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1、精品论文新型天然气超音速脱水净化装置的现场实验研究蒋文明 1，刘中良 1，刘恒伟 1，张新军 2，张健 21.北京工业大学环境与能源工程学院，北京（100022）2.中国石化胜利油田有限公司规划设计研究院，山东东营（257026）E-mail：liuzhl摘要：为了克服现有天然气脱水技术的不足，基于气体动力学和传热传质学理论提出了一 种新型的天然气超音速脱水净化装置。本文介绍了其基本结构和分离机理，并对装置进行的工业中试实验结果进行了分析研究。研究发现经过本脱水装置的处理，进出口天然气露点降最大可达 35以上，最小达 10以上，取得了良好的脱水效果，表明本装置可以用于天然 气净化脱水及轻烃回收
2、。关键词：超音速；旋流；天然气脱水；露点 中图分类号：TQ021.2文献标识码：A在天然气中由于水汽的存在，降低了单位气体体积的热值，减少了管道的有效流通面积， 降低了管线的有效输送能力，而且在一定条件下会与天然气中的重烃组分形成天然气水合 物，堵塞管路系统，严重影响安全生产1-4。所以，在天然气进入输送管道系统前，必须除 去其中的水分、重组分碳氢化合物等物质。传统的脱水净化装置存在处理量小，设备所占空 间大，投资高，要消耗机械功，设备维护工作量大等缺点。因此，有必要开发一种新的天然 气脱水净化技术，以满足当前天然气处理工业的市场需求。利用气体动力学、传热传质学相关理论知识，研究开发了一种全新
3、的天然气超音速脱水 净化装置超音速分离管。与传统天然气脱水装置相比，该装置具有结构简单、无运动部 件、无泄漏、免维护、环境友好等优点。继成功地开发了分离管结构设计软件和顺利地进行 了大量室内实验5之后，近日，又进行了超音速分离管的工业中试实验研究，取得了理想的 结果。实验结果表明，设计制造的分离管，具有良好的脱水净化效果，可以用于天然气净化 脱水及轻烃回收。1. 装置结构及超音速脱水净化原理分离管结构如图 1 所示6。分离管主要由以下三部分组成:(1)Laval 喷管:用来产生低温 和超音速;(2)旋流器:相当于一台气液旋风分离器,用以产生高速旋流,以获得较大的离心力;(3) 扩压管:相当于一
4、台压缩机,用以降低气流速度,恢复一部分压力。图 1 分离管结构示意图1.Laval 喷管 2.旋流器 3.扩压管 4.湿气进口 5.干气出口 6.液体出口*本课题得到国家自然科学基金项目（NO.50676002）、教育部高等学校博士学科点专项科研基金（NO.20040005008）、北京市拔尖创新人才选拔计划（2006）的资助。- 6 -首先，天然气通过 Laval 喷管后，其温度和压力急剧下降、速度急剧增大，致使气流中的水分和天然气中的重组分迅速凝结成液滴，成为典型的气液混和物，并在 Laval 喷管出口 处达到超音速（马赫数高达 1.53）。超音速流体（液气混合物）进入旋流器后，产生高 速
5、旋转，形成的液滴在强大的离心力（高达 300，000g）的作用下被甩到管内壁面上，形成 一层很薄的液膜，从而实现气液分离。分离出来的液体由液体出口流出分离装置，除去水分 的“干气”则进入扩压管。在扩压管内，气流的速度降低，温度和压力升高7,恢复一部分压力（出口压力为分离管入口压力的 60%85%）。 超音速分离管具有设备结构简单，占地面积小，重量轻，无运动部件，无需消耗任何外部动力，免维护，运行成本低，不会形成天然气水合物，无泄漏，无污染等传统天然气除湿与净化分离技术无法比拟的优点。而且与传统的通过天然气自身压力膨胀降温的制冷设备J-T 阀和膨胀机相比，在相同压差情况下，分离管可使天然气产生更
6、大的温降。2. 中试环境分离管装置的中试实验选在胜利油田的海五联合站。海五联合站地处渤海岸边，主要进 行海上天然气的中转和初步处理工作，处理能力为 11104Nm3/d。全站三台压缩机组交替运 转，压缩机进口压力为 0.4MPa，出口压力为 3.8MPa。为了不影响原系统的正常运行，分离 管设计处理量为 2.25104Nm3/d，经分离管处理后的天然气再返回压缩机入口。3. 实验系统1系统来气管(接压缩机出口管线)2一次分离罐3分离装置 4干气出口5湿气出口6二次分离罐 7混和气总出口(接压缩机进口管线) 8分离出的水和液烃汇管(接天然气排污管线)图 2 分离管装置实验流程图图 2 为分离管装
