[精品論文]新型天然氣超音速脫水凈化裝置的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究.doc

精品論文新型天然氣超音速脫水凈化裝置的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究蔣文明 1，劉中良 1，劉恒偉 1，張新軍 2，張健 21.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京（100022）2.中國石化勝利油田有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東東營（257026）e-mail：摘要：為了克服現(xiàn)有天然氣脫水技術(shù)的不足，基于氣體動力學(xué)和傳熱傳質(zhì)學(xué)理論提出了一 種新型的天然氣超音速脫水凈化裝置。本文介紹了其基本結(jié)構(gòu)和分離機(jī)理，并對裝置進(jìn)行的工業(yè)中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過本脫水裝置的處理，進(jìn)出口天然氣露點(diǎn)降最大可達(dá) 35以上，最小達(dá) 10以上，取得了良好的脫水效果，表明本裝置可以用于天然 氣凈化脫水及輕烴回收。關(guān)鍵詞：超音速；旋流；天然氣脫水；露點(diǎn) 中圖分類號：tq021.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a在天然氣中由于水汽的存在，降低了單位氣體體積的熱值，減少了管道的有效流通面積， 降低了管線的有效輸送能力，而且在一定條件下會與天然氣中的重?zé)N組分形成天然氣水合 物，堵塞管路系統(tǒng)，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)1-4。所以，在天然氣進(jìn)入輸送管道系統(tǒng)前，必須除 去其中的水分、重組分碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)。傳統(tǒng)的脫水凈化裝置存在處理量小，設(shè)備所占空 間大，投資高，要消耗機(jī)械功，設(shè)備維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。因此，有必要開發(fā)一種新的天然 氣脫水凈化技術(shù)，以滿足當(dāng)前天然氣處理工業(yè)的市場需求。利用氣體動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)相關(guān)理論知識，研究開發(fā)了一種全新的天然氣超音速脫水 凈化裝置超音速分離管。與傳統(tǒng)天然氣脫水裝置相比，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部 件、無泄漏、免維護(hù)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。繼成功地開發(fā)了分離管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和順利地進(jìn)行 了大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)5之后，近日，又進(jìn)行了超音速分離管的工業(yè)中試實(shí)驗(yàn)研究，取得了理想的 結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)制造的分離管，具有良好的脫水凈化效果，可以用于天然氣凈化 脫水及輕烴回收。1. 裝置結(jié)構(gòu)及超音速脫水凈化原理分離管結(jié)構(gòu)如圖 1 所示6。分離管主要由以下三部分組成:(1)laval 噴管:用來產(chǎn)生低溫 和超音速;(2)旋流器:相當(dāng)于一臺氣液旋風(fēng)分離器,用以產(chǎn)生高速旋流,以獲得較大的離心力;(3) 擴(kuò)壓管:相當(dāng)于一臺壓縮機(jī),用以降低氣流速度,恢復(fù)一部分壓力。圖 1 分離管結(jié)構(gòu)示意圖1.laval 噴管 2.旋流器 3.擴(kuò)壓管 4.濕氣進(jìn)口 5.干氣出口 6.液體出口*本課題得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（no.50676002）、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（no.20040005008）、北京市拔尖創(chuàng)新人才選拔計(jì)劃（2006）的資助。- 6 -首先，天然氣通過 laval 噴管后，其溫度和壓力急劇下降、速度急劇增大，致使氣流中的水分和天然氣中的重組分迅速凝結(jié)成液滴，成為典型的氣液混和物，并在 laval 噴管出口 處達(dá)到超音速（馬赫數(shù)高達(dá) 1.53）。