含葉柵和旋流器的組合分離器分離性能測(cè)試研究

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610017；2.西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

氣液分離器在天然氣的采集、輸送工藝過(guò)程中具有重要的作用。在這些過(guò)程中通常夾雜有液體和固體雜質(zhì)，這不僅會(huì)影響天然氣的質(zhì)量，還會(huì)造成設(shè)備、管線的腐蝕，降低天然氣的輸送效率[1-2]；因此，在天然氣的采集和輸送過(guò)程中必須對(duì)天然氣進(jìn)行氣液分離處理?，F(xiàn)有的氣液分離技術(shù)根據(jù)分離機(jī)制的不同，主要有重力沉降分離、慣性分離、過(guò)濾分離、離心分離等[3]。不斷發(fā)展的油氣行業(yè)要求氣液分離器向緊湊、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展[4]。2006年，西南石油大學(xué)發(fā)明了一種主要由天然氣管道、溶劑儲(chǔ)罐、位于天然氣管道上的霧化噴射泵和氣液分離器組成的天然氣脫硫脫水凈化裝置，該裝置對(duì)于偏僻邊遠(yuǎn)單井生產(chǎn)的天然氣凈化處理較實(shí)用[5]。2009年9月，新疆油田公司采氣一廠某天然氣處理站進(jìn)行工藝優(yōu)化，在壓縮機(jī)出口與注醇前加裝了一臺(tái)重力分離器，該重力分離器采用了重力分離器重力沉降+擋板+絲網(wǎng)除沫器泡沫分離技術(shù)，提高了外輸天然氣的品質(zhì)與乙二醇的回收率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的[6]。2012年，吉林油田開(kāi)發(fā)了一種新型臥式分離計(jì)量裝置，采用旋流式入口裝置、HXTP分離裝置及捕霧元件，該設(shè)備具有將計(jì)量分離一體化，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)[7]。上述新型分離器都需要特定的工作環(huán)境或使用工況。文獻(xiàn)[8]提出了一種新型組合氣液分離器，該分離器在采用傳統(tǒng)旋流器的基礎(chǔ)上還增加了葉柵分離元件，本文通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)該分離器的分離性能進(jìn)行測(cè)試研究。

1 新型分離器概況

該氣液分離器包括分離器殼體以及在分離器殼體上設(shè)置的天然氣入口、天然氣出口和排液口，分離器殼體內(nèi)部分為上部的氣相區(qū)和下部的液相區(qū)。在天然氣入口處設(shè)置有旋流器，在天然氣出口處設(shè)置有包含葉柵式分離元件的箱體，該箱體中設(shè)置有葉柵葉片，下方為漏水板，在漏水板下方設(shè)置有集液箱和排液管。該分離器的工作原理是：入口天然氣首先進(jìn)入旋流器，實(shí)現(xiàn)氣液初步分離，天然氣經(jīng)彎頭和擴(kuò)散口增壓、減速后流出旋流器；接著氣流經(jīng)過(guò)氣相區(qū)從包含葉柵分離元件的箱體右側(cè)進(jìn)入箱體；夾雜液體、霧沫的氣流在流線型的除霧葉片中運(yùn)動(dòng)，相互碰撞、附著、聚結(jié)，經(jīng)過(guò)漏水板進(jìn)入集液箱，最后沿排液管經(jīng)分離器排出。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組合式氣液分離器結(jié)構(gòu)圖

該氣液分離器從結(jié)構(gòu)和分離元件的選取上作出改進(jìn)，其分離效率要比傳統(tǒng)的旋流氣液分離器高，最高分離效率能達(dá)到95%以上，現(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)手段加以驗(yàn)證。

2 分離性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、進(jìn)氣管道、水箱、高壓水泵、進(jìn)液管道、氣液混合室、分離器試驗(yàn)段、測(cè)量?jī)x表、PDPA測(cè)試裝置以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)等組成。水箱中的水通過(guò)計(jì)量泵和控制閥進(jìn)入進(jìn)液管道，再由氣液混合區(qū)的噴嘴噴出形成霧化水?？諝鈮嚎s機(jī)將空氣壓縮儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中，后經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入氣液混合區(qū)。霧化水與空氣在氣液混合區(qū)充分混合形成汽水混合物進(jìn)入分離器試驗(yàn)段進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，在分離器試驗(yàn)段汽水混合物的進(jìn)口、出口以及氣液混合區(qū)都由有機(jī)玻璃制成以便于測(cè)試。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.2 PDPA測(cè)試原理

