集冷凝和離心分離功能于一體的天然氣超音速旋流分離技術

段振亞 梁龍輝 李 帥 劉 展 李鎮江 劉新哲

1. 青島科技大學機電工程學院 2. 天津力冠能源科技有限公司

超音速旋流分離器由荷蘭Groningen氣田總工程師Willink將其應用到天然氣脫水、脫重烴領域以來[1-2]，由于具有結構簡單緊湊、無轉動部件、可靠性高、無化學添加劑、投資和維護費用低等優點[3-4]，得到了國內外學者的廣泛關注。

1 天然氣超音速旋流分離器結構及工作原理

超音速旋流分離器的主要結構有超音速噴管、旋流器、分離器和擴壓器等（圖1）。根據旋流器相對于超音速噴管的位置，超音速旋流分離器可分為前置式和后置式兩種結構。兩種結構的分離器工作原理基本相同，現以后置式天然氣超音速旋流分離器為例，對其工作原理作簡要介紹。在超音速旋流分離器中，待處理的天然氣進入超音速噴管后發生絕熱膨脹，使得氣體由亞音速狀態加速到超音速狀態，此階段內，天然氣的壓力和溫度迅速下降，在低壓和低溫的環境中，天然氣中的水蒸氣和重烴產生液滴成核現象，液滴以液核為中心開始生長，形成氣體和凝析液的混合流體。氣液兩相流在通過旋流器后，流體獲得切向加速度，流體速度的方向發生改變。由于氣液之間的質量差，產生的巨大離心力將冷凝出來的小液滴甩到管內壁上并形成一層水膜，再通過管壁內與同軸的擴壓器形成的圓環槽排出。凝析液和部分氣體由圓環槽進入分離器，完成了氣液分離的過程。干氣進入擴壓器后速度逐漸降低，壓力逐漸升至進口壓力的70%～80%。

圖1 后置式天然氣超音速旋流分離器示意圖

2 天然氣超音速旋流分離器的數值模擬研究

在超音速旋流分離器內，天然氣的流動過程十分復雜，包含可壓縮氣體非穩態湍流流動過程、氣液相變過程、氣液旋流流動過程和氣液分離等主要過程。針對天然氣超音速旋流分離器數值模擬的研究工作也就主要集中在旋流流動過程、內部凝結過程和內部流動過程等方面。

2.1 旋流流動過程

天然氣在超音速旋流分離器內的旋流流動是實現天然氣有效脫水過程不可或缺的條件。天然氣在旋流器的作用下獲得切向速度，產生巨大的離心力，將在超音速噴管中由于低溫凝結而產生的重組分液滴和重烴“甩”向壁面，從而實現天然氣的脫水過程。

劉興偉等[5]認為旋流器在分離器內的位置會對管內流場產生重要影響，建立了4種安裝在不同位置的旋流器超音速旋流分離器數值模型，模擬了超音速旋流分離器內的流場分布。模擬結果顯示：在相同的壓損比下，采用旋流后置I型超音速旋流分離器可以獲得更大的溫降。曹禹等[6]在前置式超音速旋流分離器的基礎上，分析了其導流葉片的螺距變化與超音速旋流分離器內部流場分布的關系。數值模擬結果顯示：減小導流葉片的螺距，可以增大分離器內流體的離心加速度和改善分離器出口氣液的分離性能，同時下游的擴壓器內流場變化較為穩定。當旋流器的螺距為30 mm 時，分離器的分離性能較好，流體的旋流渦心點靠近管中心，離心加速度為32 896.68 g（g表示重力加速度）。周馳等[7]為了獲取超音速天然氣脫水裝置中螺旋導流器的最優葉片出口角，設計了螺旋導流器，分別對葉片出口角為20°、25°、30°、35°和40°螺旋導流器進行了數值模擬。模擬結果表明：當出口角在20°～25°范圍內逐漸增加時，切向速度迅速減??；當出口角繼續增大，其值變化較??；不同出口角下，軸向速度基本不變，而徑向速度變化較大，出口角為30°時，徑向速度波動最小，穩定性最高。通過比較動能與壓降比值的差異，當出口角介于25°～35°時，動能與壓降比值較好。最終確定葉片出口角為30°時，其速度分布與壓降損失最為合理。

