高含硫天然氣分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 孟 王樹濤 古小紅 汪沈陽(yáng) 王詠梅

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司）

普光氣田集劇毒與強(qiáng)腐蝕性于一體， 帶來井控管理、 硫化氫防護(hù)及涉酸工程防腐蝕等一系列世界級(jí)難題。 為保證地面集輸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行， 提出采用氣液固三相旋流分離器進(jìn)行分離， 從井口站場(chǎng)將氣井產(chǎn)出水和析出硫進(jìn)行分離處理，實(shí)現(xiàn)分離器站場(chǎng)在線三相分離、不停產(chǎn)運(yùn)行、 分離前/后天然氣的壓降對(duì)站場(chǎng)運(yùn)行無(wú)影響，解決產(chǎn)出水和析出硫給集輸系統(tǒng)帶來腐蝕和硫沉積堵塞問題， 從而控制地層水和單質(zhì)硫不進(jìn)入或少進(jìn)入集輸系統(tǒng)，提高外輸天然氣氣質(zhì)，對(duì)減輕集輸系統(tǒng)設(shè)施的腐蝕和保證集輸管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義［1］。

旋流分離是利用流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將密度不同的各相完成高效分離的一種技術(shù)。普光氣田天然氣流量大，含液、含硫濃度高，采用多管束取代大直徑單管的旋流入口裝置，可以大幅提高氣體負(fù)荷因子， 增加分離器處理能力，并改善分離效果；小直徑旋流管也會(huì)產(chǎn)生較高的離心力，具有消泡功能；氣相均布性好，增加液體處理能力，減小設(shè)備尺寸［2］。

筆者利用Fluent 對(duì)不同參數(shù)的分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，對(duì)比分離效率、壓降等參數(shù)選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

1 單根旋流管尺寸優(yōu)化

旋流分離器分離性能的提高主要是通過改變結(jié)構(gòu)形式或調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸來實(shí)現(xiàn)的。 隨著流場(chǎng)模擬和測(cè)試技術(shù)的提高，研究人員對(duì)旋流分離機(jī)理已經(jīng)有了充分的認(rèn)識(shí)，根據(jù)大量文獻(xiàn)記載的提高分離性能的不同方式， 主要是針對(duì)旋流管筒體、底流口、柱/錐段、溢流管及入口等結(jié)構(gòu)展開研究［3］。

設(shè)計(jì)氣量采用600 000 m3/d，將氣量八等分，每根旋流管進(jìn)氣量為75 000 m3/d，按此氣量進(jìn)行旋流管初步設(shè)計(jì)，即采用Shepherd & Lapple 壓降模型和Mothes & Loffler 效率模型計(jì)算得到的結(jié)果：

壓降 69.42 kPa

筒體直徑 100 mm

分離效率 99.99%

柱段長(zhǎng)度 150 mm

錐段長(zhǎng)度 250 mm

溢流管直徑 50 mm

氣相入口寬度 20 mm

氣相入口高度 50 mm

底流口直徑 40 mm

采用Fluent 專用的前處理軟件ICEM 對(duì)旋流管進(jìn)行網(wǎng)格離散化，首先將SolidWorks 建立的幾何模型（圖1）導(dǎo)入到ICEM 中，采用純四面體網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行劃分（圖2）。

圖1 旋流管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 旋流管網(wǎng)格劃分

1.1 筒體直徑

筒體直徑對(duì)旋流管的分離性能具有重要影響。 筒體直徑較小時(shí)，分離空間過小，分離腔內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)性能，使得流場(chǎng)不穩(wěn)定，因而分離效率較低；筒體直徑過大時(shí)，分離空間過大，離心強(qiáng)度不足，造成分離效率下降。對(duì)比分析筒體直徑分別為80、90、100、150、200、250、300 mm 時(shí)的分離效率和壓降（圖3）。 根據(jù)圖3 所示結(jié)果，確定旋流管筒體直徑100 mm 為最優(yōu)參數(shù)［4］。

