0 引言

超音速分离技术是天然气脱水和脱烃技术的重大突破，超音速低温分离装置具有温降大、一次性分液、分离效率高、体积小、工艺简化、能耗低和绿色环保等特点^[1-2]。美国、荷兰、俄罗斯、德国、英国、法国、意大利、挪威和澳大利亚等国已经开展了超音速脱水技术的研究和应用。壳牌公司利用超音速脱水技术研发的Twister超音速分离管已经在马来西亚海上平台的脱水系统中应用^[3-4]。俄罗斯从1996年开始对超音速分离技术进行研究，并建立了天然气日处理量为30万m³的工业性试验装置，对超音速分离装置的各项技术性能进行了验证。

中国石油大学、北京航空航天大学、北京工业大学、胜利油田、西安石油大学和西南石油大学等针对超音速分离技术相继开展了大量研究工作。近年来，大连理工大学和长庆油田等也开展了一些研究工作。北京金都源泉科技发展有限公司于2006年与俄罗斯ENGO合作，引进了3S超音速分离器技术。该技术在很大程度上解决了天然气的脱水问题，是天然气脱水技术发展的主要方向之一，但其不足之处是适应性较差。国内有关超音速分离技术的研究包括理论、室内试验、工艺模拟、海上平台试验和检测等，并对国内超音速分离技术工业化的可行性进行了验证^[5-11]。北京工业大学研发了一套湿气再循环超音速分离管。气体通过该装置内的再循环口循环后流入直管段内，能将残留在气体中的液体和烃类有效地分离出来，降低湿气含量，提高出气口的干气含量。再循环口和再循环腔可以将气体进行循环分离，从而提高分离效率。为了对该装置的脱水性能进行系统全面的研究，加工了1台再循环超音速分离装置，并搭建了室内试验台。

1 试验研究 1.1 分离管基本结构

湿气再循环超音速分离管主要包括Laval(拉伐尔)喷管、再循环分离腔、直管段、旋流器和扩压管^[12]，结构如图 1所示。

1.2 试验系统

试验系统的压缩机为Atlas Copco公司生产的GA30CP-10型全封闭低噪声螺杆式空气压缩机，其额定功率30 kW，最大工作压力1 MPa，排气量4.22 m³/min，工质为压缩湿空气。

室内试验系统如图 2所示。由图可见，从压缩机出来的空气进入加湿器加湿，然后进入湿气再循环超音速分离管，分离出来的液体(带有部分湿空气)被导入一个二次分离罐进行二次分离，除去水分的干气进入稳压罐，从稳压罐出来的干气与二次分离罐出来的干气混合后排入大气中。

1.3 试验方法

开启压缩机，保持装置入口压力为设计压力，等整个系统达到稳定状态后，调整分离管干、湿气出口压力，观察再循环超音速分离管的各项工作性能参数，并由数据采集计算机进行记录。

保持分离管入口压力为设计工况压力，调整干气出口背压，从而改变压损比。湿气出口压力随干气出口压力变化而变化，测量再循环分离管入口、干气出口和湿气出口的压力、流量、温度、露点温度及相对湿度，以确定不同压损比对分离管工作性能的影响。

2 试验结果与分析

为了叙述方便，定义了露点降和压损比。露点降为分离管入口气体露点与干气出口露点的差值，它反映了分离管的工作性能^[13]，该值越大，说明其脱水深度越深。压损比为分离管的压力损失与入口压力的比值，压损比越小，说明装置的压力损失越小。压损比是分离管最重要的性能参数之一，反映了分离管的压力特性^[14]。

2.1 设计工况下分离管的脱水性能分析

分离管进、出口压力随压损比变化曲线如图 3所示，保持分离管入口压力为0.7 MPa，调整干气出口以改变压损比。测量分离管入口、干气出口和湿气出口的压力、温度、流量、相对湿度及露点温度，以确定不同压损比对分离管工作性能的影响。

试验结果表明：再循环超音速分离管能够在试验工况下稳定工作，当压损比为0.28时，露点降为8.52 ℃；干气出口露点最低可达-1.68 ℃；露点降最大可达28.12 ℃，压损比为0.81。

在设计工况下，当压损比为0.71时，超音速旋流脱水装置的空气露点降为18.00 ℃^[14]，另一种低流动阻力超音速分离装置的空气露点降为19.80 ℃，而再循环超音速分离管可以达到的空气露点降为21.13 ℃；当压损比为0.81时，再循环超音速分离管露点降最大达到28.12 ℃。