在現(xiàn)代流場(chǎng)測(cè)試方法中，為獲得細(xì)致、真實(shí)的湍流流動(dòng)結(jié)果，非接觸式測(cè)試系統(tǒng)成為首選，如粒子圖像測(cè)速儀(particle Image velocimetry，PIV )、過(guò)程層析成像技術(shù)(process tomography，PT)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)等。PIV在兩相流動(dòng)測(cè)試中的優(yōu)勢(shì)在于可進(jìn)行瞬態(tài)測(cè)量，但為區(qū)分液相和顆粒相的速度場(chǎng)及獲得顆粒相粒徑、濃度的分布規(guī)律，必須結(jié)合圖像處理技術(shù)編制專門的計(jì)算程序。PDPA被廣泛應(yīng)用在兩相流和多相流的研究中，是目前公認(rèn)的同時(shí)測(cè)量粒子速度和尺寸的有效手段。PDPA是利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)粒子的相關(guān)特性，具有不干擾流場(chǎng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。該設(shè)備主要的應(yīng)用領(lǐng)域有微滴尺寸的測(cè)量，噴嘴噴射特性、燃燒系統(tǒng)氣泡動(dòng)態(tài)特性、兩相流、粒子輸運(yùn)、三維速度場(chǎng)、湍流、邊界層和空穴流等的研究[9]。本試驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的相位多普勒粒子分析儀對(duì)分離器進(jìn)行測(cè)試。PDPA測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 PDPA測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量分離器進(jìn)、出口氣液混合物中液體的濃度即液態(tài)水含量來(lái)確定分離器的分離效率。在相位多普勒粒子分析儀中，依靠PDPA產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的頻率正比于粒子通過(guò)測(cè)量體的速度來(lái)確定粒子速度。2束光以不同的角度進(jìn)入球形粒子，使得2束光的光程不同，導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移，這個(gè)相對(duì)位移又導(dǎo)致在球形粒子周圍產(chǎn)生干涉條紋，干涉條紋的間距由光的入射角γ和光的波長(zhǎng)λ決定，這個(gè)間距與球體直徑成反比。如果球體移動(dòng)，2束光在球形粒子上產(chǎn)生的散射光之間存在一個(gè)多普勒差頻f，這個(gè)差頻導(dǎo)致干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。多普勒差頻f與球體移動(dòng)速度v之間的關(guān)系為

(1)

利用設(shè)定接收角度和間距的2個(gè)光電倍增管多普勒信號(hào)間的相位差測(cè)定粒子的粒徑大小[10]。假定2個(gè)光檢測(cè)器中光的強(qiáng)度波動(dòng)以及滯后時(shí)間為Δt，則2束反射光相應(yīng)的相位差Φ由式(2)表示：

Φ=2πf·Δt

(2)

倘若其他光學(xué)系統(tǒng)的幾何參數(shù)保持不變，最重要的特性就是兩多普勒脈沖之間的相位差由粒子的尺寸決定，因此粒子粒徑與相位之間的關(guān)系由式(3)表示：

(3)

式中：n1為散射介質(zhì)的折射率；λ為激光在真空中的波長(zhǎng)；D為粒徑；β為幾何因子。

同時(shí)，還可以用PDPA來(lái)測(cè)量粒子的濃度，因?yàn)榱Ｗ拥竭_(dá)測(cè)量體的速率與粒子濃度有關(guān)[11]。若N是測(cè)量時(shí)間t內(nèi)經(jīng)過(guò)測(cè)量體的粒子數(shù)，粒子的平均速度為v，A是相應(yīng)測(cè)量體的有效橫截面積，且粒子粒徑為d，所測(cè)粒子的密度為ρ，則粒子濃度由式(4)計(jì)算：

(4)

利用PDPA測(cè)試裝置分別測(cè)量分離器試驗(yàn)段進(jìn)口和出口氣液混合物的液態(tài)水含量，再通過(guò)計(jì)算確定分離器的分離效率。分離效率采用式(5)計(jì)算：

(5)

式中：P1為進(jìn)口處氣液混合物中液態(tài)水含量；P2為出口處氣液混合物中液態(tài)水含量。

3 測(cè)試操作流程

1)開(kāi)啟空壓機(jī)給儲(chǔ)氣罐加氣，直到罐內(nèi)壓力達(dá)到1.4 MPa時(shí)停止；

2)開(kāi)啟柱塞泵，調(diào)節(jié)泵壓力到指定值；

3)調(diào)節(jié)分離器模型進(jìn)出口閥門，使試驗(yàn)段內(nèi)壓力保持指定壓力，試驗(yàn)段內(nèi)氣體流量保持穩(wěn)定；