2.2 內部凝結過程

待處理天然氣在超音速噴管內發生絕熱膨脹，使得部分氣體達到過飽和狀態，并發生凝結成核現象。當凝結核心的尺寸增大到臨界尺寸時，液滴開始以液核為中心生長。根據傳統的自發凝結理論可知，能夠分別利用均質成核理論與液滴生長模型描述。

2.2.1 水蒸氣凝結成核模型

在均質成核理論中，隨著水蒸氣的過飽和度達到某一程度時，水蒸氣分子就會開始發生凝結，變成包含一定數目水分子的凝結核心。目前，CNT經典一元體系成核理論是工程上應用最廣泛的描述水蒸氣凝結成核公式。但是CNT經典一元體系成核理論的計算精度過低，學者們提出了很多基于經典成核理論的修正模型，如自由能障修正的CNT模型、非等溫修正的CNT模型和修正的ICCT模型等[8]。

2.2.2 液滴生長模型

當氣體完成凝結成核后，不穩定的過飽和氣體便進入了以液核為中心的生長過程。在很多的自然現象和工業過程中，液滴的生長過程普遍存在，因此吸引了眾多學者的廣泛關注。在液滴生長理論研究方面較有權威的有Gyamathy、Hill和Young等。

目前Gyamathy提出的液滴生長率模型是超音速凝結數值模擬中運用較為普遍的模型，該模型一般應用在自由分子流、連續流以及過渡區的液滴生長理論計算。針對在低壓環境下Gyamathy模型估算誤差較大的情況，Young在Gyamathy 模型的液滴生長率公式的基礎上進行了改進，提出了Young 模型。該模型適用范圍更廣，但忽視了液滴區域的變化而將其作為整體進行計算。

大量文獻表明[12-17]，在超音速凝結的數值模擬中，Gyamathy模型的液滴生長模型應用較為廣泛。韓中合等[15]利用Gyamathy模型研究了濕天然氣在超音速旋流分離器內的凝結現象。模擬結果較好地體現了超音速分離管內部凝結參數的分布規律，并提出了適當調整入口溫度和壓力的方法來改善超音速分離器的分離性能。

2.3 內部流動過程

天然氣在超音速旋流分離器中發生相變，其流動涉及氣液兩相流動過程。針對天然氣超音速旋流分離器內部流動過程的數值計算，氣相采用歐拉法計算。由于液滴的計算方法分為歐拉法和拉格朗日法，氣液兩相流動的描述方法也分為歐拉－歐拉法和歐拉－拉格朗日法。氣相的數值計算通常采用湍流模型，而液相則常通過離散相模型（DPM）計算。涉及天然氣在超音速旋流分離器內的流動問題時，通常采用混合氣體自發凝結流動的一維模型、兩相雙/多組分凝結流動的三維湍流模型和Eulerian雙流體凝結流動的多維模型等凝結流動模型[8]求解。

劉恒偉[17]利用混合氣體自發凝結流動的一維模型，分析了不凝氣體與水蒸氣混合物在超音速旋流分離器內的流動現象。韓中合等[15]通過兩相雙/多組分凝結流動三維模型對含有自發凝結的兩相超音速流動過程進行了數值模擬計算。模擬結果能夠較好地展現沿噴管軸向截面的過冷度、成核率、液滴半徑和濕度等主要凝結參數的分布規律。馬慶芬等[18]利用Eulerian雙流體凝結流動的多維模型，分析了含濕氮氣在超音速噴管中發生高速膨脹時水蒸氣的自發成核現象。模擬計算結果在誤差允許范圍內，與實驗數據吻合良好。劉興偉等[19]利用離散相模型（DPM）較好地再現超音速旋流分離器內氣液的旋流分離現象，研究了氣流流量、液滴直徑大小、旋流強度和壓損比與超音速旋流分離器氣液分離性能的關系。

