壓風管風水多級分離器設計與應用

鄭偉光

0 引言

由于井下壓風管路季節性存水和其它環境因素造成壓風管積水，使得風動鉆機無法正常工作，打眼工作中經常出現糊鉆頭、抱鉆桿現像，操作人員每打一個眼需對風管進行1～2 次放水工序，引響生產效率。為了解決此類問題，需設計一種新型風水多級分離器。該風水分離器采用阻隔式、擋板式和旋流式三級分離方式，成本低，且比傳統分離器堅實耐用，分離效果更明顯。

1 分離器結構及原理

1.1 分離器結構

分離器由進風管、閥芯管道、濾風閥芯、阻水外殼、阻水擋板、排水閥、清渣端蓋和出風管8 部分組成。（如圖1、圖2 所示）

圖1 分離器工作原理結構示意

圖2 壓風管風水分離器裝配結構

1.2 工作原理

當風水混合物進入風水分離器后，首先進行隔阻式一級分離，混合物從分離器腔體內的閥芯排出，混合風水在風壓作用下撞擊阻水管管壁，此時含水風流中的水流會沖擊管壁速度瞬間降為0，由于水的密度較大在重力作用下會順管壁凝結成細水流延管壁流下，過濾后部分純凈的風則會經出風口排出；其次進行檔板式二、三級分離，部分未分離的混合物在風壓作用下在分離器腔體內做離心回旋運動，會頻繁撞擊檔板和器壁將分水再次進行二、三級分離。之后純凈的風流會經出風口流排出。

1.3 相關要求

（1）間隔一定時間打開排水開關排出存水；

（2）由于風中雜質較多，可打開清渣蓋清理雜質。

2 理論應用及風壓損失驗算

2.1 濾風閥芯設計

進風管接口是公稱內徑DN50 無縫鋼管其外徑60.3 mm，壁厚3.8 mm，管徑52.7 mm，濾風閥孔設Ф8 mm，其中：

上式中S1為管內面積，為保證風量濾風孔面積定為1.8 倍額定孔面積，漏風孔數取80 個，×80=4 019.2＞S1，滿足要求。

2.2 風壓損失計算

壓風管風水分離器壓力損失示意見圖3。

圖3 壓風管風水分離器壓力損失示意

風管內空氣流動的阻力有兩種：

摩擦阻力hf(沿程阻力）由于空氣本身的粘滯性及其與管壁間的摩擦而產生的阻力；

局部阻力hj（形體阻力）空氣流經風管中的管件及設備時，由于流速的大小和方向變化以及產生渦流造成比較集中的能量損失。

（1）摩擦阻力損失

式中：hf——摩擦阻力損失，Pa；

d——管道的直徑或當量直徑，m；

l——管道的長度，m；

ρ——0.6 MPa 下空氣的密度，7.758 kg/m3(標準狀態下空氣密度1.293 kg/m3，0.6 MPa=6 kgf）；

20℃條件下，空氣運動粘度v=14.8×10－6m2/s，雷諾數（管內為湍流狀態），查表求得摩擦阻力系數λ=0.03，將以上數據代入達西公式可得hf=420 J/kg 。

相對于工作面管路系統來說本器件摩擦阻力hf可忽略不計。

（2）局部阻力計算

局部阻力系數：ε1是h2段局部壓力損失系數，ε2，ε3是h3段局壓力損失系數（h3段局部壓力損失包括：①流程截面突然縮小壓力的損失，②流程截面突然擴大的壓力損失），ε4是h4段局部壓力損失系數。具體數據如下：

式中：A1——h2段，氣體流程截面突然擴大或縮小所遇到的大管體截面積，A1=πr12=3.14×252=1 962.5 m2；

A2——h2段，氣體流程截面突然擴大或縮小所遇到的小管體截面積，A2=πr22=3.14×42=50.24 m2。

將A1、A2代入(1)中：ε1=0.51。

在計算h3段局部壓力損失系數時，由于流入和流出管體截面相同，相對可把大管體截面看做A1=∞，得大管體流經阻板間空隙時ε3=0.5，阻板間空隙流入大管體時ε2=1。

式中：A1'——h4段，氣體流程截面突然擴大或縮小所遇到的大管體截面積，A1'=πr1'2=3.14×1002=31 400 m2；

A2'——h4段，氣體流程截面突然擴大或縮小所遇到的小管體截面積，A2'=πr2'2=3.14×252=1 962.5 m2。

將A1'、A2'代入(2)中：ε4=0.47。

hj表示計算中段所遇阻力的局部壓力損失，相對應ε1、ε2、ε3、ε4所代表的壓力損失系數可知hj1為h2段局部壓力損失，hj2、hj3指h3局部壓力損失，hj4指h4局部壓力損失。

對于工作面管路系統來說本器件摩擦阻力(沿程壓力損失)可忽略不計，即各段壓力損失為：h1=乙字型彎頭壓力損失，h2=hj1，h3=hj2+hj3，h4=hj4。由于乙字彎損耗為：50 Pa～198 Pa，即h1=198 Pa。

（3）壓力損失驗算：

東二盤區壓風管路風壓為0.6 MPa，本工作面使用鉆具額定風壓為0.5 MPa。

由上式可知，本裝置壓力損失不影響工作面鉆具正常使用，完全滿足額定風壓0.5 MPa 工作需求，驗證該分離器在此工作面管路安裝可行。

3 壓風管風水多級分離器技術參數

壓風管風水多級分離器（見圖4），技術參數如下：①設計壓力為0.7 MPa；②分離效率為99%；③接口尺寸為DN50；④接口形式為法蘭PN2.5；⑤壓力損失為0.004 MPa。

圖4 分離器

4 結語

本實用型風水多級分離器采用阻隔式、擋板式和旋流式三級分離方式，運用了碰撞分離原理、重力沉降原理和離心分離原理，對含水及雜質風流進行凈化，能有效延長風動工具使用壽命及提高生產效率，通過現場驗證，分離效率達99%。能夠有效杜絕壓風管積水所造成的經濟損失，延長井下風動工具使用壽命，應用隊組提升工效，按時效可節省因排水誤工2h/d，成本低，且比傳統分離器堅實耐用，分離效果更明顯，推廣應用后，經濟效益顯著。

經工作中實踐驗證，該分離器可在井下因壓風管路積水而導致風動工具不能正常使用的工作面廣泛應用。