根据文献[1-16]可知，目前国内外研发的超音速分离管最大露点降尚未高于27.50 ℃，而再循环超音速分离管可以获得更高的露点降28.12 ℃，说明再循环超音速分离管具有更好的脱水分离性能。

2.2 压损比对脱水性能的影响

图 4为再循环超音速分离管进、出口露点温度随压损比变化的曲线。由图可见，随着压损比的增加，再循环分离管入口的空气露点温度基本保持不变。干、湿气出口的露点温度随压损比的升高而降低，而且下降得较快。压损比越大，干、湿气出口露点的温度越低。因此，干、湿气出口的露点温度受压损比影响很大。

图 5为分离管进、出口露点降随压损比变化的曲线。由图可知，干气出口露点降随压损比的增大而增大，压损比越大，露点降越大。

由图 4和图 5可知，压损比只对干气出口露点温度有很大影响，若想获得较大的露点降，则在允许的范围内适当增大压损比是一条有效途经。因此压损比是决定再循环超音速分离管脱水性能的关键因素。

2.3 入口流量对分离性能的影响

由于超音速分离管内部包含Laval喷管，所以必然存在一个临界流量。由空气动力学和热力学理论可知，如果通过分离管的流量保持不变，并且与压损比无关，则说明通过分离管的流体处于临界状态并达到临界流量^[13-17]。

图 6为入口流量随压损比变化的曲线。由图可知，当压损比在0.28~0.81之间时，再循环分离管入口流量保持不变，并且与压损比无关，在再循环超音速分离管内达到了临界流量，说明入口流量对分离管的分离性能影响不大。

如果湿气通过Laval喷管喉部时没有达到临界流量，超音速分离管就不能产生足够的温降形成液滴，从而不能有效地进行气液分离。因此，保持气流在Laval喷管喉部处于临界状态，并且达到临界流量是保证超音速分离管具有良好脱水性能的必要条件。

2.4 温度对分离性能的影响

进、出口温度随压损比变化的曲线如图 7所示。从图可以看出，当压损比在0.28~0.81之间时，进口温度和干气出口温度基本相等，说明湿气经过再循环超音速分离管后，干气出口温度完全恢复到入口温度；干气出口温度与入口温度有关，与压损比无关；湿气出口温度随压损比的增大逐渐降低；湿气出口的温度低于入口温度和干气出口温度，说明在再循环超音速分离管湿气出口处可以得到低温的湿气。

2.5 相对湿度对分离性能的影响

进、出口相对湿度随压损比变化的曲线如图 8所示。从图可以看出，当压损比为0.28~0.81时，再循环超音速分离管入口湿空气的相对湿度基本不变，干、湿气出口相对湿度随压损比的增大而降低，而且下降得较快；压损比越大，干、湿气出口相对湿度越低。因此，干、湿气出口的相对湿度受压损比影响很大；湿气出口的相对湿度高于入口和干气出口湿度，说明在再循环超音速分离管湿气出口处可以得到低温的湿气。

2.6 湿气出口压力对分离性能的影响

保持入口压力0.7 MPa，干气出口压力0.2 MPa，即保持压损比为0.714 3不变，调节湿气出口压力(从0.17 MPa到0.35 MPa)，得到进、出口压力随湿气出口压力变化的曲线，如图 9所示。

进、出口露点降随湿气出口压力变化的曲线如图 10所示。由图可见，随着湿气出口压力的增加，进、出口露点降逐渐减小，但减小得很少。这说明湿气出口压力对再循环分离管的分离性能影响很小。如果想要获得较大的进、出口露点降，就可以降低湿气出口的压力，但效果不明显。

3 结论

(1) 由试验可知，当压损比为0.81时，再循环超音速分离管最大露点降可以达到28.12 ℃。相比已研发的超音速分离技术，在相同压损比下，再循环超音速分离管可以获得更高的露点降，说明其具有更好的脱水分离性能。

(2) 压损比是决定再循环超音速分离管脱水性能的关键因素，在允许范围内适当增加压损比是提高再循环超音速分离管脱水性能的有效途径。

(3) 保持气流在分离管内部的Laval喷管喉部处于临界状态，并达到临界流量是保证再循环超音速分离管良好工作性能的低限要求，否则会降低装置的脱水性能。

(4) 湿气出口压力对再循环分离管的脱水性能影响很小。如果想要获得较低的露点或较大的露点降，则可以降低湿气出口压力，但效果不明显。