超音速分离技术研究概述

于鑫

（华电电力科学研究院西安分院 西安 710054）

超音速分离技术研究概述

于鑫

（华电电力科学研究院西安分院 西安 710054）

天然气中的水蒸气若凝结为液态水，会对天然气生产运输过程产生严重影响。常用的天然气脱水技术系统复杂、成本高，而超音速脱水技术集膨胀、分离、压缩过程于一体，结构简单、安全可靠，成为大家关注的焦点。本文介绍了超音速分离技术的原理及特点，并与传统技术进行了对比。结果表明超音速分离技术效果好，优势大，在天然气脱水过程中引入超音速分离技术具有重要价值。

超音速分离技术；流场；热力学

引言

天然气中含有大量饱和水蒸气，这些水蒸气在天然气集输处理过程中，容易凝结形成液态水。常用的天然气脱水技术有分子筛脱水技术、JT阀及透平膨胀机脱水技术和三甘醇脱水技术等，其中三甘醇脱水技术应用最广泛，但其存在系统复杂、三甘醇溶液再生能耗大等问题，投资和运行成本较高[1]。

超音速脱水技术是由Shel（壳牌）公司在2000年引入的新型脱水技术，它是利用超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行天然气脱水，与传统的天然气脱水方法有着显著区别。超音速脱水利用一个管道实现膨胀机、分离器和压缩机的所有功能，使系统大大简化，提高了系统可靠性，降低了系统的成本。开展超音速技术的研究及应用，紧跟国外天然气脱水的技术前沿，对彻底改变现有脱水系统体积大、操作复杂、运行费用高等问题具有重要意义[2]。

1 超音速分离技术及的主要原理

超音速分离器的结构示意图见图1，天然气超音速脱水技术属于低温冷凝法。其最核心的部件为超音速分离器，基本原理是利用拉瓦尔喷管使气体在自身压力的作用下膨胀加速至超音速，此时气体的温度及压力急剧下降，从而使天然气中的水蒸气冷凝成无数细小的液滴，然后在超音速产生的强气流旋转作用下，将小液滴甩至壁面并分离，对于气体则进行再压缩回收压力[3]。

图1 Twister-II结构示意图

2 流场特性

含一定质量份额水蒸汽的天然气在喷管中膨胀，其流动与纯净天然气的流动有明显差异。水蒸汽流动中存在过饱和现象，即随着膨胀过程的进行，水蒸汽从过热区跨过饱和线，而后进入湿蒸汽区时并没有立刻凝结，而是继续膨胀，此时的蒸汽温度低于蒸汽压力对应的饱和温度，二者之差即为过冷度△T。随着的继续膨胀，过冷度不断升高，流动处于热力学的非平衡状态。此时要一直持续到过冷度达到极限值时，气体中的水蒸汽才会突然凝结，并在短时间内成核形成大量微小的液滴。而后，随着膨胀过程继续进行，水蒸汽分子不断在这些微小液滴表面凝结，液滴尺寸不断生长。

超音速喷管或者超音速喷管中的某一段为Laval喷管。其由一定形状的渐缩渐扩喷管组成，这种结构可使气体压力降低至临界值以下，从而得到超音速的气流。当喷管的入口滞止压力P0为定值时，喷管出口背压的变化会显著影响其工作特性。随背压的变化Laval喷管中气体的流动会呈现出四种不同的特性[4]。

3 不同脱水技术的对比

将天然气超音速分离器与J-T阀及透平膨胀机进行热力学比较[5]。以上三种脱水方法的出口压力（即外输压力）均相同。J-T阀是等焓绝热过程，其效率最低。透平膨胀机的等熵效率约为85%，其进入相包络线明显要深一些，因此需要使用二次压缩机将气体处理至出口压力的要求。与以上两种方法相比，超音速分离器的等熵效率接近90%，其进入相包络线最深，对于给定的压降条件能达到较低的温度，并且其无需转动部件，仅利用扩压管就可将气体压缩至所需的出口压力。因此从热力学的角度来分析，超音速旋流分离器更充分的利用了热力学原理，并成功的将理论上优势转化为天然气处理的实际应用。

4 总结

超音速分离器由于所处环境特殊且内部结构复杂，来流汽液混合物经旋叶后做三维螺旋流动，两相混合物的分布及运动、分离过程比较复杂，目前尚无可应用的纯理论公式进行相关计算。而分离器的稳定工作又直接影响到天然气脱水的经济性和可靠性。因此，有必要对分离器内部流场特点开展机理性分析研究，以便在当前核动力装置单机功率不断提高的情况下，汽水分离器的性能仍能达到以下基本要求：

（1）较高的汽水分离效率；

（2）较小的压降；

（3）良好的抗冲蚀性能。

在满足以上要求并结合前人研究成果的基础上，设计得到最优分离器从而达到使分离装置紧凑化、高效化的目的。

[1]何策，张晓东.国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势[J].石油机械，2008，36（1）：69·73.

[2]谢滔，宋保建，闫蕾，等.国内外天然气脱水工艺技术现状调研[J].科技创新与应用，2012（8Z）：48～49.

[3]陈 珊，陈 舟，卢 华.高含硫天然气的矿场脱水[J].油气田地面工程，2011，30（2）：58～61.

TE86

A

1004-7344（2016）35-0306-01

2016-11-28

于 鑫（1987-），男，汉族，山东潍坊人，助理工程师，硕士，主要从事汽轮机、发电技术监督、优化调整、性能验收考核试验等工作。