圖3 不同筒體直徑旋流分離器分離效率與壓降

1.2 底流口直徑

底流口直徑是影響旋流管分離性能的重要因素之一。 底流口直徑減小時(shí)，底流氣體分流比減小，返混現(xiàn)象嚴(yán)重，造成分離效率降低；增大底流口直徑固然有利于提高分離性能，但超過限度亦會(huì)使其分離效果惡化、破壞其分離作用。 對(duì)比分析底流口直徑分別為40、60、70、80、90 mm 時(shí)的分離效率和壓降（圖4）。 根據(jù)圖4 所示結(jié)果，確定底流口直徑90mm 為最優(yōu)參數(shù)。

圖4 不同底流口直徑旋流分離器分離效率與壓降

1.3 柱/錐段高度

柱/錐段作為旋流分離器的分離腔，其尺寸大小影響著旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而對(duì)分離性能產(chǎn)生影響。對(duì)比分析柱段高度為100、125、150、175、200 mm 和錐段高度為200、250、300 mm 的8組柱/錐段高度對(duì)分離效率和壓降的影響（圖5）。根據(jù)圖5 所示結(jié)果，確定柱段高度100mm、錐段高度300mm 為最優(yōu)參數(shù)。

圖5 不同柱/錐段高度旋流分離器分離效率與壓降

1.4 溢流管尺寸

旋流分離器中溢流管作為凈化氣體的排出管，其設(shè)計(jì)因素主要包括溢流管插入深度、直徑和高度。 對(duì)比分析了5 組插入深度、10 組溢流管高度和4 組溢流管直徑的分離效率與壓降（圖6）。 根據(jù)圖6 所示結(jié)果，確定插入深度60 mm、溢流管高度250 mm、溢流管直徑55 mm為最優(yōu)參數(shù)。

圖6 不同溢流管尺寸的旋流分離器分離效率與壓降

1.5 入口截面尺寸

對(duì)于矩形進(jìn)口的旋流分離器，Kelsall 發(fā)現(xiàn)狹長(zhǎng)型矩形入口能使分離性能得到明顯改善；Khairy Elasyed 等模擬了不同進(jìn)口尺寸對(duì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)和分離性能的影響，發(fā)現(xiàn)增大矩形進(jìn)口尺寸，旋流器中最大切向速度變小，且進(jìn)口寬度的影響更顯著，因此，選取了入口截面尺寸分別為15 mm×66 mm、18 mm×56 mm、20 mm×50 mm、25 mm×40 mm、31 mm×32 mm，研究不同入口截面尺寸對(duì)分離效率和壓降的影響（圖7）。 根據(jù)圖7可確定入口截面尺寸20 mm×50 mm 為最優(yōu)參數(shù)。

圖7 不同入口截面尺寸旋流分離器分離效率與壓降

2 旋流管布局形式設(shè)計(jì)

常見的多管旋流分離器入口形式主要包括迎風(fēng)入口結(jié)構(gòu)、多管束并聯(lián)入口結(jié)構(gòu)和多管束旋流入口結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 旋流分離器入口結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 迎風(fēng)入口結(jié)構(gòu)

迎風(fēng)入口結(jié)構(gòu)采用切向入口，旋流管由上下兩個(gè)隔板固定，8 根旋流管均為迎風(fēng)入口，周向排布。 這種形式多用于氣體壓縮機(jī)出入口的氣液分離，如分餾塔冷凝冷卻器的氣相除霧、氣體除塵、油水及液固分離等場(chǎng)合。

對(duì)比研究旋流管處于設(shè)備不同直徑同心圓處時(shí)壓降和入口流量標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表1。 根據(jù)表1結(jié)果，確定同心圓直徑為1 000 mm 時(shí)性能最優(yōu)。

表1 旋流管不同位置時(shí)的分離性能

2.2 多管束并聯(lián)入口結(jié)構(gòu)

多管束并聯(lián)入口結(jié)構(gòu)采用8 根旋流管分兩排排布， 氣液固混合物經(jīng)入口切向進(jìn)入旋流管，實(shí)現(xiàn)入口分布。

對(duì)多管束并聯(lián)分配入口，分別設(shè)計(jì)旋流管間距分別為163、191、229 mm， 入口流量分布的模擬測(cè)試研究，由表2 可知，多管束并聯(lián)入口流體分配均勻性較好， 并且隨著旋流管間距變化時(shí)，分布情況差異不明顯。