3 天然氣超音速旋流分離器的實驗研究

3.1 國外相關研究現狀

Willink于1997年在室內進行了天然氣超音速分離的實驗[1]。實驗結果表明：天然氣超音速旋流分離裝置不僅可以分離天然氣中的水，還能夠除去天然氣中的重烴等。隨后他在Groningen氣田進行了中試試驗，中試試驗不僅提供了超音速分離裝置具有脫除水和重烴的能力的實驗依據，而且整個裝置的壓損也在可接受范圍之內?；始液商m殼牌集團公司（以下簡稱殼牌公司）與Beacom風險投資有限公司于2000年共同成立了用于研究和推廣超音速旋流分離技術的Twister BV科技有限公司（以下簡稱Twister BV公司）。目前，Twister超音速旋流分離器經過兩代發展，在關鍵技術上獲得了重大的突破。兩代Twister超音速旋流分離器的基本結構相同，兩代產品的不同之處在于旋流器的安裝位置。第一代Twister超音速旋流分離器通過安裝在超音速噴管的擴張段下游的三角翼，產生切向速度，使來流天然氣發生旋流。為克服第一代Twister產品技術上的缺點[20-21]，第二代Twister超音速旋流分離器則在超音速噴管的上游安裝旋流器，且第二代產品采用了垂直安裝方式[22]。

在本研究報道中，觀察組患者近期療效歲高于對照組，但兩組之間比較結果，差異無統計學意義（P＞0.05）。連續干預6個月后，觀察組患者治療總有效率有明顯提高且遠高于對照組，說明系統性康復訓練雖在近期療效并不明顯，但對于患者遠期療效有明顯提高，更有利于患者預后，加速患者康復?；颊咝g后盡早進行系統性康復訓練后，不僅能促進膝關節部分的血液供應、加快周圍靜脈及淋巴的回流，更能加速膝關節腫脹的消退，促進膝關節對滲出液的吸收，改善膝關節及整個下肢的血液循環，從而提高膝關節部分的營養供應，恢復關節的平衡及功能。

Twister BV公司在尼日利亞的試驗裝置成功地將天然氣中的水分脫除到管線要求的標準，水露點降低22～28 ℃（進氣溫度20 ℃時，出口氣體的露點為－2～ －8 ℃）。2003年，第一個商業化的Twister超音速脫水系統在馬來西亞的B11海上平臺上開始工作[23]。該脫水平臺由6個超音速旋流分離器構成，總處理能力接近850×104m3/d，壓力降達25%～30%，出口露點達10 ℃。在SSB B11平臺4年多連續試驗中，該系統運行穩定，可靠性高，能極大地節約投資和操作費用。Twister BV公司于2005年成功開發了低壓降天然氣超音速旋流分離器，并在荷蘭Groningen油氣田的Gasunie試驗廠完成了試驗研究工作[24]。

在殼牌公司進行超音速旋流分離技術研究的同時，作為能源大國的俄羅斯在該技術上也做了大量的研究工作，并將其自主研發設計的產品稱為3S(-Supersonic Swirling Separator)。3S是俄羅斯 ENGO公司集團旗下Translang科技有限公司（以下簡稱Translang公司）將關于空氣動力學的航天技術成果成功應用于油氣田中天然氣加工、凈化等領域中的一項新型技術成果[25]。

