超音速分離技術研究概述

于鑫

（華電電力科學研究院西安分院 西安 710054）

超音速分離技術研究概述

于鑫

（華電電力科學研究院西安分院 西安 710054）

天然氣中的水蒸氣若凝結為液態水，會對天然氣生產運輸過程產生嚴重影響。常用的天然氣脫水技術系統復雜、成本高，而超音速脫水技術集膨脹、分離、壓縮過程于一體，結構簡單、安全可靠，成為大家關注的焦點。本文介紹了超音速分離技術的原理及特點，并與傳統技術進行了對比。結果表明超音速分離技術效果好，優勢大，在天然氣脫水過程中引入超音速分離技術具有重要價值。

超音速分離技術；流場；熱力學

引言

天然氣中含有大量飽和水蒸氣，這些水蒸氣在天然氣集輸處理過程中，容易凝結形成液態水。常用的天然氣脫水技術有分子篩脫水技術、JT閥及透平膨脹機脫水技術和三甘醇脫水技術等，其中三甘醇脫水技術應用最廣泛，但其存在系統復雜、三甘醇溶液再生能耗大等問題，投資和運行成本較高[1]。

超音速脫水技術是由Shel（殼牌）公司在2000年引入的新型脫水技術，它是利用超音速狀態下的蒸汽冷凝現象進行天然氣脫水，與傳統的天然氣脫水方法有著顯著區別。超音速脫水利用一個管道實現膨脹機、分離器和壓縮機的所有功能，使系統大大簡化，提高了系統可靠性，降低了系統的成本。開展超音速技術的研究及應用，緊跟國外天然氣脫水的技術前沿，對徹底改變現有脫水系統體積大、操作復雜、運行費用高等問題具有重要意義[2]。

1 超音速分離技術及的主要原理

超音速分離器的結構示意圖見圖1，天然氣超音速脫水技術屬于低溫冷凝法。其最核心的部件為超音速分離器，基本原理是利用拉瓦爾噴管使氣體在自身壓力的作用下膨脹加速至超音速，此時氣體的溫度及壓力急劇下降，從而使天然氣中的水蒸氣冷凝成無數細小的液滴，然后在超音速產生的強氣流旋轉作用下，將小液滴甩至壁面并分離，對于氣體則進行再壓縮回收壓力[3]。

圖1 Twister-II結構示意圖

2 流場特性

含一定質量份額水蒸汽的天然氣在噴管中膨脹，其流動與純凈天然氣的流動有明顯差異。水蒸汽流動中存在過飽和現象，即隨著膨脹過程的進行，水蒸汽從過熱區跨過飽和線，而后進入濕蒸汽區時并沒有立刻凝結，而是繼續膨脹，此時的蒸汽溫度低于蒸汽壓力對應的飽和溫度，二者之差即為過冷度△T。隨著的繼續膨脹，過冷度不斷升高，流動處于熱力學的非平衡狀態。此時要一直持續到過冷度達到極限值時，氣體中的水蒸汽才會突然凝結，并在短時間內成核形成大量微小的液滴。而后，隨著膨脹過程繼續進行，水蒸汽分子不斷在這些微小液滴表面凝結，液滴尺寸不斷生長。

超音速噴管或者超音速噴管中的某一段為Laval噴管。其由一定形狀的漸縮漸擴噴管組成，這種結構可使氣體壓力降低至臨界值以下，從而得到超音速的氣流。當噴管的入口滯止壓力P0為定值時，噴管出口背壓的變化會顯著影響其工作特性。隨背壓的變化Laval噴管中氣體的流動會呈現出四種不同的特性[4]。

3 不同脫水技術的對比

將天然氣超音速分離器與J-T閥及透平膨脹機進行熱力學比較[5]。以上三種脫水方法的出口壓力（即外輸壓力）均相同。J-T閥是等焓絕熱過程，其效率最低。透平膨脹機的等熵效率約為85%，其進入相包絡線明顯要深一些，因此需要使用二次壓縮機將氣體處理至出口壓力的要求。與以上兩種方法相比，超音速分離器的等熵效率接近90%，其進入相包絡線最深，對于給定的壓降條件能達到較低的溫度，并且其無需轉動部件，僅利用擴壓管就可將氣體壓縮至所需的出口壓力。因此從熱力學的角度來分析，超音速旋流分離器更充分的利用了熱力學原理，并成功的將理論上優勢轉化為天然氣處理的實際應用。

4 總結

超音速分離器由于所處環境特殊且內部結構復雜，來流汽液混合物經旋葉后做三維螺旋流動，兩相混合物的分布及運動、分離過程比較復雜，目前尚無可應用的純理論公式進行相關計算。而分離器的穩定工作又直接影響到天然氣脫水的經濟性和可靠性。因此，有必要對分離器內部流場特點開展機理性分析研究，以便在當前核動力裝置單機功率不斷提高的情況下，汽水分離器的性能仍能達到以下基本要求：

（1）較高的汽水分離效率；

（2）較小的壓降；

（3）良好的抗沖蝕性能。

在滿足以上要求并結合前人研究成果的基礎上，設計得到最優分離器從而達到使分離裝置緊湊化、高效化的目的。

[1]何策，張曉東.國內外天然氣脫水設備技術現狀及發展趨勢[J].石油機械，2008，36（1）：69·73.

[2]謝滔，宋保建，閆蕾，等.國內外天然氣脫水工藝技術現狀調研[J].科技創新與應用，2012（8Z）：48～49.

[3]陳 珊，陳 舟，盧 華.高含硫天然氣的礦場脫水[J].油氣田地面工程，2011，30（2）：58～61.

TE86

A

1004-7344（2016）35-0306-01

2016-11-28

于 鑫（1987-），男，漢族，山東濰坊人，助理工程師，碩士，主要從事汽輪機、發電技術監督、優化調整、性能驗收考核試驗等工作。