超音速流體（液氣混合物）進(jìn)入旋流器后，產(chǎn)生高 速旋轉(zhuǎn)，形成的液滴在強(qiáng)大的離心力（高達(dá) 300，000g）的作用下被甩到管內(nèi)壁面上，形成 一層很薄的液膜，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。分離出來的液體由液體出口流出分離裝置，除去水分 的“干氣”則進(jìn)入擴(kuò)壓管。在擴(kuò)壓管內(nèi)，氣流的速度降低，溫度和壓力升高7,恢復(fù)一部分壓力（出口壓力為分離管入口壓力的 60%85%）。 超音速分離管具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，重量輕，無運(yùn)動部件，無需消耗任何外部動力，免維護(hù)，運(yùn)行成本低，不會形成天然氣水合物，無泄漏，無污染等傳統(tǒng)天然氣除濕與凈化分離技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。而且與傳統(tǒng)的通過天然氣自身壓力膨脹降溫的制冷設(shè)備j-t 閥和膨脹機(jī)相比，在相同壓差情況下，分離管可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降。2. 中試環(huán)境分離管裝置的中試實(shí)驗(yàn)選在勝利油田的海五聯(lián)合站。海五聯(lián)合站地處渤海岸邊，主要進(jìn) 行海上天然氣的中轉(zhuǎn)和初步處理工作，處理能力為 11104nm3/d。全站三臺壓縮機(jī)組交替運(yùn) 轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為 0.4mpa，出口壓力為 3.8mpa。為了不影響原系統(tǒng)的正常運(yùn)行，分離 管設(shè)計(jì)處理量為 2.25104nm3/d，經(jīng)分離管處理后的天然氣再返回壓縮機(jī)入口。3. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1系統(tǒng)來氣管(接壓縮機(jī)出口管線)2一次分離罐3分離裝置 4干氣出口5濕氣出口6二次分離罐 7混和氣總出口(接壓縮機(jī)進(jìn)口管線) 8分離出的水和液烴匯管(接天然氣排污管線)圖 2 分離管裝置實(shí)驗(yàn)流程圖圖 2 為分離管裝置的中試實(shí)驗(yàn)流程簡圖，工質(zhì)為從壓縮機(jī)出口引入的壓力為 3.8mpa 的 壓縮濕天然氣。從壓縮機(jī)出口出來的濕天然氣被導(dǎo)入一次分離罐進(jìn)行初步分離，然后進(jìn)入分 離管裝置，從分離管裝置出來的濕氣再經(jīng)二次分離罐進(jìn)行二次分離后與從分離裝置出來的 “干”氣混和進(jìn)入壓縮機(jī)組入口。在分離管裝置入口處和二次分離罐氣體出口處分別設(shè)有智能旋進(jìn)流量計(jì)，精度為1.5，用以測量氣體流量。在分離管裝置入口、分離裝置干氣出口、二次分離罐氣體出口、混 和氣總出口處設(shè)有取樣點(diǎn)，對四點(diǎn)的氣體進(jìn)行溫度、濕度、壓力的集中測量。在測量區(qū)有溫 濕度傳感器，進(jìn)行溫度和濕度的測量，從而計(jì)算出露點(diǎn)；壓力表測量精度為0.4，用來測 量當(dāng)?shù)氐膲毫?。在分離管裝置干氣出口、二次分離罐氣體出口處設(shè)有自力式調(diào)節(jié)閥試圖滿足下述功能要 求：一是用于改變分離裝置干氣出口背壓，來測定不同壓力下裝置的脫水性能與參數(shù)變化；二是用于改變混和氣總出口處的背壓，來測定不同壓力下裝置的脫水性能與參數(shù)變化。4. 實(shí)驗(yàn)方案為了測試分離管的本身性能和系統(tǒng)的整體性能，中試分兩步進(jìn)行： 第一、保持分離管入口參數(shù)不變，調(diào)整干氣出口背壓，測量分離管入口、干氣出口、二次分離罐出口、混和氣總出口處的壓力、溫度、相對濕度參數(shù)以確定不同壓損比 下分離管的工作性能。第二、保持分離管入口參數(shù)不變，調(diào)整混和氣總出口背壓，測量分離管入口、干氣出口、 二次分離罐出口、混和氣總出口處的壓力、溫度、相對濕度參數(shù)以確定不同壓損 比下整套脫水系統(tǒng)的工作性能。5. 試驗(yàn)步驟第一、分離管的工作性能測試實(shí)驗(yàn)。開啟天然氣進(jìn)氣閥門，調(diào)整天然氣的流量和壓力， 使分離管進(jìn)口參數(shù)達(dá)預(yù)定數(shù)值，穩(wěn)定后，保持進(jìn)口參數(shù)不變，首先逐漸增加干氣出口背壓， 并每間隔一定壓損比記錄一次各測點(diǎn)參數(shù)。直到分離管入口流量發(fā)生變化時，關(guān)壓閥門，停 止實(shí)驗(yàn)。