罗　璇，李智博，邹振春，谢冬梅

(承德石油高等专科学校 热能工程系，河北　承德　067000)

西部气田有井口压力高、含砂量大等特点[1]。由于西气东输在设计时的输送压力为10 MPa，天然气在长距离输送时压力损失会很大[2]，为了克服这些压力损失，保证输气正常运行，必须要每隔一段距离使用压缩机进行增压[3]。为了防止天然气开采及输送过程中夹带的少量沙粒、焊渣以及管道中产生的一些锈蚀类颗粒加速磨损压缩机等设备，天然气必须先经过除尘系统的净化处理，之后再进入压缩机。在天然气输气过程中对颗粒的净化采用的是两级净化系统，首先通过旋风分离器对天然气进行粗分离，然后通过过滤器等设备对小粒径的固体颗粒进行精细过滤[4]。一般的多管旋风分离器的设计前提是假设天然气是干燥的，没有考虑天然气输送过程会产生一定量的凝析油和游离水，这样使得多管旋风分离器在运行时产生了一系列影响安全生产的问题。因此，研究气体在较低含尘浓度的工况下天然气用旋风分离器同时分离液滴和固体颗粒时的分离性能是十分重要的。

1　国内外研究现状

目前，国内外许多学者已经对旋风分离器进行了大量的研究。孙福江和王永伟等针对常规旋风分离器进行了结构改进，并开发出了一种新型的气液旋风分离器[5]。中油辽河油田钻采工艺研究院的朱斌改进了气液旋风分离器的结构，并分别对优化结构前后的气液旋风分离器进行了数值模拟和实验验证[6]。吴小林等针对天然气净化用旋风分离器进行了气液分离性能的研究[7]。针对气液旋风分离器出口处存在复杂的液体被夹带的现象，S.Nagdew等通过数值计算的方法研究了气液旋风分离器的工作性能[8]。荷兰人TerLinden针对一台蜗壳式旋风分离器，在入口气速为10.7 m/s，入口压力为0的情况下，最早测出了旋风分离器的流场[9]。另外，在三相分离器的应用方面，胜利油田的桩1接转站通过技术改造，应用三相分离器技术解决了处理量小、设备工艺老化、自动化程度低的问题，取得了较好的效果[10]。

2　实验装置与实验方法

2.1　实验装置

单管旋风分离器粉尘加湿的三相分离实验装置如图1所示。实验过程中用到的测量装置包括Welas3000在线测量装置、加料器、毕托管风速测量装置和压差计等。实验使用的旋风分离器筒体直径为150 mm，采用轴向的进口结构，加料入口直径为70 mm，实验在常温下进行。实验室所用风机采用负压吸气方式，进口风速通过事先安装好在进气管道上的毕托管测定，风速控制通过改变安装在集气室与风机之间的阀门来进行调节。

实验中使用的固体颗粒为200目石英粉。实验所用主要的仪器的型号和规格见表1。

2.2　实验方法

实验前，先利用烘干机对200目石英粉进行2 h的烘干处理，使其内部所含水分被蒸发出去，粉尘含湿量(粉尘含湿量为湿粉尘中与干燥粉尘同时并存液体的质量与湿粉尘的质量的比值)为0；实验时，利用精密电子天平对一定质量的200目石英粉进行均匀加湿处理，通过对所加水分质量的控制实现将其含湿量调整到需要的数值。

表1　实验主要仪器型号及规格

在实验中，粉尘含湿量分别取8‰(通常情况下不进行加湿的粉尘的含湿量)、10‰、15‰、20‰、25‰和30‰，粉尘进口浓度分别取30 mg/m3、50 mg/m3、100 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3和500 mg/m3，进口风速可以通过利用毕托管并对风机的调节来进行控制，单管旋风分离器的进口风速分别取12 m/s、14 m/s、16 m/s和18 m/s(这是为了使本实验的工况条件更接近于天然气压气站现场进口风速在10～20 m/s的真实情况)。

实验时，利用测速毕托管并控制风机的阀门来调节进口风速，在某一特定工况下，利用Welas3000在线测量装置对特定进口浓度下分离性能的相关数据进行在线测量。

3　实验结果

3.1　粉尘含湿量对10 μm以上颗粒分离效率的影响

10 μm以上颗粒的分离效率如图2所示，图2a)、b)、c)、d)分别是进口风速为18 m/s、16 m/s、14 m/s 和12 m/s时不同含湿量不同进口粉尘浓度的10μm以上颗粒的平均分离效率以及上下的偏差值。

3.2　粉尘含湿量对10 μm以上颗粒在粉尘中所占比例的影响

10 μm以上颗粒在进口粉尘中所占比例的高低也会很大程度上影响粉尘整体的分离效率，因此对10 μm以上颗粒在进口粉尘中所占的比例的统计是十分必要的。

表2为不同含湿量情况下10 μm以上颗粒在进口粉尘中所占的比例，这其中有各个工况下的比例，还有相同粉尘含湿量、不同风速条件下10 μm以上颗粒在进口粉尘中所占的比例的平均值。

表2　含湿量对10 μm以上颗粒粒径分布的影响

4　结论

1)在进口风速相同、进口粉尘浓度相同的情况下，粉尘中10 μm以上颗粒的分离效率会随着含湿量的增大而增大，这个结果与粉尘总的分离效率的变化趋势是一致的，验证了粉尘分离效率随含湿量的增大而增大的变化关系。

2)10 μm以上颗粒在粉尘中所占比例是不随进口风速变化的，而是随着粉尘含湿量的变化而变化，粉尘含湿量增加，则10 μm以上颗粒在粉尘中所占比例也会相应的有所增加，并且增加幅度是随着含湿量增加而逐渐变小的。

参考文献：

[1]袁士义,胡永乐,罗凯.天然气开发技术现状、挑战及对策[J].石油勘探与开发,2005,32(6):1-5.

[2]Aili NB,Masoud Z R.Simulation of compressible flow in high pressure buried gas pipelines[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009(52):5751-5758.

[3]林泊成,周学深.西气东输管道增输压气站设置[J].石油工程建设,2007(12):16-19.

[4]张新国,金有海,高香锋.PIM-Ⅱ型旋风分离器在西气东输管道工程中的应用[J].石油化工设备技术,2010,31(2):11-13.

[5]孙福江,王永伟,张扬,等.新型高效离心式气液分离器设计与试验研究[J].石油矿场机械,2009, 38(10): 60-64.

[6]朱斌.气液分离器的结构优化[J].计算机仿真,2010, 27(1): 261-265.

[7]吴小林,熊至宜,姬忠礼.天然气净化用旋风分离器气液分离性能[J].化工学报,2010, 61(9): 2430-2436.

[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.

[9]A.J. Ter Linder.Investigation into cyclone dust collectors[J].Proc. Industrial and Engineering Chemistry, 1949,160(2): 233-240.

[10]邢力.三相分离器技术在桩1接转站的应用[J].承德石油高等专科学校学报,2009(3):23-25.