǐng)域及油氣田地面工程中,管道內(nèi)的水合物很有可能產(chǎn)生段塞流,對下游壓縮機等設(shè)備造成巨大危害。因此,有必要對天然氣進行氣液分離處理,減少對管道的堵塞及腐蝕。常規(guī)的慣性式氣液分離設(shè)備是天然氣站脫水工藝中常用的分離設(shè)備,折流板作為慣性式氣液分離設(shè)備中重要的分離元件,起到了聚結(jié)小尺寸液滴的作用,小液滴附著在折流板后形成直徑更大的液滴,當自身重力大于表面張力時,液滴順著折流板的排液結(jié)構(gòu)流出而達到氣液分離的效果。

目前,國內(nèi)、外對于折流板分離性能的試驗研究主要是針對不同的折流板型式[1-3],如Monat等[4-5]利用激光干涉儀對不同型式的折流板分離性能進行了比較分析;楊建東等[6]設(shè)計了一種蛇形折流板,分析了不同參數(shù)下分離效率的變化情況;朗方年等[7]試驗研究了折流板葉片間距、葉片彎曲角、進口風速、液滴直徑等因素對分離性能的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面,起初主要針對折流板內(nèi)部液滴運動軌跡、液滴沉積行為等[8-11]。其后,涌現(xiàn)出了大量關(guān)于折流板型式和結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)對分離性能影響的研究,如,Wang等[12]模擬分析了液滴在流場中的運動軌跡、分離器出口液滴尺寸分布,葉片幾何形狀對分離效率和壓降的影響;Wang等[13]數(shù)值分析了不同結(jié)構(gòu)型式的折流板分離器內(nèi)的壓降特性、湍動能、液膜厚度等參數(shù)變化。但目前對于折流板型式的研究主要以帶鉤的V型和折線型為主,并且氣液分離設(shè)備中其他元件對折流板分離性能綜合影響的試驗研究鮮有報道。

本文搭建了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)折流板分離特性研究的試驗平臺,通過設(shè)計正交實驗,研究了入口處液氣比、折流板型式、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)型式、連通管狀態(tài)對分離性能的影響。基于極差分析法和方差分析法確定了影響分液側(cè)折流板的分離效率及流動阻力特性的主要因素,并對各影響因素進行了顯著性分析,最終確定了相應(yīng)運行條件下的最優(yōu)組合形式。

1 試驗臺設(shè)計及搭建

本文搭建了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)折流板分離特性研究的試驗平臺,其分液側(cè)主要由上部的分離腔、下部的集液筒、折流板、入口導(dǎo)流板、連通管等結(jié)構(gòu)組成。為了更好地觀察分離器內(nèi)流體流動情況,在上部分離腔側(cè)筒壁設(shè)計了觀察口。分離腔與下部集液筒通過法蘭連接。為方便試驗過程中更換折流板和導(dǎo)流板構(gòu)件,在分離腔中間也采用了法蘭連接。整個分液側(cè)氣液分離器如圖1所示。圖2為分液側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖,分離過程包括不同的分離段,首先是入口初級分離段,在分離腔流體入口處的導(dǎo)流板可以降低進入的氣流流速,增加氣流在分離腔內(nèi)的停留時間;其次是二級沉降分離段,在分離腔內(nèi)的折流板可以借助重力沉降原理和慣性分離原理來保證氣液分離效果;最后是除霧段,在分離腔氣相出口處的捕霧器捕集被氣流攜帶的小直徑液滴;連通管可以排走分離腔內(nèi)流體,有效地避免液滴的二次夾帶。

圖1 分液側(cè)氣液分離器

圖2 分液側(cè)結(jié)構(gòu)示意

本次試驗設(shè)計了不同型式的折流板及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)。其中,折流板型式有蜂窩型、折線型、梯形3種,導(dǎo)流板設(shè)計了不同角度、深度的樣式。圖3、4分別為折流板和導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)圖,導(dǎo)流板具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 折流板結(jié)構(gòu)型式

