李杰元 賈嚴(yán)剛 趙國(guó)軍 艾海智 張 毅 陳永忠
1. 中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)公司, 新疆 克拉瑪依 834000;2. 中國(guó)石油新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)公司, 新疆 克拉瑪依 834000;3. 中國(guó)石油新疆油田公司物資供應(yīng)總公司, 新疆 克拉瑪依 834000;4. 四川長(zhǎng)儀油氣集輸設(shè)備股份有限公司, 四川 樂山 614007
天然氣處理技術(shù)中將乙二醇作為水合物抑制劑[1],抑制原理為將親水性液體霧化混入氣體中,霧化后的親水性液體吸收氣體中的水分使輸送氣體露點(diǎn)降低,從而降低水合物的形成溫度,抑制水合物生成。注醇過程中,乙二醇的霧化效果直接影響注醇量和外輸天然氣品質(zhì)[2-8]。目前,中國(guó)天然氣處理技術(shù)中多采用單點(diǎn)或3點(diǎn)式注醇,注醇霧化器以針型閥為主。在實(shí)際操作過程中,注醇霧化器的流量調(diào)節(jié)與霧化程度的匹配較困難。選擇針型閥作為注醇霧化器需要較高的壓差來(lái)提高乙二醇的霧化率及流量。
目前,中國(guó)常用的注醇霧化器雖然經(jīng)過多次改進(jìn),但仍存在注醇量大、霧化效果差、影響換熱器效果和注醇?jí)翰畲蟮膯栴}。
注醇量及霧化效果方面,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際平均注醇量比理論計(jì)算值高,造成乙二醇再生負(fù)荷和能耗增大。工藝設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用哈默斯米特計(jì)算來(lái)降低水合物溫度所需注醇量,但在實(shí)際應(yīng)用中,很多油氣田工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件計(jì)算得出的注醇量嚴(yán)重偏低。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)下游管道析出物的分析,其原因?yàn)樗衔镆种苿╈F化效果差,大量水合物抑制劑以液體形式沿管道流入下游[8-9]。
換熱器方面,以某氣田為例,其天然氣處理裝置采用繞管換熱器,由于注醇霧化器霧化效果差,未霧化的乙二醇進(jìn)入換熱器,吸附在換熱管管壁上形成乙二醇液膜[10-11]。乙二醇液膜的存在使得換熱器總傳熱系數(shù)下降,換熱效果變差,最終影響制冷溫度,造成外輸天然氣品質(zhì)降低。實(shí)際生產(chǎn)中這一現(xiàn)象非常明顯,換熱器剛投運(yùn)時(shí)效果非常好,但運(yùn)行一段時(shí)間后換熱器效果開始變差。在設(shè)計(jì)中,為了使制冷溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值,采取了增大換熱器換熱面積的方法,導(dǎo)致地面工程投資增加。
注醇?jí)翰罘矫?現(xiàn)場(chǎng)操作中為提高注醇霧化效率,通常采用增大注醇?jí)翰畹姆椒?。但這種做法勢(shì)必要求注醇設(shè)備及管、器件具有更高的壓力等級(jí),增加了注醇部分的投資。
因此,有必要對(duì)注醇霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,以期降低注醇量、改善霧化效果、減小注醇?jí)翰?降低對(duì)換熱器效果的影響程度。研究結(jié)果對(duì)提高外輸天然氣品質(zhì)、降低地面工程投資有借鑒意義。
早期天然氣處理技術(shù)中通常采用以針型閥為注醇霧化器的霧化方法。針型閥主要靠液體在壓差作用下產(chǎn)生的高速射流使液體霧化,屬于壓力霧化,是直噴式噴嘴。該霧化方法對(duì)壓差要求較高,且噴嘴直徑越大霧化越難,注醇量越大,故噴嘴直徑不能太大,流量調(diào)節(jié)范圍較小。針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)[12-13]見圖1。
圖1 針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)圖
針型閥直噴式噴嘴存在一些問題:霧化效果差,液滴不均勻,流量大時(shí)尤其明顯,液滴甚至根本沒有霧化而是以液體形式直接注入管道[14-17];注醇?jí)翰畲?管線壓損和針型閥噴嘴磨損大;霧化噴射角較小,不利于乙二醇與天然氣的充分混合。
