CN101700456B - 激波可控超音速气体除湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种激波可控超音速气体除湿装置，气流在入口处经过导流叶栅时产生强力旋转，随后通过缩、放的环形通道膨胀加速到超音速。中心蜗杆的末端为激波压缩区，在该区超音速气流经过斜激波和正激波的压缩减速到亚音速。液滴在亚音速段继续长大并在离心力作用下运动到管道外侧最后进入集液腔由排液口排出；干气则进入排气腔由排气口排出。本发明设计了激波压缩区把液滴生长区分为超音速区和亚音速区两部分，并通过优化两部分的长度有效缩短了管道的总长度，进而减小了气流与管道相互作用引起的摩擦阻力损失；该激波压缩区的激波形态设计为斜激波+正激波，减弱了单道激波的强度，从而既减小了激波阻力损失又避免了强激波诱导的附面层分离。

Description

激波可控超音速气体除湿装置

技术领域

本发明涉及气体除湿技术领域，具体涉及一种天然气处理领域的除水、除重烃的激波可控超音速气体除湿装置。

背景技术

天然气是一种高效、洁净能源，然而开采出来的天然气含有很多杂质，为了满足输送和使用的要求必须除去其中的水蒸气和重烃。目前国内天然气集输系统采用的脱水技术主要有：长庆油田的三甘醇脱水系统、西南油气田的J-T阀低温分离系统、大庆油田的透平膨胀机脱水系统、塔里木气田的分子筛脱水及低温分离系统，这些技术设备不但结构复杂而且运行成本高。相比之下，超音速天然气除湿装置无需化学药剂和人员值守，结构简单、制造、运行成本低，而且利用天然气的进口余压工作，可以显著节能；尤其当进口压力大于7MP时，与J-T阀脱水系统和膨胀机脱水系统相比，超音速脱水装置更具技术优势和经济优势。

针对我国的具体情况，在气温较高的地区，超音速除湿装置可以替代传统的脱水系统，经过其处理后，天然气的水露点可满足外输的要求；对于气温比较低的地区，超音速除湿装置在气温较高的季节也可以完全替代传统的脱水系统，在低温季节，它可以作为传统脱水系统的预脱水系统，这样便大大减小了传统脱水系统的载荷，从而减少投资和运行费用。

壳牌石油公司率先在超音速除湿领域开展了系统的研究，其与Beacom风险投资公司合资成立的Twister BV负责该项技术的商业推广应用。到目前为止，Twister BV已经在该领域公布并推广了三项重要技术成果：Twister BV的第一代超音速旋流分离器是利用大后掠角三角翼的诱导产生旋流。由于三角翼安装在超音速段，所以激波损失和摩擦阻力损失较大。而且三角翼的存在使得流场很不均匀，凝结和分离效率不高。Twister BV的二代产品Twister^TM采用了在入口加导流叶栅引导旋流的方式，俄罗斯的3-S超音速分离装置也采用了同样的方案，该技术已得到国际专利组织的推广。Twister BV最新公布的产品Twister SWIRL Vale是一种改进的J-T阀，可以在控制流量和压力的同时改进下游分离器的分离效率。

据公开发表的资料，国内的中国石油大学(华东)、北京工业大学、江汉石油机械研究所三家单位都完成了初步的数值模拟和现场试验，但其所采用的都是三角翼诱导旋流方案；大连理工大学采用均相模型对入口旋流方案进行了数值模拟，但未见其公布相关的试验结果；西安交通大学在长庆油田公司的持续资助下，对三角翼诱导旋流和入口旋流两种方案从数值模拟和现场试验两个方面进行了系统的研究，先后申报了多个国家发明专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用激波控制技术，能有效的降低压力损失并且提高分离效率，在大流量时其优势尤为显著的激波可控超音速气体除湿装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括带有入口的入口段、渐缩段、等直段和扩张段组成的管道，在管道的入口段设置有带导流叶栅的中心蜗杆，带导流叶栅的中心蜗杆与管道之间形成环形通道，并且沿流动方向该环形通道的流通面积先收缩在喉道处即渐缩段与等直段的交接处达到最小，其值为A_t，过喉道之后即进入等直段后扩张，最后在中心蜗杆的末端的激波压缩区再次收缩，此处的最小流通面积是A，在壳体的扩张段内设置有集液器，集液器与外壳之间形成集液腔，并且该集液腔上开设有排液口，集液器的中心开设有排气通道，旋流回收叶栅安装在此通道内，通道的出口为。

本发明的中心蜗杆的末端扩张角2°＜β＜8°；激波压缩区的最小流通面积与喉道流通面积的关系为1.1A_t＜A＜1.5A_t，长度L1、L2分别满足0.5D＜L1＜D，6D＜L2，其中，L1为激波压缩区等值段的长度，L2为中心蜗杆末端到等直段末端的距离，D为等直段的内径。

