注醇霧化器優(yōu)化及試驗

李杰元 賈嚴剛 趙國軍 艾海智 張 毅 陳永忠

1. 中國石油新疆油田公司工程技術(shù)公司, 新疆 克拉瑪依 834000;2. 中國石油新疆油田公司油氣儲運公司, 新疆 克拉瑪依 834000;3. 中國石油新疆油田公司物資供應(yīng)總公司, 新疆 克拉瑪依 834000;4. 四川長儀油氣集輸設(shè)備股份有限公司, 四川 樂山 614007

0 前言

天然氣處理技術(shù)中將乙二醇作為水合物抑制劑[1],抑制原理為將親水性液體霧化混入氣體中,霧化后的親水性液體吸收氣體中的水分使輸送氣體露點降低,從而降低水合物的形成溫度,抑制水合物生成。注醇過程中,乙二醇的霧化效果直接影響注醇量和外輸天然氣品質(zhì)[2-8]。目前,中國天然氣處理技術(shù)中多采用單點或3點式注醇,注醇霧化器以針型閥為主。在實際操作過程中,注醇霧化器的流量調(diào)節(jié)與霧化程度的匹配較困難。選擇針型閥作為注醇霧化器需要較高的壓差來提高乙二醇的霧化率及流量。

目前,中國常用的注醇霧化器雖然經(jīng)過多次改進,但仍存在注醇量大、霧化效果差、影響換熱器效果和注醇壓差大的問題。

注醇量及霧化效果方面,現(xiàn)場實際平均注醇量比理論計算值高,造成乙二醇再生負荷和能耗增大。工藝設(shè)計計算時使用哈默斯米特計算來降低水合物溫度所需注醇量,但在實際應(yīng)用中,很多油氣田工程根據(jù)現(xiàn)場工藝條件計算得出的注醇量嚴重偏低。根據(jù)對現(xiàn)場下游管道析出物的分析,其原因為水合物抑制劑霧化效果差,大量水合物抑制劑以液體形式沿管道流入下游[8-9]。

換熱器方面,以某氣田為例,其天然氣處理裝置采用繞管換熱器,由于注醇霧化器霧化效果差,未霧化的乙二醇進入換熱器,吸附在換熱管管壁上形成乙二醇液膜[10-11]。乙二醇液膜的存在使得換熱器總傳熱系數(shù)下降,換熱效果變差,最終影響制冷溫度,造成外輸天然氣品質(zhì)降低。實際生產(chǎn)中這一現(xiàn)象非常明顯,換熱器剛投運時效果非常好,但運行一段時間后換熱器效果開始變差。在設(shè)計中,為了使制冷溫度達到設(shè)計值,采取了增大換熱器換熱面積的方法,導(dǎo)致地面工程投資增加。

注醇壓差方面,現(xiàn)場操作中為提高注醇霧化效率,通常采用增大注醇壓差的方法。但這種做法勢必要求注醇設(shè)備及管、器件具有更高的壓力等級,增加了注醇部分的投資。

因此,有必要對注醇霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化,以期降低注醇量、改善霧化效果、減小注醇壓差,降低對換熱器效果的影響程度。研究結(jié)果對提高外輸天然氣品質(zhì)、降低地面工程投資有借鑒意義。

1 設(shè)計思路和方案

早期天然氣處理技術(shù)中通常采用以針型閥為注醇霧化器的霧化方法。針型閥主要靠液體在壓差作用下產(chǎn)生的高速射流使液體霧化,屬于壓力霧化,是直噴式噴嘴。該霧化方法對壓差要求較高,且噴嘴直徑越大霧化越難,注醇量越大,故噴嘴直徑不能太大,流量調(diào)節(jié)范圍較小。針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)[12-13]見圖1。

圖1 針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)圖

針型閥直噴式噴嘴存在一些問題:霧化效果差,液滴不均勻,流量大時尤其明顯,液滴甚至根本沒有霧化而是以液體形式直接注入管道[14-17];注醇壓差大,管線壓損和針型閥噴嘴磨損大;霧化噴射角較小,不利于乙二醇與天然氣的充分混合。

