工业上应用于原料天然气脱水的工艺主要有3类：低温冷凝法、化学溶剂法和固体干燥剂法[1-2]。甘醇法是气田集输和净化厂广泛使用的天然气脱水方法；分子筛脱水则主要用在需要深度脱水的工况。低温冷凝法主要运用于可利用天然气的压能获取低温以达到所要求的水露点及烃露点的条件。在另一些情况下，它们虽然不是天然气脱水的主要方法，但也可作为辅助手段采用，因而低温冷凝法工艺是气田开发中应用非常广泛的水露点与烃露点控制工艺。
传统的低温冷凝法已经形成了比较成熟的脱水工艺，然而它们往往要采用多道工艺，如采用透平膨胀机通常需添加乙二醇和甲醇之类的化学药剂，此外还需要大型容器，而且操作工艺十分复杂，耗资巨大，成本和运行费用也很高。针对J-T节流膨胀阀制冷工艺存在的缺点，从1996年起，一些学者开始研究以超音速涡流管技术为基础的天然气低温处理系统。超音速涡流管分离技术，将膨胀降温、涡流式气/液分离、再压缩等工艺集于一个密闭紧凑的装置系统内完成。与传统工艺相比，该系统具有密闭无泄漏、无需化学药剂、结构紧凑轻巧、简单可靠、支持无人值守等优点，该技术与常规处理工艺相比，可使投资和运行费用减少10%~25%[3]。
超音速涡流管技术最初于1989年由Stork Product Engineering以空气旋流分离器的名义获得专利，并主要用在空调上。1996年，荷兰Groningen气田总工程师兼壳牌NAM开发和采油公司总工程师，即现任Twist项目主任接触到这一技术，并且预见到这一技术在处理天然气脱水方面的应用潜力。
从1997年起, 壳牌石油公司开展了天然气超音速脱水技术的研究，基础理论研究和数值模拟研究主要在荷兰的埃因霍恩科技大学等几所大学、Stork Product Engineering公司和Shell的研究机构中进行。Shell公司于2000年与Beacom风险投资公司合资成立了专门研究和推广这项技术的Twister BV公司[4-6]。
2001年，尼日利亚的实验装置开始运转，并且成功地将85×104 m3/d的天然气脱水到管线要求的标准，实验中水露点降低了22 ℃~28 ℃。第一个商业化的脱水系统于2003年12月在马来西亚的B11海上平台上安装，压力降达25%~30%，出口露点达10 ℃ [7]。在进行商业应用的同时，Twister BV公司也在对超音速涡流管的结构进行优化、改进，分别推出了第1代、第2代涡流管。
几乎与壳牌公司同步，天然气大国俄罗斯也组织专家团队对天然气超音速脱水技术进行了研究[8]，他们称该分离器为超音速分离器(Super Sonic Separator)，简称3S。
国内对超音速分离器的研究起步于近几年，北京航空航天大学、北京工业大学、胜利油田、中国石油大学、西安石油大学、长庆油田、西安交通大学和西南石油大学等单位都有不同程度的研究[9-14]。从研究内容上看，这些研究者的研究均基于Twister超音速翼涡流管，未能实现大的突破。西南油气田公司天然气研究院近年来也一直在关注该技术，进行了一系列室内试验和工艺模拟研究，侧线试验正在进行中。
超音速涡流管技术利用空气动力学和热力学的原理实现天然气脱水。与天然气开发过程中常用的节流膨胀阀类似，超音速涡流管分离器在本质上也是一种利用压力能转化为动能过程中产生的J-T效应进行低温分离的设备[15]。
典型的超音速涡流管分离器由拉瓦尔喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等构件组成[3, 9-14]，如图 1所示。在超音速涡流管分离器中，饱和湿天然气通过喷管绝热加速至超音速，其温度和压力将降低，在低温低压条件下，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态开始凝结，发生成核现象，同时液滴开始生长，形成气液混合物。然后，气液混合物在置于喷管后直管道中尾翼的作用下，形成强烈的旋流场，在流动中液滴在离心力的作用下旋流到管壁处形成一层液膜。居于管道中心处的气流变成干气，液膜沿管壁流动。最后，分离器将气流外层液膜与中心处气流分离，实现气体和凝析液的分离。然后干气流入扩压管压缩，减速升压。由于水滴在涡流管中停留的时间非常短，涡流管段的压力也很低，不具备形成水合物的条件。
