摘 要：在拉伐尔喷管等理论分析基础上，获取了一些有助于高速气流实验型分离器结构设计的理论、方法、思想，设计出一种高速气流实验型分离器内侧结构，收缩管最大内径为150mm，喉管内径为48mm，分离膨胀管内径为50mm，分离管最大内径为60mm，扩散管最大内径为150mm。此结构从理论上能够实现天然气超音速低温控制天然气中水露点、烃露点，这解决了高速气流实验型分离器研究中一大难题。

　　关键词：分离器;超音速;天然气;脱水;结构设计;理论研究

　　Abstract:On the base of analysis of Laval nozzle and other theories，access to some helpful theory,methods and ideas of the structure design of high speed airflow experiment-type separator,design a kind of inner structure of the separator,whose shrink pipe’s largest inner diameter is 150mm,whose throat pipe’s inner diameter is 48mm,whose separation expansion pipe’s inner diameter is 50mm, whose separation pipe’s largest inner diameter is 60mm,whose diffusion pipe’s largest inner diameter is 150mm.This structure can realize theoretically natural gas supersonic speed and low temperature to control its water dew point and hydrocarbon dew point,this has solved a big difficult problem in the research of high speed airflow experiment-type separator.

　　Key words:Separator;supersonic;natural gas;dehydration;structure design;theory research

　　一、前 言

　　高速气流实验型分离器分离过程是一个基于拉伐尔喷管技术、超音速技术和旋流分离技术协同作用的不需加热和任何化学试剂的新型物理过程。天然气开发和利用是未来我国能源工程中新的课题。据资料预测，在不久的将来，我国对天然气的需求则以年15%的速度增长，这意味着更大的天然气工程需求。因此，开展天然气超音速脱水技术研究非常必要和有意义。本文主要是在拉伐尔喷管等理论基础上进行该分离器的结构设计理论研究。

　　迄今为止，国内还没有高速气流实验型分离器(即超音速分离器)成熟技术。与传统制冷设备相比，高速气流实验型分离器不仅比等焓节流膨胀制冷的J-T阀效率高，而且还比等熵膨胀的膨胀机制冷的效率高;另外，高速气流实验型分离器有较强的解决天然气输送的水露点、烃露点控制问题的能力。因此，研究高速气流实验型分离器脱水技术很有必要。本文主要是在拉伐尔喷管等理论基础上进行该分离器的基础研究。

　　二、高速气流实验型分离器分离原理

　　高速气流实验型分离器分离原理是当饱和气体流经拉伐尔管道时，其流速可由原来的亚声速加速到声速;之后，声速气流流经截面积逐渐扩张的管道时，其速度被加速至超音速，温度迅速降低;超音速气流再经分离翼改变其流动方向，由离心力作用，粒径大的液滴被甩到管道内壁后汇聚流出，而分离后的干气流则由扩散管排出，其出口压强为入口压强的65%～70%。

　　三、高速气流实验型分离器的生产应用流程

　　该分离器工作流程如图1所示，由油气井、气井来的天然气经气体冷却器冷却后，经过干气装置到达初分离器，初分离器用以除去产出液，防止旋流分液管入口气流中带有液滴和固体颗粒。再经二次分离器组，即在超音速旋流分液器中经过一系列膨胀、降温、气-液分离和再压缩等处理过程，将气流中的水和重烃组分分离，滑脱气由液体除气装置进行回收，与主流干气汇合后一起外输。外输的干气到达干气装置再到用户。而二次分离后的液气混合物经液体沉降分离器，利于柱状分离器原理，混合物在重力、离心力和浮力作用下，将混合物中的天然气彻底分离出去，并且将液态水和液态杂物完全

　　图1 高速气流实验型分离器的生产应用流程图

　　分开。初分离器产出液态水和柱状分离器产出液态水可以经净化后排入海洋，也可与液态杂物或凝析液经由单独的凝析液输送管线输出。

　　四、高速气流实验型分离器结构设计方案流程

　　(1)结构设计方案流程的拟定：

　　通过前期对高速气流实验型分离器的国内外发展现状、特点、优点、分离原理分析，三种制冷方法比较以及下文在假定的流体初始条件下所进行的结构设计计算分析，拟定出如图2所示的该分离器结构设计方案流程。

　　图2 高速气流实验型分离器结构设计方案流程

　　(2)结构设计方案分析：

　　结构设计方案必备“三要素”即“结构(必备两大功能)”、“实验”和“分离效率”。“两大功能”就是分离介质做超音速流动和旋流离心运动(前者由拉伐尔管的马赫数、截面面积比及气流出进口压强比等来决定，后者由分离翼来实现。而此拉伐尔管、分离翼是可以设计的，气流出进口压强比是可以人为控制的)，“分离效率”是“一个核心参数”，也就是说，“设计从分离效率着眼，从满足分离介质运动特性入手。”但是，分离效率计算公式与分离器结构几何和尺寸没有直接联系，换句话说，设计出的分离器结构不能直接评价其分离效率的高低。可是，其两者之间有必然的间接联系，即“结构——实验——分离效率”。可见，要想设计出理想实用的分离器(分离效率理想)，其结构设计是必做的基础研究内容。因此，本文的研究思路就是围绕“结构设计——模拟实验——分离效率”展开的。

　　五、高速气流实验型分离器的结构设计思想及计算

　　(1)产生超音速气流的条件：

　　一是管道截面形状在亚声速段上应是收缩管，在超声速段上应是扩张管，而以声速处截面积为最小[1,2]。如下图3所示，管道先收缩后扩张是产生超声速气流的必要的几何条件。二是要产生超声速气流，还必须在上、下游有足够的压力差[2]。否则也不可能。

　　图3 高速气流实验型分离器结构设计简图

　　1——饱和气体，10MPa，20℃;2——气体膨胀;3——气体分离;

　　4——收集液体+少量气体，7MPa;5——干气，7MPa

(2)求解的有关给定条件：

　　如图3所示，在气流入口1的位置时，有饱和空气，10MPa，20℃;在气流通过喉管(声速最小截面位置)达2的位置时，待分离气体膨胀;在3的位置，饱和空气开始分离;在4、5位置，分为分离后的液体加少量气体、干气，其压力均为7MPa。

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