7、置的中试实验流程简图，工质为从压缩机出口引入的压力为 3.8MPa 的 压缩湿天然气。从压缩机出口出来的湿天然气被导入一次分离罐进行初步分离，然后进入分 离管装置，从分离管装置出来的湿气再经二次分离罐进行二次分离后与从分离装置出来的 “干”气混和进入压缩机组入口。在分离管装置入口处和二次分离罐气体出口处分别设有智能旋进流量计，精度为1.5，用以测量气体流量。在分离管装置入口、分离装置干气出口、二次分离罐气体出口、混 和气总出口处设有取样点，对四点的气体进行温度、湿度、压力的集中测量。在测量区有温 湿度传感器，进行温度和湿度的测量，从而计算出露点；压力表测量精度为0.4，用来测 量当地的压力。在
8、分离管装置干气出口、二次分离罐气体出口处设有自力式调节阀试图满足下述功能要 求：一是用于改变分离装置干气出口背压，来测定不同压力下装置的脱水性能与参数变化；二是用于改变混和气总出口处的背压，来测定不同压力下装置的脱水性能与参数变化。4. 实验方案为了测试分离管的本身性能和系统的整体性能，中试分两步进行： 第一、保持分离管入口参数不变，调整干气出口背压，测量分离管入口、干气出口、二次分离罐出口、混和气总出口处的压力、温度、相对湿度参数以确定不同压损比 下分离管的工作性能。第二、保持分离管入口参数不变，调整混和气总出口背压，测量分离管入口、干气出口、 二次分离罐出口、混和气总出口处的压力、温度、相
9、对湿度参数以确定不同压损 比下整套脱水系统的工作性能。5. 试验步骤第一、分离管的工作性能测试实验。开启天然气进气阀门，调整天然气的流量和压力， 使分离管进口参数达预定数值，稳定后，保持进口参数不变，首先逐渐增加干气出口背压， 并每间隔一定压损比记录一次各测点参数。直到分离管入口流量发生变化时，关压阀门，停 止实验。第二、整套脱水系统的工作性能测试实验。开启天然气进气阀门，调整天然气的流量和 压力，使分离管进口参数达预定数值，稳定后，保持进口参数不变，逐渐增加混和气总出口 背压，并每间隔一定压损比记录一次各测点参数。直到分离管入口流量发生变化时，关压阀 门，停止实验。6. 实验结果及分析为了叙
10、述方便，首先定义：（1）压损比 ：分离管的压力损失与入口压力的比值，即， = P = P1 P2P1P1（a）其中 P1 是分离管的入口压力， P2 是测点的压力。(2) 露点降Td ：它定义为分离管入口处气体的露点 Td1 与测点的露点 Td2 的差值， 即,Td= Td 1 Td 2（b）图 3 压损比对露点的影响（改变干气出口背压）图 4 压损比对露点降的影响（改变干气出口背压）图 5 压损比对产液量的影响（改变干气出口背压）图 6 压损比对气流温度的影响（改变干气出口背压）图 7 压损比对流量的影响（改变干气出口背压）图 8 压损比对露点的影响（改变混和气总出口背压）图 9 压损比对露
11、点降的影响（改变混和气总出口背压）图 10 压损比对产液量的影响（改变混和气总出口背压）图 11 压损比对气流温度的影响（改变混和气总出口背压）图 12 压损比对流量的影响（改变混和气总出口背压）为了进一步确认系统装置的脱水净化效果，我们又同时调整干气和湿气出口背压，即调整混合气体总出口压力进行了现场测试。图 8 至图 12 为调整混和气总出口压力以改变压损 比的实际测试结果。由图 8 可以看出，随着压损比的减小，干气出口、二次分离器出口、混和气总出口露点 上升，露点降减小。由图 9 可以看出，干气出口和湿气出口的露点降随压损比的增大迅速增大，但干气出口 和湿气出口（二次分离罐出口）露点降之间
12、的差别减小，而且，与单纯调整干气出口压力不 同的是，混合气总出口处的露点降随压损比的变化比较平坦。此外，从图中还可以看出，干 气出口露点降、湿气出口露点降和混合气总出口露点降的最大值基本相同：干气出口最大露 点降为 36.3，湿气（二次分离罐）出口最大露点降为 36.9，而混和气总出口露点降最大为 36.8；压损为 30时，各点露点降均大于 10。由图 10 可以看出，随着压损比的降低，一次分离罐产液量先降后升，而二次分离罐产液量基本上不随压损比发生明显变化。分离管产液量约为 17ml/Nm3，整个装置的产液量在2840 ml/Nm3 之间。由图 11 可以看出，随着压损比的减小，干气出口、二