表2 旋流管不同間距時(shí)的分離性能

2.3 多管束旋流入口結(jié)構(gòu)

多管束旋流入口結(jié)構(gòu)包括能夠通入流體的中心分流管和環(huán)繞分布的旋流管，旋流管入口與中心分流管的側(cè)壁出口相通，中心分流管的底部設(shè)有錐形分布器，進(jìn)入到中心分流管的流體能夠切向進(jìn)入到旋流管內(nèi)［5］。

改變傾斜角度和入口直徑，設(shè)計(jì)了9 種不同多管束旋流入口結(jié)構(gòu)，具體規(guī)格和相應(yīng)的壓降列于表3。由表3 可知，采用8 號(hào)多管束旋流入口結(jié)構(gòu)時(shí)，流體分布性能較好，入口流量標(biāo)準(zhǔn)差最小。

表3 不同多管束旋流入口結(jié)構(gòu)的分離性能

3 三相分離器整體性能分析

3.1 三相分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)前兩部分的優(yōu)化結(jié)果，最終確定三相分離器單根旋流管尺寸如下：

筒體直徑 100 mm

底流口直徑 90 mm

柱段高度 100 mm

錐段高度 300 mm

溢流管插入深度 60 mm

溢流管長(zhǎng)度 250 mm

溢流管直徑 55 mm

入口截面尺寸 20 mm×50 mm

確定旋流管布局形式為多管束旋流入口，傾斜角度27°，入口直徑25 mm。

3.2 三相分離器整體性能

分離器處理氣量變化范圍設(shè)為100 000～650 000 m3/d， 三相分離器的不同進(jìn)氣工況見表4。

表4 不同進(jìn)氣工況

工程中最常用的評(píng)價(jià)分離效能的指標(biāo)是總分離效率，但對(duì)表征某個(gè)具體的旋流分離器是不全面的，因?yàn)樾鞣蛛x器的分離工作是針對(duì)某一固定的顆粒群而言， 并且在不同生產(chǎn)條件下，分離器處理的顆粒粒徑大小分布存在較大差異。 本項(xiàng)目中固液顆粒滿足Rossin-Rammler 分布，選取R-R 分布固/液相、8 μm 固/液相和10 μm 液相，研究不同進(jìn)口氣速下的分離效率（圖9）。 從圖9中可以看出，隨著進(jìn)口氣速的增大，分離效率先增大后有所減小，數(shù)值均保持在85%以上；并且隨著液滴粒徑由10 μm 減小到8 μm， 分離效率由90%下降到85%［6］。

圖9 不同進(jìn)口氣速下三相分離器分離效率

壓降是評(píng)價(jià)旋流分離器性能的重要指標(biāo)，壓降越大表明能量消耗越多。 不同進(jìn)口氣速下三相分離器壓降如圖10 所示。 隨著進(jìn)口氣速的增大，三相分離器的壓降呈指數(shù)級(jí)逐漸增大。 這是由于隨著進(jìn)口氣速的增大， 旋流管內(nèi)離心力增強(qiáng)，旋流強(qiáng)度增大，壓力損失增加。

圖10 不同進(jìn)口氣速下三相分離器壓降

4 結(jié)論

4.1 通過對(duì)不同尺寸單根旋流管進(jìn)行優(yōu)化，得出筒體直徑100 mm，底流口直徑90 mm，柱段高度100mm，錐段高度300mm，溢流管插入深度60mm，溢流管長(zhǎng)度250 mm，溢流管直徑55 mm，入口截面尺寸20 mm×50 mm 為旋流管最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2 通過對(duì)分離器不同入口形式進(jìn)行性能分析，最終確定多管束旋流入口結(jié)構(gòu)流體分布性能最好。

4.3 原料氣流量在100 000～650 000 m3/d 之間變化時(shí)， 三相分離器的壓降呈指數(shù)級(jí)逐漸增大，但分離器非氣相脫除率可達(dá)85%以上，整體性能優(yōu)越，能夠滿足實(shí)際工程需要。