自從3S技術出現以來，Translang公司加大了該技術的研發和推廣力度。Translang公司分別在俄羅斯莫斯科州和加拿大卡爾加里附近建立了天然氣處理量為30×104m3/d（2.5 kg/s）和 110×104m3/d（9 kg/s）的工業性實驗系統[26]。研究人員針對不同溫度、壓力、成分以及亞音速、音速和超音速狀態下的天然氣對3S系統共進行了400余次實驗，獲得了大量的工業運行條件下的實驗數據。2004年9月，Translang公司在俄羅斯西伯利亞建成了第一套工業裝置，并一直在工業生產條件下運行，從而完成了從試驗研究到工業化應用的進程[25]。

中石油新疆塔里木油氣田牙哈集中處理站于2010年引進了俄羅斯的3S裝置，并成功應用于油氣田的天然氣凈化處理[27]。運行結果顯示：3S系統的天然氣日處理量為180×104m3，在3S裝置的入口壓力為11 MPa、入口溫度為5 ℃、出口壓力為7 MPa的條件下，出口溫度降為－8 ℃，并且能夠有效除去天然氣中最大粒徑為100 μm的液滴。

3.2 國內相關研究現狀

國內的學者和相關研究機構對超音速旋流分離技術也做了大量的研究工作，其中中國石油大學、北京工業大學和大連理工大學等都在該技術領域取得了一定的研究成果。

2003年，北京工業大學與中石化在勝利油田共同進行了日處理量為11×104m3的超音速旋流分離技術試驗，印證了超音速脫水技術工業化的可行性[28]。實驗結果顯示：天然氣超音速旋流分離器的進出口露點降最大為35 ℃，最小為10 ℃；其中分離器脫水量為17 mL/m3，整個系統的脫水量在28～40 mL/m3范圍內。鮑玲玲等[29]為了獲得分離效率高的旋流器，設計了一套分別對采用內置A、B型旋流器的再循環超音速旋流分離器，研究超音速旋流分離器的脫水性能。實驗結果表明：內置A型旋流器能使氣體產生較強的旋流，B型旋流器對氣體產生較大的阻力。采用內置A型旋流器的分離器分離效率較高，脫水性能較好，即分離器脫水性能受旋流特性的影響更大，內置旋流器的旋流特性越好，超音速旋流分離器的脫水效果越好。

大連理工大學的馬慶芬[9]通過搭建超音速旋流分離器的實驗系統研究了錐芯式超音速旋流分離器的分離性能。實驗結果表明：錐芯式超音速旋流分離器的分離性能相對超音速噴管為圓形截面的裝置較好。相對于分離部分分別為等徑管和漸擴等徑交替管圓形截面的超音速噴管的分離器，錐芯式超音速旋流分離器的分離效率和露點降最大值分別提高了21.8%、4.3 K和13.7%、2.7 K。通過增大凝結液滴尺寸的方法，能夠顯著改善錐芯式超音速旋流分離器的氣液分離性能，分離效率和露點降最大值可達到52.1%和29.0 K，分別提高了約30.3%和8.1 K。

中國石油大學的魯樹東[23]完成了超音速脫水裝置的試驗。試驗表明：此裝置用于天然氣脫水性能可靠，能除去大量水和烴類物質。在3.8 MPa壓力下，天然氣的露點降達到了20 ℃以上，能夠有效地抑制冷凝分離過程中水合物的產生。文闖等[30]通過搭建的室內實驗平臺主要研究了前置式超聲速旋流分離器的脫水性能，重點探究了壓力損失與露點降的關系和旋流對超音速旋流分離器過流能力的影響。實驗結果顯示：前置式超音速旋流分離器干氣出口的水露點能夠達到－2.8 ℃，露點降為34.9 ℃。當壓力損失減小時，露點降隨之減??；當超音速旋流分離器的壓損高于30 %時，露點降最少達到18 ℃，分離器能夠正常工作；入口壓力對超音速旋流分離器的露點降基本沒有影響；隨著流體旋流強度的增加，只有來流的質量流量達到設計要求時，分離器才能夠正常工作。曹學文等[31]設計了一套新型橢球體超聲速旋流分離器，并利用室內實驗平臺和數值模擬方法，對分離器的脫水性能進行了評價。實驗結果顯示：該分離器具有良好的脫水性能，壓力恢復系數在20.6%～69.8%之間，最大露點下降為34.9 ℃。隨著壓力恢復系數的增大，露點降減小，露點降在較大的恢復系數（69.8%）下為18.3 ℃。當質量流量滿足分離器工作要求時，入口壓力和入口溫度對脫水性能影響不大。此外，脫水性能不受液體出口壓力的影響。即設計的分離器可以在一個大范圍的進出口工作條件下正常工作。