圖4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)圖

試驗裝置主要由空氣壓縮機、水泵、水箱、超聲波空氣霧化噴嘴、分液側(cè)分離器等組成。實驗裝置如圖5所示。整個氣液分離試驗方案具體為:首先,氣體經(jīng)過空氣壓縮機加壓,液體經(jīng)水泵加壓;入口氣液參數(shù)分別經(jīng)液體渦輪流量計、熱式氣體流量計計量,空氣通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。然后,兩者進入超聲波空氣霧化噴嘴,經(jīng)霧化后的液體以霧狀小液滴的形式進入分液側(cè)。最后,兩相混合物在氣液分離裝置內(nèi)完成了分離工作,通過分離筒上端的壓力表來精確記錄分離腔內(nèi)部壓力。試驗選取空氣和水作為試驗物料,試驗過程中用到的主要設(shè)備參數(shù)如下:空氣壓縮機,設(shè)備型號OTS-1500×2,額定排氣壓力0.7 MPa,公稱排氣量280 L/min;循環(huán)泵,設(shè)備型號LRS25-6,最大流量65 L/min,最大揚程6 m;超聲波霧化噴嘴,設(shè)備型號SV980-30,進氣壓力0.3 MPa,進水壓力0.5 MPa;渦輪流量計,設(shè)備型號LW,工作壓力≤1.6 MPa,量程0.5～6.0 m3/h,精度等級0.5;熱式氣體流量計,設(shè)備型號GLP-300,工作壓力≤4.0 MPa,量程0.5～290.0 m3/h,精度等級1.0;壓力表,設(shè)備型號MIK-Y190,氣體管路測量范圍0～0.6 MPa,精度等級1.0;壓力表,設(shè)備型號YE-100,量程0～1.0 kPa,精度等級2.5;電子秤,設(shè)備型號慧新,量程0～10 kg,分度值0.1 g。本試驗的核心部件是超聲波霧化噴嘴,通過超聲波霧化噴嘴可以將氣、液兩相均勻地混合、霧化。圖6為霧化噴嘴,分別設(shè)有氣相和液相兩個入口,超聲波霧化噴嘴與分液側(cè)入口管相連接,使得霧化后的混合物經(jīng)噴霧出去直接進入分離腔進行下一步的分離工作。

圖5 試驗裝置示意

圖6 霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2 試 驗

本文探究了不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、折流板型式、連通管狀態(tài)、入口流體液氣比組合時的折流板分離效率和壓降的變化規(guī)律。

為減小不必要的誤差,在試驗開始前先對試驗管道及試驗裝置進行潤濕、清洗。試驗流程如圖7所示,其具體步驟為:

圖7 試驗流程

1)試驗開始前檢查裝置的各部位是否連接緊密(空氣壓縮機出口管路的氣密性以及水箱出液管的密封性),對測量儀表進行調(diào)零。給水箱加水使整個液體管路充水、潤濕5～10 min,檢查液體管路的密封性,然后將水排干凈后;

2)試驗開始后用秒表記錄試驗時間,啟動空氣壓縮機,調(diào)節(jié)空氣壓縮機后的壓力調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)氣體流量至設(shè)定值;

3)啟動水泵給液體管路通水,觀察渦輪流量計讀數(shù),使用管路的閥門細調(diào)液體流量至設(shè)定值;

4)待氣體管路壓力表、熱式氣體流量計及液體渦輪流量計數(shù)值波動幅度很小時讀取折流板兩側(cè)壓力計讀數(shù)和液體管路流量值;

5)試驗結(jié)束后,先后關(guān)閉水泵、空氣壓縮機。打開集液筒的閥門讓液體從排液口閥門排出并收集排出液,當無連續(xù)的液滴流出時可以認為排液結(jié)束,進行稱量計算,從而獲得收集液質(zhì)量;

6)切斷電源,整理實驗臺。

3 分離性能評價及誤差分析

3.1 分離性能評價

試驗系統(tǒng)主要由進水系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、測量系統(tǒng)4個部分組成。進水系統(tǒng)是指從水箱到超聲波霧化噴嘴段;進氣系統(tǒng)是指從壓縮機出口到分液側(cè)入口段;氣液分離系統(tǒng)主要是指分液側(cè)的分離腔部分;測量系統(tǒng)主要是指對氣相、液相管路流量、折流板前后壓降以及分離效率的計量。本文主要通過折流板的分離效率和壓降對其分離性能進行評價,其測量方法如下:

1)壓降的測量。折流板前、后的壓降是衡量氣液分離設(shè)備能耗大小的一個的重要指標,試驗中在折流板前、后的分離腔上端安裝了數(shù)顯式兩相壓力表,用于精確的獲得折流板前后的壓力,從而可以求得氣流進入折流板前后的壓降。

2)入口流量的測量。在氣相管路和液相管路分別設(shè)置了液體渦輪流量計和熱式氣體流量計用于計量兩個管路的流量。分液側(cè)入口的氣液兩相混合物的流量通過質(zhì)量守恒原理即可以獲得。