對(duì)針型閥直噴式噴嘴進(jìn)行多次改進(jìn),設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)杯式和旋盤式兩種旋轉(zhuǎn)式噴嘴[18]。轉(zhuǎn)杯式噴嘴是將液體噴入圓(錐)形轉(zhuǎn)杯的內(nèi)腔,借助高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯將液體展成薄膜,由離心力和速度的綜合作用霧化液體[19]。旋盤式噴嘴是靠高速旋轉(zhuǎn)的圓盤來(lái)霧化液體。但這兩種旋轉(zhuǎn)式噴嘴的霧化效果依然欠佳。
為改善霧化效果、減小注醇?jí)翰?研發(fā)了一種新型注醇霧化器,采用旋流型噴嘴,內(nèi)部設(shè)計(jì)獨(dú)特的渦流葉片(或起旋頭)和渦流室,在較低的壓差作用下液體進(jìn)入渦流室高速旋轉(zhuǎn)形成薄膜,離心力和速度的共同作用使進(jìn)入的液體全部霧化[19-23]。
新型注醇霧化器旋流型噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2。旋流型噴嘴主要由O型圈、注入閥本體、套筒、起旋頭、噴嘴、壓緊頂桿、T型環(huán)流槽等組成。
圖2 旋流型噴嘴結(jié)構(gòu)圖
乙二醇首先由壓緊頂桿中部經(jīng)4個(gè)介質(zhì)分流孔進(jìn)入環(huán)型腔室,然后通過T型環(huán)流槽進(jìn)行流量分配。分配好的乙二醇經(jīng)2~4個(gè)切向起旋槽切向進(jìn)入渦流室,在壓差驅(qū)動(dòng)下,乙二醇在高速旋轉(zhuǎn),在離心力和質(zhì)量流動(dòng)的共同作用下以一定速度離開噴嘴,切向速度和軸向速度的同時(shí)存在導(dǎo)致液體離開噴嘴時(shí)形成具有一定夾角的鐘罩狀液膜。由于液體噴出速度很大,液體與環(huán)境形成極大的速度差,氣液之間產(chǎn)生較大的摩擦阻力。在該摩擦阻力的作用下噴嘴處形成的鐘罩狀液膜破裂成片狀和絲狀,繼而被拉斷,在液體表面張力作用下,收縮成球狀液滴。最后霧化成細(xì)滴并具有一定的霧化角,呈環(huán)狀噴出[24-25]。
相同孔徑的噴嘴流量大小可由切向起旋槽的個(gè)數(shù)和深度來(lái)決定,如在同等介質(zhì)和壓差下,4個(gè)切向起旋槽的噴嘴流量比2個(gè)切向起旋槽的噴嘴流量大。
針對(duì)現(xiàn)有注醇霧化器霧化后的乙二醇與原料天然氣混合不均勻的問題,實(shí)施了注醇霧化器整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在原料天然氣集輸管道主管入口處設(shè)置1個(gè)起旋器,通過文丘里管的氣流,在直段和收縮段產(chǎn)生環(huán)流,氣流進(jìn)入文丘里管喉部時(shí),因射流效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,吸入注醇霧化器注入的充分霧化的乙二醇,使之有效混合后進(jìn)入下游管線。
優(yōu)化對(duì)象為DN100注醇霧化器,其主管結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)總圖分別見圖3、圖4。注醇霧化器總長(zhǎng)度為755 mm,入口管徑104 mm,入口直段200.1 mm,收縮角度為22°,收縮段長(zhǎng)度102.9 mm,發(fā)展段采用有機(jī)玻璃便于觀察霧化效果,文丘里管喉徑為64 mm、文丘里管喉部長(zhǎng)度為 62 mm,擴(kuò)展段長(zhǎng)度為190.3 mm,擴(kuò)張角度為12°。
圖3 注醇霧化器霧化主管結(jié)構(gòu)圖
圖4 注醇霧化裝置結(jié)構(gòu)總圖
氣體流入注醇霧化器后,首先通過1組由固定螺旋形葉片組成的起旋器被強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)形成旋渦流。旋渦中心為渦核,是流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度很高的區(qū)域,外圍是環(huán)流。氣體流經(jīng)收縮段時(shí)旋渦加速,沿流動(dòng)方向渦核直徑逐漸縮小,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。此時(shí)渦核與主管的軸線走向一致。氣流在文丘里管喉部與噴入的乙二醇微細(xì)霧滴充分混合,然后進(jìn)入擴(kuò)展段流出。
