含濕量對10 μm以上顆粒旋風分離性能影響的實驗

羅　璇，李智博，鄒振春，謝冬梅

(承德石油高等專科學校 熱能工程系，河北　承德　067000)

西部氣田有井口壓力高、含砂量大等特點[1]。由于西氣東輸在設計時的輸送壓力為10 MPa，天然氣在長距離輸送時壓力損失會很大[2]，為了克服這些壓力損失，保證輸氣正常運行，必須要每隔一段距離使用壓縮機進行增壓[3]。為了防止天然氣開采及輸送過程中夾帶的少量沙粒、焊渣以及管道中產生的一些銹蝕類顆粒加速磨損壓縮機等設備，天然氣必須先經過除塵系統的凈化處理，之后再進入壓縮機。在天然氣輸氣過程中對顆粒的凈化采用的是兩級凈化系統，首先通過旋風分離器對天然氣進行粗分離，然后通過過濾器等設備對小粒徑的固體顆粒進行精細過濾[4]。一般的多管旋風分離器的設計前提是假設天然氣是干燥的，沒有考慮天然氣輸送過程會產生一定量的凝析油和游離水，這樣使得多管旋風分離器在運行時產生了一系列影響安全生產的問題。因此，研究氣體在較低含塵濃度的工況下天然氣用旋風分離器同時分離液滴和固體顆粒時的分離性能是十分重要的。

1　國內外研究現狀

目前，國內外許多學者已經對旋風分離器進行了大量的研究。孫福江和王永偉等針對常規旋風分離器進行了結構改進，并開發出了一種新型的氣液旋風分離器[5]。中油遼河油田鉆采工藝研究院的朱斌改進了氣液旋風分離器的結構，并分別對優化結構前后的氣液旋風分離器進行了數值模擬和實驗驗證[6]。吳小林等針對天然氣凈化用旋風分離器進行了氣液分離性能的研究[7]。針對氣液旋風分離器出口處存在復雜的液體被夾帶的現象，S.Nagdew等通過數值計算的方法研究了氣液旋風分離器的工作性能[8]。荷蘭人TerLinden針對一臺蝸殼式旋風分離器，在入口氣速為10.7 m/s，入口壓力為0的情況下，最早測出了旋風分離器的流場[9]。另外，在三相分離器的應用方面，勝利油田的樁1接轉站通過技術改造，應用三相分離器技術解決了處理量小、設備工藝老化、自動化程度低的問題，取得了較好的效果[10]。

2　實驗裝置與實驗方法

2.1　實驗裝置

單管旋風分離器粉塵加濕的三相分離實驗裝置如圖1所示。實驗過程中用到的測量裝置包括Welas3000在線測量裝置、加料器、畢托管風速測量裝置和壓差計等。實驗使用的旋風分離器筒體直徑為150 mm，采用軸向的進口結構，加料入口直徑為70 mm，實驗在常溫下進行。實驗室所用風機采用負壓吸氣方式，進口風速通過事先安裝好在進氣管道上的畢托管測定，風速控制通過改變安裝在集氣室與風機之間的閥門來進行調節。

實驗中使用的固體顆粒為200目石英粉。實驗所用主要的儀器的型號和規格見表1。

2.2　實驗方法

實驗前，先利用烘干機對200目石英粉進行2 h的烘干處理，使其內部所含水分被蒸發出去，粉塵含濕量(粉塵含濕量為濕粉塵中與干燥粉塵同時并存液體的質量與濕粉塵的質量的比值)為0；實驗時，利用精密電子天平對一定質量的200目石英粉進行均勻加濕處理，通過對所加水分質量的控制實現將其含濕量調整到需要的數值。

表1　實驗主要儀器型號及規格

在實驗中，粉塵含濕量分別取8‰(通常情況下不進行加濕的粉塵的含濕量)、10‰、15‰、20‰、25‰和30‰，粉塵進口濃度分別取30 mg/m3、50 mg/m3、100 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3和500 mg/m3，進口風速可以通過利用畢托管并對風機的調節來進行控制，單管旋風分離器的進口風速分別取12 m/s、14 m/s、16 m/s和18 m/s(這是為了使本實驗的工況條件更接近于天然氣壓氣站現場進口風速在10～20 m/s的真實情況)。

實驗時，利用測速畢托管并控制風機的閥門來調節進口風速，在某一特定工況下，利用Welas3000在線測量裝置對特定進口濃度下分離性能的相關數據進行在線測量。

3　實驗結果

3.1　粉塵含濕量對10 μm以上顆粒分離效率的影響

10 μm以上顆粒的分離效率如圖2所示，圖2a)、b)、c)、d)分別是進口風速為18 m/s、16 m/s、14 m/s 和12 m/s時不同含濕量不同進口粉塵濃度的10μm以上顆粒的平均分離效率以及上下的偏差值。

3.2　粉塵含濕量對10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例的影響

10 μm以上顆粒在進口粉塵中所占比例的高低也會很大程度上影響粉塵整體的分離效率，因此對10 μm以上顆粒在進口粉塵中所占的比例的統計是十分必要的。

表2為不同含濕量情況下10 μm以上顆粒在進口粉塵中所占的比例，這其中有各個工況下的比例，還有相同粉塵含濕量、不同風速條件下10 μm以上顆粒在進口粉塵中所占的比例的平均值。

表2　含濕量對10 μm以上顆粒粒徑分布的影響

4　結論

1)在進口風速相同、進口粉塵濃度相同的情況下，粉塵中10 μm以上顆粒的分離效率會隨著含濕量的增大而增大，這個結果與粉塵總的分離效率的變化趨勢是一致的，驗證了粉塵分離效率隨含濕量的增大而增大的變化關系。

2)10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例是不隨進口風速變化的，而是隨著粉塵含濕量的變化而變化，粉塵含濕量增加，則10 μm以上顆粒在粉塵中所占比例也會相應的有所增加，并且增加幅度是隨著含濕量增加而逐漸變小的。

參考文獻：

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[6]朱斌.氣液分離器的結構優化[J].計算機仿真,2010, 27(1): 261-265.

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[8]S.Nagdewe, J.K.Kwoon, H.D.Kim, D.S.Kim, K.M.Kwak,Toshiaki Setoguchi.A ParametricStudy for High-Efficiency Gas-Liquid Separator Design[J]. Journal of Thermal Science, 2008, 17(3): 238-242.

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[10]邢力.三相分離器技術在樁1接轉站的應用[J].承德石油高等專科學校學報,2009(3):23-25.