【正文】 超音速分離器應(yīng)在一定條件下工作，以避免凝結(jié)過程對超音速分離的影響。 依據(jù)相變理論、氣體動力學(xué)理論建立了描述有相變噴管中天然氣高速流動的數(shù)學(xué)模型。 提出了超音速分離器設(shè)計方法，并利用 OLE 技術(shù)對 Visual Basic 、 HYSYS、 MATLAB 進(jìn)行連接，充分利用 Visual Basic 強大的界面設(shè)計能力、 HYSYS 準(zhǔn)確的物性計算能力和 MATLAB 強大的圖形處理技術(shù)對拉瓦爾噴管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 介紹了超音速分離器的工作部件組成、工作原理及工作流程。超音速分離器對環(huán)境無污染、操作維護(hù)方便、無移動部件、利用自身能量、運行和操作費用低，該技術(shù)與常規(guī)處理工藝技術(shù) 相比可使總成本減少 25%以上。這些方法存在著設(shè)備龐大、投資高、能耗大，可造成一定的環(huán)境污染、運行維護(hù)費用高等缺點。 熱能工程 (專業(yè) ) 天然氣脫水脫烴是天然氣進(jìn)入輸送管道前進(jìn)行集中處理的一個非常重要的環(huán)節(jié)。 Author 作者單位 Author Agencies 北京工業(yè)大學(xué) 。在所開發(fā)成功的超音 ... 劉恒偉 。重點介紹了流體為高壓、多組分的天然氣時 ,采用 BWRS 實際氣體狀態(tài)方程作為計算的基本方程對噴管喉部尺寸設(shè)計的詳細(xì)過程。對超音速分離管的設(shè)計思路進(jìn)行了分析 ,得出了超音速分離管設(shè)計的一些基本原則。本文介紹了一種全新的天然氣脫水技術(shù) ——超音速分離管技術(shù) ,并首次對其進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的理論與實驗研究。所以常規(guī)方法在一定程度上都得到了廣泛的應(yīng)用。通過脫除天然氣中的水分 ,可以有效防止生成氣體水合物 ,避免堵塞管道閥門 ,減小管路壓降 ,從而保證安全生產(chǎn)?！?3S》以其工藝設(shè)備簡單、高效、經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點而受到普遍歡迎，必將在陸上和海上油氣田的開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。這不僅大大地簡化了脫水工藝流程、大大降低了脫水的操作費用，而且還解決了因排放天然氣脫除水可能帶來的環(huán)保問題。 該《 3S》裝置在不注入任何水合物抑制劑的情況下，保證了脫水后天然氣的輸出壓力為，以及保證了在該壓力下輸出 天然氣的水露點為 10℃ 。因此，對氣田天然氣的處理而言，只要求脫除其中的水分，以保證外輸天然氣的水露點。 計算結(jié)果表明，該裝置取得了非常好的經(jīng)濟效益。 圖 4. 3S 裝置回收油田伴生氣 NGL 流程 示例： 用《 3S》裝置處理 10104m3/d，壓力為 ，溫度為 20℃ 的某油田伴生氣，氣體分子百分組成如下： 組分 C1 C2 C3 C4 C5 C6+ 合計 含量， % 100 注：伴生氣中含飽和水 該《 3S》裝置 每日可回收 NGL 約 30t，輸出商品氣的水露點和烴露點為 33℃ (在 壓力下 )。采用《 3S》進(jìn)行回收，具有工藝設(shè)備簡單、效率高、安全、可靠、經(jīng)濟效益好等諸多優(yōu)點，是十分理想的回收設(shè)備。 從已經(jīng)取得的成果足以表明：《 3S》用于石油天然氣處理、加工領(lǐng)域，具有很高的運轉(zhuǎn)安全性和可靠性，并能獲得很好的經(jīng)濟收益，是非常適合陸上和海上油氣田，在各種不同場合使用的天然氣脫水、脫烴設(shè)備。 無廢水、廢液排出，因此對環(huán)境無影響。 本身無消耗，因此運行成本低。 無轉(zhuǎn)動部件、系屬靜設(shè)備，因此運轉(zhuǎn)更加安全可靠。 能耗低 與 JT 閥制冷相比，在 NGL 收率相同的情況下，《 3S》減少壓縮機電力消耗 5070％；用《 3S》代替膨脹機，在 NGL 收率相同的情況下，可減少 1520%的壓縮功率。因此，《 3S》不僅比等焓節(jié)流膨脹制冷的 JT 閥效率高，而且還比等熵膨脹的膨脹機制冷的效率高。而且還可以在工作段壁體上打孔回收液體。例如：進(jìn)口壓力為 10Mpa，溫度為 20℃的天然氣，在《 3S》中只需降低 1720%的壓力，就可使出口天然氣的水露點和烴露點達(dá)到10℃ ；如果降低 2225%的壓力，就可達(dá)到 15℃ 的水露點和烴露點。在超音速噴管中不會生成水合物。由于天然氣溫度降低，其中的水蒸汽和 NGL 組分凝結(jié)成液滴，在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度和離心力的作用下，液滴被 ―甩 ‖到管壁上從而實現(xiàn)氣液分離。 二、 什么是《 3S》超音速分離器 《 3S》超音速分離器是基于天然氣旋流在超音速噴管內(nèi)絕熱膨脹降溫，分離 天然氣中的水分和天然氣液烴 (NGL)組分的一種新型、高效分離設(shè)備。 