以DN50/DN80注醇霧化器為例研究小于DN100注醇霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。鑒于DN50和DN80注醇霧化器的通徑較小,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用前后2點(diǎn)式注醇,主管入口處同樣設(shè)置1個(gè)起旋器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成直通。主管結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)總圖見圖5、圖6。
圖5 DN50/DN80注醇器霧化主管結(jié)構(gòu)圖
圖6 DN50/DN80注醇霧化裝置結(jié)構(gòu)總圖
為驗(yàn)證新型注醇霧化器的霧化效果,檢測(cè)最低霧化壓差值及在不同壓差對(duì)應(yīng)下各噴嘴直徑的注醇量取得實(shí)際數(shù)值,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái),見圖7。試驗(yàn)原理為使用帶刻度容器盛裝2 L試驗(yàn)用液體,啟動(dòng)隔膜泵后通過后端的手動(dòng)調(diào)壓閥將壓力穩(wěn)壓到試驗(yàn)所需壓力,目測(cè)容器刻度,當(dāng)液位下降到1.5 L時(shí)開始使用秒表計(jì)時(shí),繼續(xù)目測(cè)容器刻度,當(dāng)液位下降到0.5 L時(shí)停止計(jì)時(shí),按容器損失液量和記錄時(shí)間可求得對(duì)應(yīng)的流量值。測(cè)定最低壓差,使用手動(dòng)調(diào)壓閥將輸出壓力按0.05 MPa的梯度逐步升壓,每個(gè)梯度保持30~60 s,每升壓1次觀察輸出介質(zhì)的霧化態(tài)及流出的液體,直到在規(guī)定時(shí)間內(nèi)只有霧化態(tài)沒有液體流出時(shí)定為最小霧化壓差。
圖7 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖
試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境溫度為14 ℃,純水黏度為7.9~10.0 mPa·s,密度為 1 000 kg/m3;乙二醇黏度為6.0~10.0 mPa·s,密度為 1 100.00 kg/m3。純水和乙二醇兩者物性接近,因此廠內(nèi)試驗(yàn)首先采用純水作為工質(zhì)來(lái)模擬注醇霧化器對(duì)乙二醇的霧化,測(cè)試流量,目測(cè)霧化效果。
試驗(yàn)注醇霧化器旋流型噴嘴孔徑分別為1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.4 mm(噴嘴具有2個(gè)起旋槽);噴嘴前后壓差為0.6~2.5 MPa。不同噴嘴孔徑在各壓差下流量測(cè)試值見圖8,霧化效果見圖9。
圖8 噴嘴壓差流量圖
a)1.0 mm
由圖9可看出,霧流形狀為實(shí)心圓錐形狀,在0.6~2.5 MPa壓差下,實(shí)測(cè)噴霧夾角約為40°~60°,噴霧顆粒細(xì)小而且非常均勻。由于噴嘴內(nèi)部采用了獨(dú)特的渦流起旋槽設(shè)計(jì),霧化均勻細(xì)密,與現(xiàn)有注醇霧化器針型閥相比大大提高了霧化效率,減小了注醇?jí)翰?從而減少了未霧化的注入量。
4.2.1 測(cè)試噴嘴流量
廠內(nèi)試驗(yàn)采用20%水乙二醇溶液,將1.0 mm、1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在14 ℃、3 ℃、0 ℃、-10 ℃,壓差0.6~2.5 MPa的條件下進(jìn)行噴霧試驗(yàn),觀察霧化效果,研究乙二醇黏度對(duì)霧化的影響以及霧化效果與注醇?jí)翰畹年P(guān)系。不同溫度下噴嘴流量實(shí)測(cè)值對(duì)比見表1。
表1 不同溫度下噴嘴流量實(shí)測(cè)值對(duì)比表
4.2.2 霧化試驗(yàn)效果分析
20%水乙二醇溶液在冰凍箱冷凍至-10 ℃左右,觀察其物理特性呈黏稠狀態(tài)。
圖10 水乙二醇溶液在不同溫度、濃度時(shí)黏度變化曲線圖
由圖10看出,水乙二醇溶液在不同濃度時(shí),黏度均隨溫度上升逐漸變小。
1.0 mm、1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在溫度-10 ℃、0 ℃、3 ℃,壓差0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa 進(jìn)行試驗(yàn),見圖11~12。通過圖11~12可看出:在壓差0.6~1.0 MPa,溫度-10~0 ℃時(shí),噴嘴出口處的噴霧角度明顯較小,噴霧顆粒較大,噴霧產(chǎn)生的表面積小,噴霧精細(xì)度較差;而壓差1.5~2.5 MPa,溫度-10~3 ℃時(shí),噴霧角度和噴霧產(chǎn)生的表面積明顯增大,噴霧精細(xì)度提高。霧化效果隨壓差的增大而改善,即霧化粒度隨壓差的增大而減小。