4)當(dāng)氣體流量達(dá)到指定試驗(yàn)工況時(shí)，對(duì)分離器模型進(jìn)出口相關(guān)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和觀察，并記錄到達(dá)指定工況時(shí)的參數(shù)值；

5)當(dāng)氣罐壓力臨近供氣下限時(shí)，啟動(dòng)空壓機(jī)給儲(chǔ)氣罐補(bǔ)氣，補(bǔ)氣時(shí)間根據(jù)指定工況的不同在30～120 s之間；

6)重復(fù)(4)-(5)步驟，重復(fù)次數(shù)由記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)變化來(lái)確定，如果每次測(cè)量數(shù)據(jù)較為接近，且沒(méi)有單調(diào)上升或下降等明顯變化的情況出現(xiàn)，則視為到達(dá)穩(wěn)定，否則重復(fù)(4)-(5)步驟，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并在此狀態(tài)下完成測(cè)試；

7)調(diào)節(jié)到其他指定工況，按以上步驟完成實(shí)驗(yàn)。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)及處理

通過(guò)多次測(cè)量取其平均值的方法得到不同氣體流量下的液態(tài)水含量的數(shù)值。測(cè)試條件為：霧化水流量10.44 L/h,試驗(yàn)段內(nèi)壓力0.055 MPa，試驗(yàn)段內(nèi)溫度20 ℃，氣體流量分別為10、20、33、40、53、64 Nm3/h。利用PDPA測(cè)試平臺(tái)測(cè)量并記錄分離器進(jìn)、出口處氣液混合物中液態(tài)水含量數(shù)據(jù)，如表1、表2所示。由表1、表2可以得到組合分離器的分離效率，如表3所示。在不同的空氣流量下組合分離器的最低分離效率為82.37%，最高分離效率為97.85%，分離器分離效率隨著氣體流量的逐漸增大，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

表1 組合分離器進(jìn)口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 組合分離器出口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 組合分離器分離效率

4.2 對(duì)比測(cè)試

為了能進(jìn)一步證明該含葉柵和旋流器組合氣液分離器的分離性能，對(duì)取消葉柵后的分離器即旋流氣液分離器在相同試驗(yàn)工況下的分離性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得分離器進(jìn)、出口處氣液混合物的液態(tài)水含量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4、表5所示。由表4、表5可以得到該分離器的分離效率，如表6所示。無(wú)葉柵組合分離器分離效率最低是77.03%，最高是94.54%，分離器分離效率隨氣體流量的逐漸增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

表4 無(wú)葉柵旋流氣液分離器進(jìn)口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表5 無(wú)葉柵旋流氣液分離器出口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表6 無(wú)葉柵旋流氣液分離器分離效率

將含葉柵和旋流器的組合氣液分離器與無(wú)葉柵旋流氣液分離器所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到2種分離器分離效率對(duì)比曲線，如圖4所示。

圖4 有無(wú)葉柵分離器分離效率對(duì)比圖

由圖4可見(jiàn)，含葉柵和旋流器組合分離器與無(wú)葉柵旋流氣液分離器相比具有更高的分離效率。這說(shuō)明葉柵式分離元件能夠有效地提高分離器的分離效率。這是由于當(dāng)氣流中的液滴隨氣流在葉柵式分離元件的彎曲流道運(yùn)動(dòng)時(shí)，液滴發(fā)生碰撞、附著、聚結(jié)，沿著分離元件表面運(yùn)動(dòng)到溝槽中，從而達(dá)到了分離效果。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)含葉柵和旋流器組合分離器以及無(wú)葉柵旋流氣液分離器進(jìn)行測(cè)試，可以得到以下結(jié)論：

1)該新型組合分離器比現(xiàn)有常用的氣液分離器具有更高的分離效率，組合分離器中的葉柵式分離元件具有良好的分離作用, 該分離器的分離性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；

2)該分離器有效地縮小了分離器筒體直徑，降低了分離器高度，從而降低分離器的制造成本，滿足高精度、大流量的要求；

3)組合分離器分離效率隨著氣液混合物中液態(tài)水含量的變化具有相對(duì)效率谷區(qū)，且分離效率隨氣體流量的增大而先減小后增大。

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