2020 年 9月，該公司第一套工業(yè)用《 3S》裝置在西伯利亞一座處理能力超過 4108m3/y 的天然氣工廠的低溫系統(tǒng)中成功投運，完成了從實驗研制到工業(yè)化應(yīng)用的整個過程，《 3S》技術(shù)及其 裝置的工業(yè)化設(shè)計已經(jīng)成熟并已經(jīng)在俄羅斯、美國、德國、意大利、法國、荷蘭、英國、挪威、澳大利亞、巴西等國和歐亞專利聯(lián)盟獲得專利。實驗裝置可以測量天然氣在《 3S》設(shè)備中不同點的流速、壓力和溫度。俄羅斯專家團(tuán)的研究人員對超音速 氣流中液滴的形成過程進(jìn)行了全面的分析研究，測定了液滴沿噴管徑向和軸向的分布，并開發(fā)了一種用光學(xué)方法測定液滴的技術(shù)，建立了超音速噴管的天然氣旋流的計算程序，反映了天然氣的固有屬性和過度階段的狀態(tài)。 除此之外，俄羅斯 ENGO 公司還在加緊進(jìn)行提高《 3S》裝置效率的實驗研究，未來，《 3S》將可用于天然氣液化、分離丙 烷 —丁烷（ LPG）、分離乙烷等。 以《 3S》為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備，如熱交換機、氣液分離器、冷卻機、蒸餾和精餾塔等，創(chuàng)造出了高效的 LTS（低溫分離）系統(tǒng)，可用于工業(yè)和天然氣加工廠，包括海上平臺的天然氣加工。 從已經(jīng)取得的成果足以表明： 3S 用于石油天然氣處理、加工領(lǐng)域，具有很高的運轉(zhuǎn)安全性和可靠性，并能獲得很好的經(jīng)濟收益，是非常適合陸上和海上油氣田，在各種不同場合使用的天然氣脫水、脫烴設(shè)備。 無廢水、廢液排出，因此對環(huán)境無影響。 本身無消耗，因此運行成本低。 無活動部件、系屬靜設(shè)備，因此運轉(zhuǎn)更加安全可靠。 能耗低 與 JT 閥制冷相比，在 NGL 收率相同的情況下， 3S 減少壓縮機電力消耗 5070％；用 3S 代替膨脹機，在NGL 收率相同的情況下，可減少 1520%的壓縮功率。 四、 3S 用于油氣田脫水、脫烴的優(yōu)勢 與傳統(tǒng)的、通過天然氣自身壓力膨脹制冷的脫水、脫烴方法相比， 3S 具有以下優(yōu)點： 效率高 發(fā)生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程，以及發(fā)生在擴散器中的減速、升壓、升溫過程，都是氣體的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換，不存在能量損失。 另外，在制冷溫度相同的情況下， 3S 具有更高的 NGL 收率，見圖 3. 圖 根據(jù)不同用途， 3S 還可以采用次音速或超音速連接口，可采用不同的旋流器和擴散器。 天然氣流在擴散器內(nèi)壓力回升，使 3S 進(jìn)出口壓差小于超音速噴嘴的進(jìn)出口壓差，因此 3S 與傳統(tǒng)的、通過天然氣自身壓力膨脹降溫的制冷設(shè)備 (JT 閥和膨脹機 )相比，在相同壓差情況下， 3S 可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降見圖 2. 圖 更大的溫降就能使天然氣有更低的水露點和烴露點。然后，液體通過專門設(shè)計的工作段出口流出，氣體則進(jìn)入擴散器，減速、增壓、升溫后流出。 3S 由旋流器、超音速噴嘴、工作段、兩相分離器、擴散器和導(dǎo)向葉片等組成，其結(jié)構(gòu)見示意圖 1. 圖 .1 3S 超音速分離器結(jié)構(gòu)示意圖 三、 3S 的工作原理 3S 的工作原理是，天然氣首先進(jìn)入旋流器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生加速度為 106m/s2 的旋流，該旋轉(zhuǎn)氣流在超音速噴管入口表面的切線方向產(chǎn)生一個或多個氣體射流 (這種有選擇性的噴射可以對 3S進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 )，并在噴管內(nèi)降壓、降溫和 增速。國際專利組織已向這些國家正面推薦使用 3S技術(shù)。用了近 4 年的時間，在不同溫度、壓力和不同天然氣氣體組分的條件下，對 3S 設(shè)備進(jìn)行了 400 多次測試，包括對次音速、近音速和超音速分離狀況的測試，取得了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，并驗證了 3S設(shè)備的設(shè)計計算模型。 該公司在俄羅斯建立了天然氣日處理量為 30104m3()的工業(yè)性實驗裝置，還在國外建立了天然氣日處理量為 110104m3(9kg/s)的更大的工業(yè)性實驗裝置，對 3S 裝置的各項技術(shù)性能進(jìn)行驗證。 一、 3S 超音速分離器的研制 3S 設(shè)備的研究和測試始于 1996 年。目前， 3S 具有解決天然氣工業(yè)下列問題的能力： — 天然氣脫水，解決天然氣輸送的水露點控制問題； — 分離油田氣中天然氣液烴（