a)-10 ℃
溫度-10~0 ℃時(shí),乙二醇溶液黏稠,黏度大(41.36~24.44 mPa·s),同等壓差下試驗(yàn),噴霧角度較小,噴霧表面積小,精細(xì)度低,噴霧效果較差。隨乙二醇溶液黏度降低,霧化效果越好,特別是在常溫下霧化效果尤其良好。
1.0 mm孔徑噴嘴流量變化情況見表2。
表2 1.0 mm孔徑噴嘴流量變化表
從表2可得,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對(duì)于溫度14 ℃,在0.6~2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗(yàn),流量減少2.6%~7.9%,溫度-10 ℃試驗(yàn),流量減少3.2%~12.2%。
1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴噴霧試驗(yàn)見圖12。
a)1.5 mm,-10 ℃,0.6 MPa
同理對(duì)1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在溫度 -10 ℃、0 ℃、3 ℃,壓差0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa 進(jìn)行試驗(yàn),通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和圖12分析可知:隨壓差增大,噴霧產(chǎn)生的表面積增大,噴霧精細(xì)度提高,霧化效果越好,即霧化粒度隨壓差的增大而減小。
同等壓差下試驗(yàn),溫度降低,乙二醇溶液黏度變大,噴霧精細(xì)度低,噴霧效果較差;而隨溫度升高,乙二醇溶液黏度降低,霧化效果越好。1.5 mm孔徑噴嘴流量變化情況見表3。
表3 1.5 mm孔徑噴嘴流量變化表
由表3可看出,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對(duì)于溫度14 ℃,在0.6~2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗(yàn),流量減少6.2%~14%,溫度-10 ℃試驗(yàn),流量減少9.4%~17.5%。
2.4 mm孔徑噴嘴流量變化見表4。
表4 2.4 mm孔徑噴嘴流量變化表
從表4可看出,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對(duì)于溫度14 ℃,在0.6~2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗(yàn),流量減少13.9%~19.3%,溫度-10 ℃試驗(yàn),流量減少20.1%~26.7%。
為了獲得較準(zhǔn)確的噴嘴流量及霧化特性,委托第三方對(duì)霧化粒度分布特性進(jìn)行檢測(cè)。噴嘴孔徑分別為 1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.4 mm(送第三方檢測(cè)的噴嘴為具有多個(gè)起旋槽的較大流量噴嘴),試驗(yàn)條件為溫度25 ℃,介質(zhì)為純水,不同孔徑噴嘴在0.7 MPa、1.0 MPa壓差下的流量見表5。
表5 不同孔徑噴嘴在0.7 MPa、1.0 MPa壓差下的流量表
試驗(yàn)采用LSA-Ⅲ激光噴霧粒度測(cè)試儀。根據(jù)霧滴重量分布圖像和各尺寸段顆粒所占重量百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到不同孔徑噴嘴在壓差范圍內(nèi)的霧化粒度,平均顆粒直徑為70~100 μm,而且霧化粒度均隨壓差的增大而減小。介質(zhì)為純水,溫度為14 ℃的廠內(nèi)及第三方流量檢測(cè)見表6。
表6 廠內(nèi)及第三方流量檢測(cè)表
由表6可看出,在相同的溫度、壓差及噴嘴孔徑條件下,1.0~1.5 mm孔徑噴嘴在第三方檢測(cè)的數(shù)據(jù)均高于廠內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的9%~33%;2.0~2.4 mm孔徑噴嘴在第三方檢測(cè)得數(shù)據(jù)均高于廠內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的1.7~3.4倍。分析其原因?yàn)?廠內(nèi)檢測(cè)手段采用簡(jiǎn)單的容積與秒表組合后計(jì)算出的數(shù)據(jù),人為因素影響極大,第三方測(cè)試采用的電子計(jì)量及系統(tǒng)積算,人為因素影響極低;廠內(nèi)檢測(cè)使用的隔膜泵輸出壓力10 MPa,最大流量1~180 L/h,1.0~1.5 mm孔徑噴嘴數(shù)據(jù)非常接近,微孔下液流狀態(tài)處于阻塞流,其流量變化不大,2.0~2.4 mm 孔徑噴嘴數(shù)據(jù)受人為因素及泵的最大流量所限制,流量差距極大。