本发明中心蜗杆的末端为激波压缩区，使得其下游为亚音速流场。一方面，亚音速流场因为其速度较低，所以只需较短的管道即可为液滴长大提供充分的时间，即减小了管道总长度，从而有效的降低了摩擦损失；另一方面，由于亚音速流场可以把下游集液腔对流场造成的扰动传向上游从而使流场做出调整，所以集液腔入口处流动通畅、气液分离效果好。本发明在激波压缩区采用了斜激波+正激波的压缩方式，减弱了单道激波的强度，既有效的降低了一次压缩过大引起的激波阻力损失又避免了强激波诱导的附面层分离。基于以上独特的设计，本发明压力损失小、分离效率高，在大流量工况下优势尤为显著。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明激波压缩区的结构示意图；

图3是本发明中心蜗杆2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，2，3，本发明包括带有入口5的入口段1-1、渐缩段1-2、等直段1-3和扩张段1-4组成的管道1，在管道1的入口段1-1设置有带导流叶栅2-1的中心蜗杆2，带导流叶栅2-1的中心蜗杆2与管道1之间形成环形通道，并且沿流动方向该环形通道的流通面积先收缩在喉道6处即渐缩段1-2与等直段1-3的交接处达到最小，其值为A_t，过喉道6之后即进入等直段1-3后扩张，最后在中心蜗杆2的末端的激波压缩区7再次收缩，此处的最小流通面积是A，在壳体1的扩张段1-4内设置有集液器3，集液器3与外壳之间形成集液腔8，并且该集液腔上开设有排液口9，集液器的中心开设有排气通道，旋流回收叶栅4安装在此通道内，通道的出口为10，中心蜗杆2的末端2-2扩张角2°＜β＜8°，激波压缩区7的最小流通面积与喉道流通面积的关系为1.1A_t＜A＜1.5A_t，长度L1、L2分别满足0.5D＜L1＜D，6D＜L2，其中，L1为激波压缩区等值段的长度，L2为中心蜗杆2末端到等直段末端的距离，D为等直段的内径。

气流从入口5进入，并在导流叶栅2-1的引导下产生强力旋转，由于环形流通面积的逐渐收缩，气流膨胀加速，在喉道处6达到音速，而后随着环形流通面积的扩张气流加速到超音速。在中心蜗杆2的末端2-2是激波压缩区7，超音速气流在斜激波和正激波的压缩作用下减速到亚音速。液滴在下游的亚音速段继续长大并在离心力作用下运动到管道外侧，最后液相进入集液腔8并由排液口9排出，气相进入集液器的排气腔并在旋流回收叶栅4的作用下把旋转动能转换为压力能，最后由排气口10排出。

下面以一个日处理量为40万标方的激波可控超音速除湿装置为例，对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

参照附图2，外壳内径为D＝30mm，L1＝0.6D＝18mm，L2＝8D＝240mmβ＝5°，A＝1.2A_t。

参照附图1，气流从入口5进入，在导流叶栅2-1的作用下产生旋转，随后由于环形通道的流通面积收缩，气流加速并在喉道处6达到音速；喉道之后流通面积扩张，气流达到超音速，温度大幅度降低，液滴开始凝结并长大。超音速气流到达激波压缩区7先后经过斜激波和正激波的压缩减速到亚音速，液滴在亚音速区继续长大，并且在旋流产生的离心力作用下运动到管道外侧。最后液相进入集液腔8并由排液口9排出；干气进入集液器中心的排气腔在旋流回收器4的作用下把旋转动能转换为压力能最后从排气口10排出。除湿过程完成。

Claims (1)

1.一种激波可控超音速气体除湿装置，其特征在于：包括带有入口(5)的入口段(1-1)、渐缩段(1-2)、等直段(1-3)和扩张段(1-4)组成的管道(1)，在管道(1)的入口段(1-1)设置有带导流叶栅(2-1)的中心蜗杆(2)，带导流叶栅(2-1)的中心蜗杆(2)与管道(1)之间形成环形通道，并且沿流动方向该环形通道的流通面积先收缩在喉道(6)处即渐缩段(1-2)与等直段(1-3)的交接处达到最小，其值为A_t，过喉道(6)之后即进入等直段(1-3)后扩张，最后在中心蜗杆(2)的末端(2-2)的激波压缩区(7)再次收缩，此处的最小流通面积是A，在管道(1)的扩张段(1-4)内设置有集液器(3)，集液器(3)与外壳之间形成集液腔(8)，并且该集液腔上开设有排液口(9)，集液器的中心开设有排气通道，旋流回收叶栅(4)安装在此通道内，通道具有出口(10)；所说的中心蜗杆(2)的末端扩张角2°＜β＜8°；所说的激波压缩区(7)的最小流通面积与喉道流通面积的关系为1.1A_t＜A＜1.5A_t，长度L1、L2分别满足0.5D＜L1＜D，6D＜L2，其中，L1为激波压缩区等值段的长度，L2为中心蜗杆2末端到等直段末端的距离，D为等直段的内径。

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