超音速分离在天然气脱水中的应用.pdf

2 0 0 8年 第 3期 管 道 Pi pe l i n e 技 水 Te c h ni q ue 设 备 Eq ui pme n t 2 0 0 8 No ． 3 超音速分离在天然气脱水 中的应用 涂辉 ， 蒋洪 ， 刘晓强 1 ． 西南石油大学 ， 四川成 都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 四川科宏石油天然气 工程 有限公 司， 四川成都6 1 0 0 5 1 摘要 根据低压和高压条件下的实验， 研究了超音速分离技术在天然气脱水方面的应用。研究结果表明 超音速分离 技术的脱水效果与压降条件有关， 当压力超过 7 MP a时， 超音速脱水技术比透平膨胀机制冷脱水技术和 J T阀脱水技术 更具优势。同时， 对超音速分离脱水技术的应用前景进行了展望。 关键词 超音 速脱水 ； 分离原理 ； 系统 结构 ； 应用前景 中图分类号 T E 6 4 4 文献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 3 0 0 0 1 一 O 3 Ap pl i c a t i o n o f S up e r s o n i c Se pa r a t o r t o Na t ur a l Ga s De hy dr a t i o n T U Hu i ， j I ANG Ho n g ， L I U X i a o q i a n g 1 ． S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a ； 2 ． Ke h o n g O i l Ga s E n g i n e e r i n g Co mp a n y L t d ． ， C h e n g d u 6 1 0 0 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t s a t l o w a n d h i g h p r e s s u r e s ，t h e a p p l i c a t i o n o f s u p e r s o n i c d e h y d r a t i o n w i l l b e f u r t h e r r e s e a r c h e d ． E x p e r i me n t s i n d i c a t e t h a t t h e e f f e c t o f s u p e r s o n i c d e h y d r a t i o n i s r e l a t e d t o t h e p r e s s u r e d r o p， a n d t h a t wh e n t h e p r e s s u r e e x e e e d s 7 MP a ，s u p e r s o n i c d e h y d r amn i s s u p e ri o r t o t u r b o e x p a n d e r r e f r i g e r a t i o n d e h y d r a t i o n a n d tha t J o u l eT h o ms o n e x p a n s i o n d e h y dr a t i o n ．S u p e r s o n i c d e h y d r a t i o n w i l l p l a y a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e f u t u r e n a t u r a l g a s p r o c e s s i n g ． Ke y wo r d s s u p e r s o n i c d e h y d r a t i o n； the o r y o f s e p a r a t o r ； s y s t e m s t r u c t u r e ； f u t u r e a p p l i c a t i o n 0引言 天然气脱水是天然气进入输送管路前进行集中处理的重 要的环节。通过脱除天然气中的水分 ， 可以有效防止水合物的 生成， 避免堵塞管道阀门， 减小管路压降， 从而保证安全生产。 透平膨胀机制冷脱水技术和 J T阀脱水技术是油气 田生产过 程中常用的两种方法 ， 它们可充分利用天然气 自身压力进行膨 胀制冷， 有效脱出天然气中的水分， 降低天然气的水露点， 但是 这些技术也存在着许多缺点， 如设备庞大、 投资高、 能耗大、 需 要加注化学药剂等 ， 还会造成一定的环境污染。天然气超音速 脱水是一种新型的脱水技术， 该工艺技术许多优点。 1 超音速分离技术的研究情况 超音速分离技术是荷兰的 T w i s t e r 公司于 2 0 0 0年推出的一 种全新的天然气处理技术。2 0 0 0年 1 1月， 位于尼 日利亚的试 验装置开始运转 ， 成功地将 8 ． 51 0 m 。 ／ d的天然气脱水 到管 线要求的标准。T w i s t e r 公司为马来西亚的 S a r a w a k气田设计一 套超音速分离天然气处理装置， 该项 目已于2 0 0 4年 2月投入生 产。系统采用 6个 6 0 MMe f d 1 MMe f d 2 ． 8 3 1 71 0 N m。 ／ d 的超音速分离管， 垂直安装。 国内对超音速分离脱水技术的研究已取得了一些成果， 申 请了部分专利。江汉机械研究所与有关单位进行了基础理论 研究以及计算机数值模拟研究工作， 取得 了一系列成果 ， 推出 了几项关键技术。目前 ， 该技术已在长庆油 田采气二厂进行了 现场试验。 2 超音速脱水设备 工作原理和基本结构 收稿 日期 2 0 0 70 82 1 收修改稿 日期 2 0 0 71 21 0 2 ． 