3)收集液及分離效率的測量。電子臺秤主要用于測量收集液的質(zhì)量。試驗分離效率通過稱重法可以獲得,具體方法為:試驗開始后用計時器記錄試驗時間,試驗過程中記錄10組液體流量計的讀數(shù),取其平均值作為入口液體流量,Ve1。試驗結(jié)束后用電子臺稱計量5 min內(nèi)的收集液質(zhì)量,并記為M2。

每一組試驗分別測量10組平行樣,當10次測量的收集液質(zhì)量差不超過2%時,其平均值即可作為收集液的量。因此,在試驗過程中記錄下液體渦輪流量計的讀數(shù),取10組試驗數(shù)據(jù)的平均值作為流入的液體總質(zhì)量,記為M1。則分離效率計算式為

(1)

式中:M2為直接測量質(zhì)量,kg;M1為流入的液體總質(zhì)量,等于入口液體流量Ve1和其密度ρl的乘積,kg。

3.2 誤差分析

試驗過程中需要測量氣相和液相管路的流量、氣流流經(jīng)折流板前、后壓降、排液口排出的液體質(zhì)量等參數(shù)。測量儀表精度表征了測量結(jié)果與被測量的真值相符合的程度[14],合理地選擇儀表的量程,以及選擇準確度較高的儀表都能有效地提高測量結(jié)果的質(zhì)量。本試驗選用的測量設(shè)備參數(shù)如下:渦輪流量計,測量范圍0.5～5.0 m3/h,允許誤差0.03 m3/h;熱式氣體流量計,測量范圍0.5～290.0 m3/h,允許誤差2.895 m3/h;壓力計,測量范圍0～0.6 MPa,允許誤差0.006 MPa;壓力計,測量范圍0～1.0 kPa,允許誤差0.025 kPa;電子秤,測量范圍1～10 kg,允許誤差0.1 g。

間接獲得的數(shù)值與直接測量的數(shù)值之間必然存在誤差的傳遞,因此有必要將這個誤差控制在合理的范圍內(nèi)[15]。根據(jù)所測得的試驗結(jié)果以及表3中數(shù)據(jù),計算可得分離效率的最大相對誤差為4.17%,壓降的最大相對誤差為8.00%,兩者相對誤差都小于10.00%,說明測量設(shè)備選擇合理。

4 討論與分析

為了確定不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、折流板型式、連通管狀態(tài)、入口流體液氣比等對分液側(cè)分離效果的影響,以折流板分離效率及壓降為試驗指標設(shè)計了正交試驗。利用標準正交表設(shè)計了試驗方案并進行結(jié)果分析,找到影響分離性能的主要因素及最佳方案[16]。

4.1 極差分析

極差分析法又稱直觀分析法,它具有計算簡單、直觀、易懂等優(yōu)點,是正交試驗結(jié)果分析最常用的方法[17]。本次試驗設(shè)計入口氣體流量為12 m3/h,入口液體流量為25、35、45、55 L/h,將二者結(jié)合通過液氣比水平來表征,選取了4個因素4個水平,見表2。利用正交表安排了試驗組,共進行了16組試驗,n=16。

表2 因素水平表

采用極差分析判斷上述各因素對試驗結(jié)果的敏感性,以j表示各因素的水平,則Sj(j=1,2,3,4)為16個試驗組中各因素對應(yīng)水平的試驗標之和;Kj為各因素水平所對應(yīng)試驗的平均值;R為各因素的極差,計算式如下:

R=max{K1,K2,K3,K4}-min{K1,K2,K3,K4}

(2)

基于上述計算方法,極差分析結(jié)果匯總見表3。

表3 正交試驗的設(shè)置及結(jié)果

由表4的分離效率極差分析結(jié)果可知,各因素的極差R的大小依次為A>C>B>D,意味著影響新型氣液分離閃蒸撬分液側(cè)氣液分離效果的最主要因素為折流板結(jié)構(gòu)型式,次要因素為液氣比,最次要的因素為導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)和連通管狀態(tài)。由表5的壓降極差分析結(jié)果可知,極差R的大小排序為C>A>B>D,說明相比其他因素,連通管狀態(tài)對壓降影響最小,液氣比對壓降影響最大,折流板結(jié)構(gòu)型式和導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對壓降影響適中。