13、次分离罐出口温度上升；分离管 入口与干气出口、二次分离罐出口的温度差 10以上；由图 12 可以看出，二次分离罐出口处的流量（湿气流量）基本上不随混和气总出口压力变化，但湿气流量的份额较大，占分离管总流量的 30左右，说明湿气分流作用过大。7. 结论由实验结果及其分析可以看出，干气出口露点降最大可以达到 35.1；二次分离罐出口 最大露点降高达 36.2；混和气总出口露点降最高 35.0；而且当压损为 30时，各点露 点降均大于 10。整套脱水系统设计合理，取得了良好的脱水净化效果。实际上，由于一 些客观原因，未能安装原本用于对分离管入口气体与分离管出口气体进行换热的换热器。但尽管如此，由上述
14、实验数据可知，进出口气体之间存在较大温差，如将换热效果考虑在内的 话，将会取得更好的工作性能。值得注意的是，如果要获得较低的干气出口露点，气流通过 分离装置的压力损失必然会较大，因此，要使本装置能够应用于实际生产，必须在保持较低 的干气出口露点的同时，应设法进一步减小装置的压力损失。参考文献1 王遇东.天然气处理与加工工艺.北京：石油工业出版社.1999. 2 朱利凯天然气处理与加工北京：石油工业出版社，1997 3 诸林天然气加工工程北京：石油工业出版社，19964 冯叔初油气集输东营：石油大学出版社，19955 Liu, H.W., Liu, Z.L., FENG, Y.X., GU, K
15、.Y., YAN, T.M. Characteristics of a Supersonic Swirling DehydrationSystem of Natural Gas. Chinese Journal of Chemical Engineering,13(1), 9-12(2005).6 顾克宇，刘中良，刘恒伟等.涡流气体净化分离装置发明专利：ZL200410074338. 8. 2006.5.17.7 刘恒伟，冯永训，刘中良，顾克宇，颜廷敏.新型湿空气除湿装置的除湿特性研究.高校工程热物理学会 第十届全国学术会议.合肥，2003.10The Field Experimental o
16、f the New-Type Dehydration Unit forNatural GasJiang Wenming1，Liu Zhongliang1，Liu Hengwei1，Zhang Jian2，Zhang Xinjun21.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing（100022）2.Shengli Engineering & Research Institute，Shengli Oil Field Ltd.，SINOPEC，Dongying，Shan
17、dong （257026）AbstractA new-type of dehydration unit for natural gas was briefly described and its basic structure andworking principles were presented. After the indoor experimental, we carried out the field experimental. The results show that the unit could attain a maximal dew-point drop above 35 and minimaldew-point drop above 10 without the need of any mechanical power and chemicals.Keywords：Supersonic；Swirling；Dehydration；Dew-point