對針型閥直噴式噴嘴進行多次改進,設(shè)計出轉(zhuǎn)杯式和旋盤式兩種旋轉(zhuǎn)式噴嘴[18]。轉(zhuǎn)杯式噴嘴是將液體噴入圓(錐)形轉(zhuǎn)杯的內(nèi)腔,借助高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯將液體展成薄膜,由離心力和速度的綜合作用霧化液體[19]。旋盤式噴嘴是靠高速旋轉(zhuǎn)的圓盤來霧化液體。但這兩種旋轉(zhuǎn)式噴嘴的霧化效果依然欠佳。

為改善霧化效果、減小注醇壓差,研發(fā)了一種新型注醇霧化器,采用旋流型噴嘴,內(nèi)部設(shè)計獨特的渦流葉片(或起旋頭)和渦流室,在較低的壓差作用下液體進入渦流室高速旋轉(zhuǎn)形成薄膜,離心力和速度的共同作用使進入的液體全部霧化[19-23]。

2 新型注醇霧化器噴嘴型式設(shè)置

2.1 旋流型噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型注醇霧化器旋流型噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2。旋流型噴嘴主要由O型圈、注入閥本體、套筒、起旋頭、噴嘴、壓緊頂桿、T型環(huán)流槽等組成。

圖2 旋流型噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2.2 旋流型噴嘴霧化工作原理

乙二醇首先由壓緊頂桿中部經(jīng)4個介質(zhì)分流孔進入環(huán)型腔室,然后通過T型環(huán)流槽進行流量分配。分配好的乙二醇經(jīng)2～4個切向起旋槽切向進入渦流室,在壓差驅(qū)動下,乙二醇在高速旋轉(zhuǎn),在離心力和質(zhì)量流動的共同作用下以一定速度離開噴嘴,切向速度和軸向速度的同時存在導(dǎo)致液體離開噴嘴時形成具有一定夾角的鐘罩狀液膜。由于液體噴出速度很大,液體與環(huán)境形成極大的速度差,氣液之間產(chǎn)生較大的摩擦阻力。在該摩擦阻力的作用下噴嘴處形成的鐘罩狀液膜破裂成片狀和絲狀,繼而被拉斷,在液體表面張力作用下,收縮成球狀液滴。最后霧化成細滴并具有一定的霧化角,呈環(huán)狀噴出[24-25]。

相同孔徑的噴嘴流量大小可由切向起旋槽的個數(shù)和深度來決定,如在同等介質(zhì)和壓差下,4個切向起旋槽的噴嘴流量比2個切向起旋槽的噴嘴流量大。

3 新型注醇霧化器整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 混合方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對現(xiàn)有注醇霧化器霧化后的乙二醇與原料天然氣混合不均勻的問題,實施了注醇霧化器整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在原料天然氣集輸管道主管入口處設(shè)置1個起旋器,通過文丘里管的氣流,在直段和收縮段產(chǎn)生環(huán)流,氣流進入文丘里管喉部時,因射流效應(yīng)會產(chǎn)生負壓,吸入注醇霧化器注入的充分霧化的乙二醇,使之有效混合后進入下游管線。

優(yōu)化對象為DN100注醇霧化器,其主管結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)總圖分別見圖3、圖4。注醇霧化器總長度為755 mm,入口管徑104 mm,入口直段200.1 mm,收縮角度為22°,收縮段長度102.9 mm,發(fā)展段采用有機玻璃便于觀察霧化效果,文丘里管喉徑為64 mm、文丘里管喉部長度為 62 mm,擴展段長度為190.3 mm,擴張角度為12°。

圖3 注醇霧化器霧化主管結(jié)構(gòu)圖

圖4 注醇霧化裝置結(jié)構(gòu)總圖

3.2 工作原理

氣體流入注醇霧化器后,首先通過1組由固定螺旋形葉片組成的起旋器被強制旋轉(zhuǎn)形成旋渦流。旋渦中心為渦核,是流體旋轉(zhuǎn)運動速度很高的區(qū)域,外圍是環(huán)流。氣體流經(jīng)收縮段時旋渦加速,沿流動方向渦核直徑逐漸縮小,而強度逐漸加強。此時渦核與主管的軸線走向一致。氣流在文丘里管喉部與噴入的乙二醇微細霧滴充分混合,然后進入擴展段流出。