荷兰Supersonic Gas Solutions公司与Shell Global Solutions International公司合作，从上世纪90年代中期就开始从事超音速涡流管制冷工艺技术的开发。第1代涡流管研制成功后，分别在荷兰(1998年)、尼日利亚(2000年)和挪威(2002年)等地的5处油气田现场，于规模为85×104 m3/d~850×104 m3/d的装置上完成了水露点控制和烃露点控制的工业试验。第1代超音速涡流管技术原理如图 1所示。该公司将此类利用超音速涡流管进行水露点和烃露点控制的设备，命名为Twister分离器。
其工作的过程如上述2节所述。分离后的干气体进入扩压器，气体速度逐渐降低，压力恢复到初始气体压力的65%~80%。
第1代超音速涡流管与常规的天然气脱水工艺相比，虽然有很大进步，但是也存在一定问题，主要有以下几点[11-12]：
(1) 由于分离叶片很小(薄)，气流对分离叶片的作用力比较大，分离叶片可能无法承受气流的作用力；
(2) 由于分离叶片产生的流场不均匀，使分离效果变差，导致分离器性能无法提高；
(3) 分离叶片处的流动损失比较大，导致分离系统的损失增大。
第1代Twister管可实现的干气露点偏高，难以满足大多数地区的露点要求。为克服第1代超音速涡流管技术的不足，壳牌石油公司对第1代Twister管的喷嘴、翼片环(vane ring)等结构又进行了改进，用先产生旋流后加速降温替代了第1代Twister管先产生低温加速后旋转分离的工作过程。2005年~2006年，Twister公司在荷兰格罗宁根Gasunie研究中心开展了第2代Twister管测试工作。2007年4月~8月在马来西亚B11海上平台进行了工业测试，在入口压力145 ×105 Pa条件下，保持原压降不变，其液体回收量提高为第1代管的3倍，出口干气水含量降低30%，噪音也有所降低。2008年，第2代Twister管在尼日利亚SPDC和巴西石油公司均有应用。
第2代超音速涡流管的基本组成部件有漩涡发生器、喷管、分离段、扩压器等。技术原理如图 2所示，它的重大改进主要反映在以下5个方面[16]：
(1) 改进后的分离器能形成旋转速度更高且更连续的涡流；
(2) 改进后的结构可以获得更高的气体加速度，从而可以缩短涡流管的长度；
(3) 提高了旋转速度，从而提高了分离段对液滴的离心力；
(4) 旋转速度的提高大大地改善了涡流管分离段分离液相水的效果，有效地防止其在扩散段发生再汽化；
(5) 改进后的结构使分离器的压降更低。
3S超音速分离器也是基于天然气旋流在超音速喷管内绝热膨胀降温来分离天然气中的水分和液态烃组分的一种新型、高效分离设备。1996年，俄罗斯ENGO公司专家团的研究人员开始对超音速分离器进行研究和测试。
3S由旋流器、超音速喷嘴、工作段、两相分离器、扩散器和导向叶片组成，其结构见示意图 3[8, 17]。
其工作原理是，天然气首先经过旋流器旋转，产生高速旋流，旋流气在喷管处降压、降温和增速。由于天然气温度降低，其中的水蒸气和液态烃组分凝结成液滴，在旋转产生的切向速度和离心力的作用下，液滴被“甩”到管壁上, 然后，液体及少量滑脱气通过专门设计的两相分离器出口流出，气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。
该公司在俄罗斯莫斯科州建立了处理量为30×104 m3/d的工业实验装置，还在加拿大卡尔加里附近建立了110×104 m3/d的工业实验装置，对3S装置的各项技术性能进行了验证。2004年9月，该公司第一套工业用3S装置在西伯利亚一座天然气工厂的低温系统中成功投运，处理能力超过140×104 m3/a。3S技术已经在俄罗斯、美国、德国等国和欧亚专利联盟获得专利[17]。根据3S的实验数据，在进出口压力比2.0时喷管进出口温度降可达到51℃。由于3S内的流体力学模拟以及旋流器设计等的复杂性，对3S的研究和改进国内研究者鲜有涉足，目前国内一些气田正在酝酿成套引进该技术。