宋輝等[32]進行了超音速旋流分離器的室內試驗和現場試驗，研究了壓力損失對干氣露點溫度的影響。當室內試驗的分離器壓損達到40%時，干氣露點溫度可達－16.6 ℃；現場試驗的裝置壓損為70%時，干氣露點溫度可達－9 ℃。試驗結果表明：采用超音速旋流脫水方法，能夠有效地脫除天然氣的水分。

目前，荷蘭的殼牌公司和俄羅斯的Translang公司成功地將超音速旋流分離技術應用到工業天然氣的凈化處理領域。我國學者也對天然氣超音速旋流分離器開展了一系列的實驗研究，但主要是開展低壓實驗，實驗時介質的壓力一般均不超過1 MPa，與壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕的實際天然氣情況差別較大。低壓實驗數據可用于驗證數值模擬等工作，但是采用低壓試驗結果研究高壓的天然氣脫水機理可能會存在一定的誤差。因此課題組聯合天津力冠能源科技有限公司開展了超音速旋流分離器的高壓實驗[33]。實驗結果表明：當入口壓力為13.2 MPa、出口壓力為9.25 MPa（壓損比30%）、入口溫度為28℃時，露點降為7 ℃；在高壓環境下，隨著裝置的進出口壓損比升高，露點降也逐漸升高。當裝置的壓損比為54%時，實驗獲得的最大露點降為15 ℃。

4 結論與展望

天然氣超音速旋流分離技術的工業應用前景十分廣闊，但由于其過程的復雜性，理論研究還不成熟，限制了該技術實現大規模的工業化應用。上述的文獻分析表明：目前關于超音速旋流分離器的數值模擬研究主要集中在旋流流動過程、內部凝結過程和內部流動過程等方面，并取得了一定的成果。另一方面，國內對超音速旋流分離器的實驗研究主要集中在低壓實驗，可能在研究高壓天然氣的凝結機理及分離機理等方面存在一定的誤差。目前考量超音速旋流分離器的分離性能需要大量的數值模擬或實驗測試，很難便捷地確定超音速旋流分離器的最佳設計方案。為了加快推動其工業化的應用進程，亟待完善和深入研究的相關工作主要包括：

1）天然氣超音速旋流分離器結構簡單緊湊，但是各個部件的結構優劣對其冷凝和分離性能影響較大。解決超音速噴管的收縮段曲線和擴張段曲線的匹配、旋流器的結構優化設計與安裝位置等問題，有助于氣體凝結和提高氣液分離效率。

2）天然氣超音速脫水處理時，天然氣的壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕。目前國內研究主要集中在低壓實驗，盡管能對高壓天然氣的脫水機理研究起到驗證作用，但是用于解釋高壓天然氣的超音速凝結分離的機理會有一定的誤差。開展符合天然氣實際操作工況的高壓實驗，有助于探究天然氣旋流分離的凝結和分離機理。

3）天然氣在超音速旋流分離器中的流動過程異常復雜，主要包括旋流流動過程、內部凝結過程和內部流動過程等方面。國內外學者做了大量工作，并取得了一定的研究成果。但是目前的理論研究，尚無法準確揭示高壓天然氣跨音速流動時其中水分及重烴的凝結機理和分離過程，亟待在該方面進行深入的研究，確定影響分離性能的因素，以期為天然氣旋流分離器的工程設計與應用奠定堅實的理論基礎。