3.3 小于DN100注醇霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

以DN50/DN80注醇霧化器為例研究小于DN100注醇霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。鑒于DN50和DN80注醇霧化器的通徑較小,結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用前后2點式注醇,主管入口處同樣設(shè)置1個起旋器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計成直通。主管結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)總圖見圖5、圖6。

圖5 DN50/DN80注醇器霧化主管結(jié)構(gòu)圖

圖6 DN50/DN80注醇霧化裝置結(jié)構(gòu)總圖

4 霧化效果廠內(nèi)試驗

為驗證新型注醇霧化器的霧化效果,檢測最低霧化壓差值及在不同壓差對應(yīng)下各噴嘴直徑的注醇量取得實際數(shù)值,設(shè)計簡易試驗平臺,見圖7。試驗原理為使用帶刻度容器盛裝2 L試驗用液體,啟動隔膜泵后通過后端的手動調(diào)壓閥將壓力穩(wěn)壓到試驗所需壓力,目測容器刻度,當液位下降到1.5 L時開始使用秒表計時,繼續(xù)目測容器刻度,當液位下降到0.5 L時停止計時,按容器損失液量和記錄時間可求得對應(yīng)的流量值。測定最低壓差,使用手動調(diào)壓閥將輸出壓力按0.05 MPa的梯度逐步升壓,每個梯度保持30～60 s,每升壓1次觀察輸出介質(zhì)的霧化態(tài)及流出的液體,直到在規(guī)定時間內(nèi)只有霧化態(tài)沒有液體流出時定為最小霧化壓差。

圖7 試驗平臺示意圖

4.1 14 ℃下純水模擬試驗霧化效果

試驗當天環(huán)境溫度為14 ℃,純水黏度為7.9～10.0 mPa·s,密度為 1 000 kg/m3;乙二醇黏度為6.0～10.0 mPa·s,密度為 1 100.00 kg/m3。純水和乙二醇兩者物性接近,因此廠內(nèi)試驗首先采用純水作為工質(zhì)來模擬注醇霧化器對乙二醇的霧化,測試流量,目測霧化效果。

試驗注醇霧化器旋流型噴嘴孔徑分別為1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.4 mm(噴嘴具有2個起旋槽);噴嘴前后壓差為0.6～2.5 MPa。不同噴嘴孔徑在各壓差下流量測試值見圖8,霧化效果見圖9。

圖8 噴嘴壓差流量圖

a)1.0 mm

由圖9可看出,霧流形狀為實心圓錐形狀,在0.6～2.5 MPa壓差下,實測噴霧夾角約為40°～60°,噴霧顆粒細小而且非常均勻。由于噴嘴內(nèi)部采用了獨特的渦流起旋槽設(shè)計,霧化均勻細密,與現(xiàn)有注醇霧化器針型閥相比大大提高了霧化效率,減小了注醇壓差,從而減少了未霧化的注入量。

4.2 水與乙二醇混合霧化試驗及分析

4.2.1 測試噴嘴流量

廠內(nèi)試驗采用20%水乙二醇溶液,將1.0 mm、1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在14 ℃、3 ℃、0 ℃、-10 ℃,壓差0.6～2.5 MPa的條件下進行噴霧試驗,觀察霧化效果,研究乙二醇黏度對霧化的影響以及霧化效果與注醇壓差的關(guān)系。不同溫度下噴嘴流量實測值對比見表1。

表1 不同溫度下噴嘴流量實測值對比表

4.2.2 霧化試驗效果分析

20%水乙二醇溶液在冰凍箱冷凍至-10 ℃左右,觀察其物理特性呈黏稠狀態(tài)。

圖10 水乙二醇溶液在不同溫度、濃度時黏度變化曲線圖

由圖10看出,水乙二醇溶液在不同濃度時,黏度均隨溫度上升逐漸變小。

1.0 mm、1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在溫度-10 ℃、0 ℃、3 ℃,壓差0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa 進行試驗,見圖11～12。通過圖11～12可看出:在壓差0.6～1.0 MPa,溫度-10～0 ℃時,噴嘴出口處的噴霧角度明顯較小,噴霧顆粒較大,噴霧產(chǎn)生的表面積小,噴霧精細度較差;而壓差1.5～2.5 MPa,溫度-10～3 ℃時,噴霧角度和噴霧產(chǎn)生的表面積明顯增大,噴霧精細度提高。霧化效果隨壓差的增大而改善,即霧化粒度隨壓差的增大而減小。

a)-10 ℃

溫度-10～0 ℃時,乙二醇溶液黏稠,黏度大(41.36～24.44 mPa·s),同等壓差下試驗,噴霧角度較小,噴霧表面積小,精細度低,噴霧效果較差。隨乙二醇溶液黏度降低,霧化效果越好,特別是在常溫下霧化效果尤其良好。