第二、整套脫水系統(tǒng)的工作性能測試實(shí)驗(yàn)。開啟天然氣進(jìn)氣閥門，調(diào)整天然氣的流量和 壓力，使分離管進(jìn)口參數(shù)達(dá)預(yù)定數(shù)值，穩(wěn)定后，保持進(jìn)口參數(shù)不變，逐漸增加混和氣總出口 背壓，并每間隔一定壓損比記錄一次各測點(diǎn)參數(shù)。直到分離管入口流量發(fā)生變化時，關(guān)壓閥 門，停止實(shí)驗(yàn)。6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析為了敘述方便，首先定義：（1）壓損比 ：分離管的壓力損失與入口壓力的比值，即， = p = p1 p2p1p1（a）其中 p1 是分離管的入口壓力， p2 是測點(diǎn)的壓力。(2) 露點(diǎn)降td ：它定義為分離管入口處氣體的露點(diǎn) td1 與測點(diǎn)的露點(diǎn) td2 的差值， 即,td= td 1 td 2（b）圖 3 壓損比對露點(diǎn)的影響（改變干氣出口背壓）圖 4 壓損比對露點(diǎn)降的影響（改變干氣出口背壓）圖 5 壓損比對產(chǎn)液量的影響（改變干氣出口背壓）圖 6 壓損比對氣流溫度的影響（改變干氣出口背壓）圖 7 壓損比對流量的影響（改變干氣出口背壓）圖 8 壓損比對露點(diǎn)的影響（改變混和氣總出口背壓）圖 9 壓損比對露點(diǎn)降的影響（改變混和氣總出口背壓）圖 10 壓損比對產(chǎn)液量的影響（改變混和氣總出口背壓）圖 11 壓損比對氣流溫度的影響（改變混和氣總出口背壓）圖 12 壓損比對流量的影響（改變混和氣總出口背壓）為了進(jìn)一步確認(rèn)系統(tǒng)裝置的脫水凈化效果，我們又同時調(diào)整干氣和濕氣出口背壓，即調(diào)整混合氣體總出口壓力進(jìn)行了現(xiàn)場測試。圖 8 至圖 12 為調(diào)整混和氣總出口壓力以改變壓損 比的實(shí)際測試結(jié)果。由圖 8 可以看出，隨著壓損比的減小，干氣出口、二次分離器出口、混和氣總出口露點(diǎn) 上升，露點(diǎn)降減小。由圖 9 可以看出，干氣出口和濕氣出口的露點(diǎn)降隨壓損比的增大迅速增大，但干氣出口 和濕氣出口（二次分離罐出口）露點(diǎn)降之間的差別減小，而且，與單純調(diào)整干氣出口壓力不 同的是，混合氣總出口處的露點(diǎn)降隨壓損比的變化比較平坦。此外，從圖中還可以看出，干 氣出口露點(diǎn)降、濕氣出口露點(diǎn)降和混合氣總出口露點(diǎn)降的最大值基本相同：干氣出口最大露 點(diǎn)降為 36.3，濕氣（二次分離罐）出口最大露點(diǎn)降為 36.9，而混和氣總出口露點(diǎn)降最大為 36.8；壓損為 30時，各點(diǎn)露點(diǎn)降均大于 10。由圖 10 可以看出，隨著壓損比的降低，一次分離罐產(chǎn)液量先降后升，而二次分離罐產(chǎn)液量基本上不隨壓損比發(fā)生明顯變化。分離管產(chǎn)液量約為 17ml/nm3，整個裝置的產(chǎn)液量在2840 ml/nm3 之間。由圖 11 可以看出，隨著壓損比的減小，干氣出口、二次分離罐出口溫度上升；分離管 入口與干氣出口、二次分離罐出口的溫度差 10以上；由圖 12 可以看出，二次分離罐出口處的流量（濕氣流量）基本上不隨混和氣總出口壓力變化，但濕氣流量的份額較大，占分離管總流量的 30左右，說明濕氣分流作用過大。7. 結(jié)論由實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析可以看出，干氣出口露點(diǎn)降最大可以達(dá)到 35.1；二次分離罐出口 最大露點(diǎn)降高達(dá) 36.2；混和氣總出口露點(diǎn)降最高 35.0；而且當(dāng)壓損為 30時，各點(diǎn)露 點(diǎn)降均大于 10。整套脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，取得了良好的脫水凈化效果。實(shí)際上，由于一 些客觀原因，未能安裝原本用于對分離管入口氣體與分離管出口氣體進(jìn)行換熱的換熱器。但盡管如此，由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，進(jìn)出口氣體之間存在較大溫差，如將換熱效果考慮在內(nèi)的 話，將會取得更好的工作性能。值得注意的是，如果要獲得較低的干氣出口露點(diǎn)，氣流通過 分離裝置的壓力損失必然會較大，因此，要使本裝置能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，必須在保持較低 的干氣出口露點(diǎn)的同時，應(yīng)設(shè)法進(jìn)一步減小裝置的壓力損失。參考文獻(xiàn)1 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