[精品论文]新型天然气超音速脱水净化装置的现场实验研究.doc
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1、精品论文新型天然气超音速脱水净化装置的现场实验研究蒋文明 1,刘中良 1,刘恒伟 1,张新军 2,张健 21.北京工业大学环境与能源工程学院,北京(100022)2.中国石化胜利油田有限公司规划设计研究院,山东东营(257026)E-mail:liuzhl摘要:为了克服现有天然气脱水技术的不足,基于气体动力学和传热传质学理论提出了一 种新型的天然气超音速脱水净化装置。本文介绍了其基本结构和分离机理,并对装置进行的工业中试实验结果进行了分析研究。研究发现经过本脱水装置的处理,进出口天然气露点降最大可达 35以上,最小达 10以上,取得了良好的脱水效果,表明本装置可以用于天然 气净化脱水及轻烃回收
2、。关键词:超音速;旋流;天然气脱水;露点 中图分类号:TQ021.2文献标识码:A在天然气中由于水汽的存在,降低了单位气体体积的热值,减少了管道的有效流通面积, 降低了管线的有效输送能力,而且在一定条件下会与天然气中的重烃组分形成天然气水合 物,堵塞管路系统,严重影响安全生产1-4。所以,在天然气进入输送管道系统前,必须除 去其中的水分、重组分碳氢化合物等物质。传统的脱水净化装置存在处理量小,设备所占空 间大,投资高,要消耗机械功,设备维护工作量大等缺点。因此,有必要开发一种新的天然 气脱水净化技术,以满足当前天然气处理工业的市场需求。利用气体动力学、传热传质学相关理论知识,研究开发了一种全新
3、的天然气超音速脱水 净化装置超音速分离管。与传统天然气脱水装置相比,该装置具有结构简单、无运动部 件、无泄漏、免维护、环境友好等优点。继成功地开发了分离管结构设计软件和顺利地进行 了大量室内实验5之后,近日,又进行了超音速分离管的工业中试实验研究,取得了理想的 结果。实验结果表明,设计制造的分离管,具有良好的脱水净化效果,可以用于天然气净化 脱水及轻烃回收。1. 装置结构及超音速脱水净化原理分离管结构如图 1 所示6。分离管主要由以下三部分组成:(1)Laval 喷管:用来产生低温 和超音速;(2)旋流器:相当于一台气液旋风分离器,用以产生高速旋流,以获得较大的离心力;(3) 扩压管:相当于一
4、台压缩机,用以降低气流速度,恢复一部分压力。图 1 分离管结构示意图1.Laval 喷管 2.旋流器 3.扩压管 4.湿气进口 5.干气出口 6.液体出口*本课题得到国家自然科学基金项目(NO.50676002)、教育部高等学校博士学科点专项科研基金(NO.20040005008)、北京市拔尖创新人才选拔计划(2006)的资助。- 6 -首先,天然气通过 Laval 喷管后,其温度和压力急剧下降、速度急剧增大,致使气流中的水分和天然气中的重组分迅速凝结成液滴,成为典型的气液混和物,并在 Laval 喷管出口 处达到超音速(马赫数高达 1.53)。超音速流体(液气混合物)进入旋流器后,产生高 速
5、旋转,形成的液滴在强大的离心力(高达 300,000g)的作用下被甩到管内壁面上,形成 一层很薄的液膜,从而实现气液分离。分离出来的液体由液体出口流出分离装置,除去水分 的“干气”则进入扩压管。在扩压管内,气流的速度降低,温度和压力升高7,恢复一部分压力(出口压力为分离管入口压力的 60%85%)。 超音速分离管具有设备结构简单,占地面积小,重量轻,无运动部件,无需消耗任何外部动力,免维护,运行成本低,不会形成天然气水合物,无泄漏,无污染等传统天然气除湿与净化分离技术无法比拟的优点。而且与传统的通过天然气自身压力膨胀降温的制冷设备J-T 阀和膨胀机相比,在相同压差情况下,分离管可使天然气产生更
6、大的温降。2. 中试环境分离管装置的中试实验选在胜利油田的海五联合站。海五联合站地处渤海岸边,主要进 行海上天然气的中转和初步处理工作,处理能力为 11104Nm3/d。全站三台压缩机组交替运 转,压缩机进口压力为 0.4MPa,出口压力为 3.8MPa。为了不影响原系统的正常运行,分离 管设计处理量为 2.25104Nm3/d,经分离管处理后的天然气再返回压缩机入口。3. 实验系统1系统来气管(接压缩机出口管线)2一次分离罐3分离装置 4干气出口5湿气出口6二次分离罐 7混和气总出口(接压缩机进口管线) 8分离出的水和液烃汇管(接天然气排污管线)图 2 分离管装置实验流程图图 2 为分离管装
7、置的中试实验流程简图,工质为从压缩机出口引入的压力为 3.8MPa 的 压缩湿天然气。从压缩机出口出来的湿天然气被导入一次分离罐进行初步分离,然后进入分 离管装置,从分离管装置出来的湿气再经二次分离罐进行二次分离后与从分离装置出来的 “干”气混和进入压缩机组入口。在分离管装置入口处和二次分离罐气体出口处分别设有智能旋进流量计,精度为1.5,用以测量气体流量。在分离管装置入口、分离装置干气出口、二次分离罐气体出口、混 和气总出口处设有取样点,对四点的气体进行温度、湿度、压力的集中测量。在测量区有温 湿度传感器,进行温度和湿度的测量,从而计算出露点;压力表测量精度为0.4,用来测 量当地的压力。在
8、分离管装置干气出口、二次分离罐气体出口处设有自力式调节阀试图满足下述功能要 求:一是用于改变分离装置干气出口背压,来测定不同压力下装置的脱水性能与参数变化;二是用于改变混和气总出口处的背压,来测定不同压力下装置的脱水性能与参数变化。4. 实验方案为了测试分离管的本身性能和系统的整体性能,中试分两步进行: 第一、保持分离管入口参数不变,调整干气出口背压,测量分离管入口、干气出口、二次分离罐出口、混和气总出口处的压力、温度、相对湿度参数以确定不同压损比 下分离管的工作性能。第二、保持分离管入口参数不变,调整混和气总出口背压,测量分离管入口、干气出口、 二次分离罐出口、混和气总出口处的压力、温度、相
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