表4 分離效率極差分析結(jié)果

表5 壓降極差分析結(jié)果

圖8為各因素水平與分離效率平均值的關(guān)系圖,可以看出,各因素的最優(yōu)水平組合為A3B3C2D1,即選用水平梯形折流板、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105、液氣比為2.917‰、連通管狀態(tài)關(guān)閉時的組合最優(yōu)。這是因為折流板作為分離腔內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)件,對分離效果起著至關(guān)重要的作用;在幾種折流板型式中,水平梯形折流板在分離過程中不會有分離死角,液滴與一定角度的葉片撞擊后,部分液滴很容易在葉片第1、2、3級葉片上形成很薄的一層液膜并順著壁面壁面滑落,而后從排液孔流出,此時液滴直徑較大不會被氣流攜帶從出口逃逸,因此水平梯形折流板分離效果較好。導(dǎo)流板在分離腔內(nèi)主要起到了緩沖作用,使得進入的氣流速度很快降下來。導(dǎo)流板深度過大會使得緩沖作用降低,由于進入的氣流夾帶了大量的液滴,導(dǎo)流板深度過小也會使得氣流速度急劇變化,不利于液滴的分離,因此相比其余結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板,參數(shù)為180/102/105的導(dǎo)流板作用更佳。

圖8 分離效率極差分析圖

由于任何氣液分離器處理液量的能力都是有限的,而在有限的液量處理范圍內(nèi)選擇合適的液氣比可以很好地提高氣液分離設(shè)備的處理效率;連通管主要起到了平衡分離腔內(nèi)壓力的作用。所以,結(jié)合本試驗結(jié)果可知,在液氣比為2.917‰,連通管關(guān)閉時分離效果更好。

對于氣液分離設(shè)備而言,壓降指標越小,說明能耗越小。結(jié)合圖9可確定對于折流板前后壓降指標而言,各因素的最優(yōu)水平組合為A4B3C4D1,即折流板為蜂窩型,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105,液氣比4.583‰,連通管關(guān)閉狀態(tài)時的組合最優(yōu)。

圖9 壓降極差分析圖

4.2 方差分析

極差分析法直觀、計算量很小,但不能對誤差做出估計,無法得知分析的精度。而方差分析彌補了極差分析法的不足[18]。

在方差分析法中,用F值來檢驗各因素的顯著性影響,其計算式為

(3)

考察指標分離效率及折流板壓降產(chǎn)生的總差異用SS表示,由折流板型式引起的分離效率及壓降的變化SSA表示,類似的用SSB、SSC、SSD、SSE分別表示由導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)尺寸、液氣比、連通管狀態(tài)、試驗誤差引起的分離效率及壓降的平方和。平方和值越大則說明因素對考察指標的影響越大。顯然,

SS=SSA+SSB+SSC+SSD+SSE

(4)

均方可用MSS表示,計算式為

MSS=SSj/dfj

(5)

式中,dfj為因素自由度。

表6為分離效率方差分析結(jié)果,由于D項(連通管)為其中均方最小值,為了提高分析精度,故將D項合并到誤差項中。查詢3種類型即1%、5%、10%的F檢驗臨界值表,查得F0.01(3,6)=9.78,F0.05(3,6)=4.76,F0.10(3,6)=3.29。當F值大于F0.01時,說明該因素特別重要,記“**”;當介于F0.01～F0.05之間時,說明該因素重要,記“*”;當介于F0.05～F0.10時,說明該因素有一定的影響,記“(*)”;當小于F0.10時可以認為該因素幾乎沒有影響。從表8中可以看出,折流板型式的F值最大,且介于F0.01(3,6)和F0.05(3,6)之間,說明折流板型式是影響分離效率的重要因素,其變化對分離效率影響顯著。此外,還可以看出分離效率各因素的方差大小依次為A>C>B,與上文的極差分析結(jié)果相同。

表6 分離效率方差分析結(jié)果

表7為壓降方差分析結(jié)果,同理,將D項(連通管)與誤差項合并,得到壓降各因素的方差大小依次為C>A>B,與上文的極差分析結(jié)果相同。A、B、C項對應(yīng)的F值皆小于F0.10的值,說明A、B、C、D對壓降的影響都不顯著,整個分離腔內(nèi)壓力變化很小。

表7 壓降方差分析結(jié)果

5 結(jié) 論

1)對于分離效率指標而言,當折流板型式為水平梯形或蜂窩型,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105或120/102/105,液氣比為2.083‰～2.917‰,連通管狀態(tài)關(guān)閉時,分離效率較高;折流板型式是影響分離效率的重要因素。

2)對于壓降指標而言,當折流板型式為蜂窩型或垂直梯形,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105或120/102/105,液氣比為3.750‰～4.583‰,連通管關(guān)閉狀態(tài)時,整個氣液分離過程中的壓降較小;上述4種因素對于壓降指標均無顯著影響,說明整個分離腔內(nèi)壓力變化較小。