[精品論文]新型天然氣超音速脫水凈化裝置的現(xiàn)場實驗研究.doc

精品論文新型天然氣超音速脫水凈化裝置的現(xiàn)場實驗研究蔣文明 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)和分離機理，并對裝置進行的工業(yè)中試實驗結(jié)果進行了分析研究。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過本脫水裝置的處理，進出口天然氣露點降最大可達 35以上，最小達 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 中圖分類號：tq021.2文獻標識碼：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)，嚴重影響安全生產(chǎn)1-4。所以，在天然氣進入輸送管道系統(tǒng)前，必須除 去其中的水分、重組分碳氫化合物等物質(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，要消耗機械功，設(shè)備維護工作量大等缺點。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、無運動部 件、無泄漏、免維護、環(huán)境友好等優(yōu)點。繼成功地開發(fā)了分離管結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件和順利地進行 了大量室內(nèi)實驗5之后，近日，又進行了超音速分離管的工業(yè)中試實驗研究，取得了理想的 結(jié)果。實驗結(jié)果表明，設(shè)計制造的分離管，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) 擴壓管:相當(dāng)于一臺壓縮機,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.擴壓管 4.濕氣進口 5.干氣出口 6.液體出口*本課題得到國家自然科學(xué)基金項目（no.50676002）、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（no.20040005008）、北京市拔尖創(chuàng)新人才選拔計劃（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 處達到超音速（馬赫數(shù)高達 1.53）。超音速流體（液氣混合物）進入旋流器后，產(chǎn)生高 速旋轉(zhuǎn)，形成的液滴在強大的離心力（高達 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”則進入擴壓管。在擴壓管內(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，無運動部件，無需消耗任何外部動力，免維護，運行成本低，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。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驗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 行海上天然氣的中轉(zhuǎn)和初步處理工作，處理能力為 11104nm3/d。全站三臺壓縮機組交替運 轉(zhuǎn)，壓縮機進口壓力為 0.4mpa，出口壓力為 3.8mpa。為了不影響原系統(tǒng)的正常運行，分離 管設(shè)計處理量為 2.25104nm3/d，經(jīng)分離管處理后的天然氣再返回壓縮機入口。3. 實驗系統(tǒng)1系統(tǒng)來氣管(接壓縮機出口管線)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(接壓縮機進口管線) 8分離出的水和液烴匯管(接天然氣排污管線)圖 2 分離管裝置實驗流程圖圖 2 為分離管裝置的中試實驗流程簡圖，工質(zhì)為從壓縮機出口引入的壓力為 3.8mpa 的 壓縮濕天然氣。從壓縮機出口出來的濕天然氣被導(dǎo)入一次分離罐進行初步分離，然后進入分 離管裝置，從分離管裝置出來的濕氣再經(jīng)二次分離罐進行二次分離后與從分離裝置出來的 “干”氣混和進入壓縮機組入口。在分離管裝置入口處和二次分離罐氣體出口處分別設(shè)有智能旋進流量計，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，對四點的氣體進行溫度、濕度、壓力的集中測量。在測量區(qū)有溫 濕度傳感器，進行溫度和濕度的測量，從而計算出露點；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. 實驗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. 試驗步驟第一、分離管的工作性能測試實驗。開啟天然氣進氣閥門，調(diào)整天然氣的流量和壓力， 使分離管進口參數(shù)達預(yù)定數(shù)值，穩(wěn)定后，保持進口參數(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 止實驗。第二、整套脫水系統(tǒng)的工作性能測試實驗。開啟天然氣進氣閥門，調(diào)整天然氣的流量和 壓力，使分離管進口參數(shù)達預(yù)定數(shù)值，穩(wěn)定后，保持進口參數(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，停止實驗。6. 實驗結(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 是測點的壓力。(2) 露點降td ：它定義為分離管入口處氣體的露點 td1 與測點的露點 td2 的差值， 即,td= td 1 td 2（b）圖 3 壓損比對露點的影響（改變干氣出口背壓）圖 4 壓損比對露點降的影響（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 壓損比對露點的影響（改變混和氣總出口背壓）圖 9 壓損比對露點降的影響（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）為了進一步確認系統(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 上升，露點降減小。由圖 9 可以看出，干氣出口和濕氣出口的露點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 氣出口露點降、濕氣出口露點降和混合氣總出口露點降的最大值基本相同：干氣出口最大露 點降為 36.3，濕氣（二次分離罐）出口最大露點降為 36.9，而混和氣總出口露點降最大為 36.8；壓損為 30時，各點露點降均大于 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)論由實驗結(jié)果及其分析可以看出，干氣出口露點降最大可以達到 35.1；二次分離罐出口 最大露點降高達 36.2；混和氣總出口露點降最高 35.0；而且當(dāng)壓損為 30時，各點露 點降均大于 10。整套脫水系統(tǒng)設(shè)計合理，取得了良好的脫水凈化效果。實際上，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行換熱的換熱器。但盡管如此，由上述實驗數(shù)據(jù)可知，進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，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)用于實際生產(chǎn)，必須在保持較低 的干氣出口露點的同時，應(yīng)設(shè)法進一步減小裝置的壓力損失。參考文獻1 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