1.0 mm孔徑噴嘴流量變化情況見表2。

表2 1.0 mm孔徑噴嘴流量變化表

從表2可得,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對于溫度14 ℃,在0.6～2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗,流量減少2.6%～7.9%,溫度-10 ℃試驗,流量減少3.2%～12.2%。

1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴噴霧試驗見圖12。

a)1.5 mm,-10 ℃,0.6 MPa

同理對1.5 mm、2.4 mm孔徑噴嘴分別在溫度 -10 ℃、0 ℃、3 ℃,壓差0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa 進行試驗,通過現(xiàn)場觀察和圖12分析可知:隨壓差增大,噴霧產(chǎn)生的表面積增大,噴霧精細度提高,霧化效果越好,即霧化粒度隨壓差的增大而減小。

同等壓差下試驗,溫度降低,乙二醇溶液黏度變大,噴霧精細度低,噴霧效果較差;而隨溫度升高,乙二醇溶液黏度降低,霧化效果越好。1.5 mm孔徑噴嘴流量變化情況見表3。

表3 1.5 mm孔徑噴嘴流量變化表

由表3可看出,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對于溫度14 ℃,在0.6～2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗,流量減少6.2%～14%,溫度-10 ℃試驗,流量減少9.4%～17.5%。

2.4 mm孔徑噴嘴流量變化見表4。

表4 2.4 mm孔徑噴嘴流量變化表

從表4可看出,溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對于溫度14 ℃,在0.6～2.5 MPa壓差范圍,溫度0 ℃試驗,流量減少13.9%～19.3%,溫度-10 ℃試驗,流量減少20.1%～26.7%。

4.3 新型注醇霧化器性能檢測

為了獲得較準確的噴嘴流量及霧化特性,委托第三方對霧化粒度分布特性進行檢測。噴嘴孔徑分別為 1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.4 mm(送第三方檢測的噴嘴為具有多個起旋槽的較大流量噴嘴),試驗條件為溫度25 ℃,介質(zhì)為純水,不同孔徑噴嘴在0.7 MPa、1.0 MPa壓差下的流量見表5。

表5 不同孔徑噴嘴在0.7 MPa、1.0 MPa壓差下的流量表

試驗采用LSA-Ⅲ激光噴霧粒度測試儀。根據(jù)霧滴重量分布圖像和各尺寸段顆粒所占重量百分比進行統(tǒng)計,得到不同孔徑噴嘴在壓差范圍內(nèi)的霧化粒度,平均顆粒直徑為70～100 μm,而且霧化粒度均隨壓差的增大而減小。介質(zhì)為純水,溫度為14 ℃的廠內(nèi)及第三方流量檢測見表6。

表6 廠內(nèi)及第三方流量檢測表

由表6可看出,在相同的溫度、壓差及噴嘴孔徑條件下,1.0～1.5 mm孔徑噴嘴在第三方檢測的數(shù)據(jù)均高于廠內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的9%～33%;2.0～2.4 mm孔徑噴嘴在第三方檢測得數(shù)據(jù)均高于廠內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的1.7～3.4倍。分析其原因為,廠內(nèi)檢測手段采用簡單的容積與秒表組合后計算出的數(shù)據(jù),人為因素影響極大,第三方測試采用的電子計量及系統(tǒng)積算,人為因素影響極低;廠內(nèi)檢測使用的隔膜泵輸出壓力10 MPa,最大流量1～180 L/h,1.0～1.5 mm孔徑噴嘴數(shù)據(jù)非常接近,微孔下液流狀態(tài)處于阻塞流,其流量變化不大,2.0～2.4 mm 孔徑噴嘴數(shù)據(jù)受人為因素及泵的最大流量所限制,流量差距極大。