在某氣田天然氣處理站對(duì)新型注醇霧化器展開實(shí)際工程應(yīng)用。該處理站管道壓力8.0~10.0 MPa,注醇?jí)翰?3~15 MPa,注醇量20~160 L/h。
在該處理站輸氣量、輸氣壓力、溫度均不變的情況下,使用新型注醇霧化器,經(jīng)調(diào)試合格運(yùn)行后測(cè)得注入量在設(shè)計(jì)范圍20~160 L/h內(nèi);未使用新型注醇霧化器前的實(shí)際消耗量34~272 L/h;現(xiàn)場(chǎng)原有實(shí)際注醇量最大值比設(shè)計(jì)的理論最大值高70%。
該處理站更換采用1.0 mm孔徑噴嘴3點(diǎn)式結(jié)構(gòu)新型注醇霧化器后實(shí)測(cè)注入量滿足原設(shè)計(jì)。故新型注醇霧化器通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化在較低的壓差下得到良好的霧化效果,與氣體充分混合后使得實(shí)際注醇量與設(shè)計(jì)提出的理論量吻合,注醇量理論可控,從而解決現(xiàn)場(chǎng)因霧化效果差而導(dǎo)致大量液體順管道流動(dòng)直接影響后續(xù)相關(guān)工藝設(shè)備功能功耗的問題。
1)研發(fā)的新型注醇霧化器采用了旋流型噴嘴,在內(nèi)部設(shè)置了獨(dú)特的渦流葉片(或起旋頭)和渦流室結(jié)構(gòu),且噴嘴與注入器本體裝配設(shè)計(jì)巧妙,結(jié)構(gòu)緊湊,易于在線更換。乙二醇在壓差的驅(qū)動(dòng)下,在渦流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),經(jīng)過離心力和質(zhì)量流動(dòng)的共同作用,霧化成均勻、精細(xì)度非常高的細(xì)滴,并具有一定的霧化角,呈環(huán)狀噴出,噴霧效果可以和空氣霧化噴嘴媲美。相同孔徑的噴嘴流量大小可由切向起旋槽的個(gè)數(shù)和深度來(lái)調(diào)整。新型注醇霧化器解決了現(xiàn)有注醇霧化器在實(shí)際操作過程中注醇量大、霧化效果差、影響換熱器效果、注醇?jí)翰罡叩葘?shí)際問題。
2)新型注醇霧化器主管混合方式采用文丘里管結(jié)構(gòu)。入口處設(shè)置起旋器,通過文丘里管吹入高速氣流,在直段和收縮段產(chǎn)生環(huán)流,氣流進(jìn)入文丘里管喉部時(shí),產(chǎn)生低壓并與注醇霧化器注入的乙二醇微細(xì)霧滴充分有效混合,然后噴出文丘里管,大大提高了介質(zhì)與乙二醇充分混合的霧化效果。
3)試驗(yàn)表明,溫度≥0 ℃,注醇?jí)翰睢?.5 MPa時(shí),可以產(chǎn)生非常細(xì)小的液滴,能實(shí)現(xiàn)最佳的乙二醇霧化效果;溫度<0 ℃,注醇?jí)翰睢?.5 MPa時(shí),由于乙二醇溶液黏度變大,噴霧角變小,噴霧產(chǎn)生的表面積小,噴霧精細(xì)度較差,霧化效果略差,但與針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)霧化效果相比大大改善。霧化粒度隨壓差的增大而減小,霧化效果隨壓差增大而變好。建議噴嘴入口壓差在0.6 MPa以上。
4)同等壓差下,溫度降低,乙二醇溶液黏度變大,噴霧精細(xì)度低,噴霧效果較差。隨溫度升高黏度降低,霧化效果越好。
5)溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對(duì)于常溫工況,在0.6~2.5 MPa壓差范圍,噴嘴孔徑1.0~1.5 mm,溫度0 ℃時(shí)流量減少2.6%~14%,溫度-10 ℃時(shí)流量減少3.2%~17.5%。噴嘴孔徑2.0~2.5 mm,溫度0 ℃時(shí)流量減少13.9%~19.3%,溫度-10 ℃時(shí)流量減少20.1%~26.7%。
6)本研究分析找出了霧化效果與注醇?jí)翰罴耙叶拣ざ扰c霧化效果之間的關(guān)系,為實(shí)際生產(chǎn)及工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐,有效降低了生產(chǎn)成本,可廣泛推廣應(yīng)用于氣田生產(chǎn)中。