1 分离器工作原理 超音速分离器应用了热力学第一定律的原理 ， 通过增加进 口气流速度 ， 将气流压力能转化为动能来获得温降。 超音速分离的基本原理是利用拉瓦尔喷管 ， 使天然气在 自 身压力作用下加速到超音速， 这时天然气的温度和压力会急剧 下降， 使天然气中的水冷凝成小液滴 ， 然后在强烈气流旋转 的 作用下将小液滴分离出来， 并对干气进行再压缩。 图 1为天然气超音速脱水系统的简图。图2 为 T w i s t e r 。。 Ma r k I型天然气超音速分离器原理图。图 3为 T w i s t e r Ma r k Ⅱ型天然气超音速分离器剖面图。T w i s t e r Ma r k I 型天然气超 音速分离器与T w i s t e r Ma r kⅡ型天然气超音速分离器 的主要 区别在于超音速分离器中天然气发生旋流的位置不同， 在相同 压降条件下 T w i s t e r T M Ma r kⅡ型比 T w i s t e r T Mar k I型 的低温分 离效果更好。 图 1 天然气超音速脱水系统简图 2 ． 2 超音速脱水设备基本 结构 2 ． 2 ． 1 拉 瓦尔喷管 拉瓦尔喷管是一种具有精确几何形状的收缩 一扩张管道 ， 可以将气流的速度提高到超音速水平 ， 并导致温度急剧下降。 通过喷管过程中， 气体绝热膨胀 ， 没有热量损失或增加 ， 近似于 维普资讯 2 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t M‘d v ． 2 0 0 8 9 0 ％的等熵过程。温度急剧下降的过程会产生尺寸非常小的 液滴 ， 不会导致天然气水合物的形成。在超音速分离器中， 因 为流体停留时间特别短 只有几 ms ， 所以这是一个不平衡的 瞬态过程。因此不会形成水合物， 整个过程不需化学药剂。 气液混合物、 r 图 2 T w i s t e r Ma r k I型天然气 超音速分 离器原 理图 图 3 T w i s t e r TM Ma r k I I 型 天然气超音速分离器剖面图 2 ， 2 ， 2分 离叶片 T w i s t e r T M a r k I 型天然气超音速分离器中的分离叶片是一 个三角形突出物， 类似于战斗机的机翼， 其作用是对气流造旋。 液滴被旋转的气流抛向管道的壁面， 形成很薄的液膜， 仅几 m m 厚， 通过气液分离器将液体排出。液体被输送到一个常规的液 一 液分离器。由于存在超音速两相流动 ， 分离系统内部的流动 非常复杂。由于出现激波 ， 流动的损失也很大。 2 ． 2 ． 3旋 流 器 T w i s t e r M a r kⅡ型天然气超音速分离器中的旋流器使天然 气发生旋转， 产生加速度约为 1 0 。 m ／ s 的旋流 ， 该旋转气流在 超音速喷管入 口表面的切线方向产生一个或多个气体射流。 2 ． 2 ． 4扩 压 器 分离后的干气体进入扩压器。气体的速度又恢复到亚音 速水平， 自然出现弱激波， 因此气体流速降低， 压力得到增加。 3 天然气超音速脱水技术的实验研究 3 ． 1 低压条 件下超 音速脱水实验研究 北京工业大学对超音速天然气脱水技术进行了试验研究。 试验研究对象是全长 1 5 0 7 mm， 装置最大直径为 8 0 mm， 最小 直径为 1 0 m m的超音速脱水器， 并建立了空气 一水分离试验 台 低压情况下对超音速脱水性能进行了研究 ， 试验介质为 压缩湿空气。实验中所用的分离器如图4所示。 图 4实验 中用到 的超音速分离器 3 ． 1 ． 1试验 过程 从压缩机出来的空气进入加湿器加湿， 提高其湿度。经过 加湿后的空气进入超音速分离管 ， 分离出来的液体 带有部分 湿空气 被导入一个二次分离罐进行二次分离， 除去水分的干 气后进入稳压罐 ， 最后， 从稳压罐出来的干气与二次分离罐出 来的干气混合排入大气 。 试验系统采用 G A 5 5 P型全封闭低噪音螺杆式空气压缩机， 其额定功率为 5 5 k W， 最大工作压力为 1 MP a ， 排气量为 6 0 0 m。 ／ h．整个装置采用铜 一康铜热电偶测温； 在超音速分离管的 进 口、 干气出口装有 H T S 3 1 D型温湿度传感器 ， 可以测量高于 1 个大气压 1个大气压 1 0 1 ． 3 2 5 k P a 时的相对湿度， 用 以测量 相应测点处气体湿度、 温度和露点温度； 在超音速分离管进 E l 、 干气 出口装有压力表 ， 用以测量该点的压力； 在分离管进 口、 干 气出口还装有 L U X一5 0型旋进漩涡流量计， 用以测量气体流 量； 在干气出口设有一个稳压罐， 用以调整干气出口背压， 以试 验不同干气出E l 背压下装置的气液分离性能及各参数变化。 实验时， 通过一台 P I I I 工程机采集全部测点的数据， 实现 过程参数实时采集与显示。超音速分离器室内实验系统如图5 所示 。 图 5超音速分离器室 内实验系统图 3 ． 1 ． 2实验结果 实验中用到的超音速分离器类似于 T w i s t e r M a r k I型超 音速分离器。实验中研究了压损比 超音速分离器的压力损失 与入口压力的比值 和露点降的关系， 实验结果如图 6所示。 从实验结果上看， 低压情况下， 在压损 比超过 0 ． 7的情况下 ， 天 然气的露点降达到 1 8℃左右。 压损比 图 6 进出 口露点随压损比的变化 该实验为超音速分离技术在低压石油伴生气脱水方面的 应用提供了依据。低压石油伴生气含有饱和水， 为防止在输送 过程中形成水合物， 通常采取透平膨胀机脱水技术。透平膨胀 机脱水过程需要热换设备 ， 经济性较差。采用超音速分离技术 不仅能保证外输商品天然气的水露点和烃露点 ， 还会取得较好 的经济效益 。 同时， 实验中亦研究了超音速分离器入口流量和分离过程 中激波产生的位置对超音速分离性能的影响。 维普资讯 维普资讯