图 4是典型的天然气超音速脱水系统流程图。为了提高系统的性能，可以对天然气进行预先冷却。冷量可以由空气或者海水提供，比较常用的做法是从离开超音速涡流管的冷气中获得。超音速涡流管上游安装过滤分离器，防止涡流管入口气流中带有液滴和固体颗粒。在超音速涡流管中，经过膨胀、降温、气/液分离和再压缩过程，将气流中的水和重烃组分分离[18]。超音速涡流管分离段流出的气液混合物进入气液分离器，分离出的滑脱气并入干气管线。以超音速涡流管技术为基础设计气体处理系统时，必须考虑以下问题[11]：
(1) 超音速涡流管是一个固定体积流量的设备，在喷管喉部气流的轴向速度约为当地的音速，由此限定了可以通过管道的流量。
(2) 超音速涡流管是压力降设备，典型的净压降为20%~30%。任何设计压力下，气体在设备中的最低压力约为进口压力的30%，由扩压管将气体出口压力提高到进口压力的65%~80%。
(3) 腐蚀是必须关注的问题。超音速涡流管中流体具有很高的速度，任何粒径的微粒都可能会造成管材的腐蚀和磨损。同时，涡流管入口天然气中微粒粒径不是越小越好，一些研究者认为微粒的存在有利于成核，Twister管在马来西亚B11的最新试验中对粒径的要求为不大于20 μm。
超音速涡流管的制冷能力和极大的离心力使其在分离[19]、制冷[20]等诸多领域得到了广泛应用。就天然气开发领域来说，天然气从井口到用户是压力逐步降低的过程，在压力降低过程中，利用涡流管可以获得大量的冷量和热量，并获得相对干燥的天然气。因此，从天然气集输、处理到输配均可采用涡流管技术[21-22]。
超音速涡流管技术运用于含硫气田的脱水所带来的优点，主要有以下方面：
(1) 整个脱水系统比较简单，需要的设备少，可实现撬装。由于天然气高速通过脱水系统，因此在相同的处理能力下，其体积要比传统的系统小得多；
(2) 脱水系统没有大的转动部件和化学处理系统，其可靠性较高，日常维护很少，适合在海上恶劣的环境条件下以及偏远井站实现无人操作；
(3) 该技术利用天然气自身的压力工作，能够在短时间内启动和停止工作，并且不需要大量的外部能源供应；
(4) 该技术工艺流程中不需要化学试剂，如甲醇、乙二醇和三甘醇，避免了化学试剂对环境的危害；
(5) 与常规的处理工艺相比，该技术可使投资和运行费用减少10%~25%；
(6) 与J-T阀和膨胀机相比，分离效率高且能耗低。
虽然超音速涡流管分离技术在天然气开发过程中的运用取得了良好的开端，然而，从技术的开发到广泛的生产运用是一个漫长而曲折的过程，不能不注意到该技术在以下方面的一些局限性，例如：
(1) 如何在深度脱水的同时又尽量减少压降。超音速涡流管脱水利用的是类似于节流膨胀阀的原理，对于高压天然气，使用该技术脱水是很经济的，而要达到深度脱水，就必须有足够的低温，在管路输送有压降限制的情况下难以实现。
(2) 如何提高超音速涡流管的操作弹性范围，以适应产量、压力急剧减小的生产条件。和国外的应用情况有所不同，国内一些气田的很多气井在开采之后井口压力下降很快，如何应对这一工况是研究过程中要特别考虑的。
(3) 超音速涡流管内部结构的复杂性以及高精度的加工要求的局限性问题。超音速涡流管内部结构比较复杂，任何一个结构的偏差都会致使内部流场偏离预期，因而对内部通道的加工有较高的精度要求，在工业化的结构设计和生产中都会有一定的难度。
(4) 处理含硫介质时，材质与防腐问题以及含硫污水的处理问题。在国内外还未有超音速涡流管分离技术运用于高含硫气田的实例，如何保证含硫天然气处理条件下超音速涡流管长周期平稳运行，对涡流管选材和设计的安全性及经济性等都有待探索。
随着对天然气需求量的大幅度增加，超音速涡流管技术以其独特的液化分离优势必将在这个领域得到广泛的应用。然而上述涡流管技术的局限性已影响其应用进程，在下一步的研究工作中，需要对涡流管内部流动进行更深入的研究来探明其能量分离原理，探索新方法来提高涡流管效率；通过一定规模的现场试验模拟天然气气质条件下超音速涡流管的实际工作情况，针对性地解决工作过程中出现的各种问题；研究天然气气质条件甚至是高含硫条件下超音速涡流管的工作情况，积累脱水装置平稳运行经验，获得超音速涡流管装置操作优化参数，让这一技术为我国的天然气工业注入新的活力。
2011, Vol. 40 Issue (1): 42-46
2011, Vol. 40 Issue (1): 42-46