4.4 實際工程應(yīng)用

在某氣田天然氣處理站對新型注醇霧化器展開實際工程應(yīng)用。該處理站管道壓力8.0～10.0 MPa,注醇壓差13～15 MPa,注醇量20～160 L/h。

在該處理站輸氣量、輸氣壓力、溫度均不變的情況下,使用新型注醇霧化器,經(jīng)調(diào)試合格運行后測得注入量在設(shè)計范圍20～160 L/h內(nèi);未使用新型注醇霧化器前的實際消耗量34～272 L/h;現(xiàn)場原有實際注醇量最大值比設(shè)計的理論最大值高70%。

該處理站更換采用1.0 mm孔徑噴嘴3點式結(jié)構(gòu)新型注醇霧化器后實測注入量滿足原設(shè)計。故新型注醇霧化器通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化在較低的壓差下得到良好的霧化效果,與氣體充分混合后使得實際注醇量與設(shè)計提出的理論量吻合,注醇量理論可控,從而解決現(xiàn)場因霧化效果差而導(dǎo)致大量液體順管道流動直接影響后續(xù)相關(guān)工藝設(shè)備功能功耗的問題。

5 結(jié)論

1)研發(fā)的新型注醇霧化器采用了旋流型噴嘴,在內(nèi)部設(shè)置了獨特的渦流葉片(或起旋頭)和渦流室結(jié)構(gòu),且噴嘴與注入器本體裝配設(shè)計巧妙,結(jié)構(gòu)緊湊,易于在線更換。乙二醇在壓差的驅(qū)動下,在渦流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),經(jīng)過離心力和質(zhì)量流動的共同作用,霧化成均勻、精細度非常高的細滴,并具有一定的霧化角,呈環(huán)狀噴出,噴霧效果可以和空氣霧化噴嘴媲美。相同孔徑的噴嘴流量大小可由切向起旋槽的個數(shù)和深度來調(diào)整。新型注醇霧化器解決了現(xiàn)有注醇霧化器在實際操作過程中注醇量大、霧化效果差、影響換熱器效果、注醇壓差高等實際問題。

2)新型注醇霧化器主管混合方式采用文丘里管結(jié)構(gòu)。入口處設(shè)置起旋器,通過文丘里管吹入高速氣流,在直段和收縮段產(chǎn)生環(huán)流,氣流進入文丘里管喉部時,產(chǎn)生低壓并與注醇霧化器注入的乙二醇微細霧滴充分有效混合,然后噴出文丘里管,大大提高了介質(zhì)與乙二醇充分混合的霧化效果。

3)試驗表明,溫度≥0 ℃,注醇壓差≤2.5 MPa時,可以產(chǎn)生非常細小的液滴,能實現(xiàn)最佳的乙二醇霧化效果;溫度<0 ℃,注醇壓差≤2.5 MPa時,由于乙二醇溶液黏度變大,噴霧角變小,噴霧產(chǎn)生的表面積小,噴霧精細度較差,霧化效果略差,但與針型閥直噴式噴嘴結(jié)構(gòu)霧化效果相比大大改善。霧化粒度隨壓差的增大而減小,霧化效果隨壓差增大而變好。建議噴嘴入口壓差在0.6 MPa以上。

4)同等壓差下,溫度降低,乙二醇溶液黏度變大,噴霧精細度低,噴霧效果較差。隨溫度升高黏度降低,霧化效果越好。

5)溫度降低、介質(zhì)黏度增大,流量減少。相對于常溫工況,在0.6～2.5 MPa壓差范圍,噴嘴孔徑1.0～1.5 mm,溫度0 ℃時流量減少2.6%～14%,溫度-10 ℃時流量減少3.2%～17.5%。噴嘴孔徑2.0～2.5 mm,溫度0 ℃時流量減少13.9%～19.3%,溫度-10 ℃時流量減少20.1%～26.7%。

6)本研究分析找出了霧化效果與注醇壓差及乙二醇黏度與霧化效果之間的關(guān)系,為實際生產(chǎn)及工程設(shè)計提供了技術(shù)支撐,有效降低了生產(chǎn)成本,可廣泛推廣應(yīng)用于氣田生產(chǎn)中。