Содержание к диссертации
Введение
1. Исследования применения вихревых технических средств в технических звеньях системы сбора и подготовки скважинной продукции 14
1.1. Технические предпосылки использования вихревой технологии в системах сбора нефти и газа 14
1.2. Сущность вихревого эффекта, его параметры и характеристики и факторы влияющие на эффективность вихревых труб, основные теории 18
1.3. Разделение газовых смесей с применением вихревых труб 30
1.3.1. «Сухое» компонентное разделение газовых смесей в вихревых трубах 32
1.3.2. Разделение углеводородных смесей в установках, базирующихся на двухпоточных вихревых трубах 35
1.3.3. Трёхпоточные вихревые трубы 39
1.4. Оценка экономической эффективности применения ТВТ в системах промысловой подготовки нефти и попутного газа к транс порту 50
1.5. Выводы 60
2. Экспериментальное исследование термодинамических характеристик трёхпоточных вихревых труб 62
2.1. Постановка задачи 62
2.2. Экспериментальное исследование эффекта Ранка-Хилша при высоком и низком давлениях попутного газа 82
2.3. Трехпоточная вихревая труба - осушитель воздуха 96
2.4. Выводы 105
3. Исследования особенностей проявления эффекта Ранка-Хилша при работе трехпоточных вихревых труб 108
3.1. Особенности теплового баланса вихревых труб 109
3.2. Концепция ударно-волнового механизма температурного разделения газа в газодинамических аппаратах 116
3.3. Трактовка экспериментальных данных, полученных при работе вихревых труб, с позиции ударно-волновой гипотезы 141
3.4. Выводы 145
4. Исследования сепарационных характеристик конструктивных вариантов вихревой трубы 147
4.1. Анализ известных экспериментальных результатов 148
4.2. Описание принципиальной схемы промышленной установки и методики эксперимента 155
4.3. Конструкция регулируемой трёхпоточной вихревой трубы.. 161
4.4. Исследование характеристик ТВТ диаметром 75 мм при низком давлении попутного газа 165
4.5. Исследование характеристик ТВТ диаметром 75 мм при высоком давлении попутного газа 171
4.6. Выводы 177
Общие выводы 178
Список использованных источников 180
Приложения 191
- Технические предпосылки использования вихревой технологии в системах сбора нефти и газа
- Экспериментальное исследование эффекта Ранка-Хилша при высоком и низком давлениях попутного газа
- Концепция ударно-волнового механизма температурного разделения газа в газодинамических аппаратах
- Описание принципиальной схемы промышленной установки и методики эксперимента
Введение к работе
Известно, что нефтяной газ (попутный газ нефтедобычи) является не только прекрасным топливом, но и весьма ценным сырьём для нефтехимических и других производств. Однако в отличие от природного, добычу которого можно регулировать в зависимости от объёма его потребления, нефтяной газ извлекается из недр вместе с нефтью, независимо от того, имеются или отсутствуют условия для его использования. При отсутствии необходимых условий его вынужденно сжигают в факелах. Это приводит к невосполнимым потерям энергоносителя и углеводородного сырья. Кроме того, наносится непоправимый ущерб природе.
Известен путь реализации нефтяного газа - подача его в магистральные газопроводы. Для этого необходимо не только благоприятное расположение таких газопроводов, но и решение вопросов качества продукта. Основное требование к газу, подлежащему транспортированию по газопроводу - такая его обработка, после которой не происходило бы конденсации воды и углеводородов при давлениях и температурах, соответствующих режиму работы газопроводов.
В настоящее время разработан и реализован на практике широкий спектр технологических процессов, обеспечивающих необходимое качество нефтяного газа (абсорбция, адсорбция, низкотемпературная конденсация с помощью холодильных машин и др.). Однако эти процессы технологически сложны, требуют больших энергоматериальных затрат и обычно реализуются в рамках газоперерабатывающих заводов [1]. Применение их в промысловых условиях проблематично.
К характерным особенностям таких систем относится то обстоятельство, что в их массообменных аппаратах взаимодействие фаз осуществляется при относительно малых градиентах термодинамических и кинетических параметров (давление, температура, скорость течения газа
и жидкости и др.), а также без существенной трансформации кинетической энергии входящего потока газовой смеси. Принципиально отличными от этих аппаратов являются устройства, в которых реализуется т.н. газодинамическая технология. В них исходный газ, имеющий избыточную потенциальную энергию давления, либо разгоняется до звуковых и сверхзвуковых скоростей (с одновременной закруткой или без неё), либо с помощью специальных устройств переводится в пульсирующее состояние с определённой частотой и амплитудой. При этом проявляются достаточно интенсивные термические и фазовые эффекты разделения, которые во многих случаях можно использовать в технологии очистки и разделения газовых смесей, или (при необходимости) для простого их нагрева и охлаждения.
Среди пульсационных аппаратов следует отметить трубки * Гартмана-Шпренгера, которые применяются для мгновенного нагрева газа до высоких температур, импульсные холодильники Джиффорда, с ' помощью которых можно получать сжиженный природный газ, пулъсапионные охладители газа (ПОГ), используемые в основном в - установках низкотемпературной сепарации природного газа (НТС), и волновые детандеры (ВД), принцип действия которых также основан на пульсационном эффекте [2,3].
В одной из модификации газодинамической технологии в т.н. газодинамическом осушителе (Г ДО) совмещаются два основных процесса: изоэнтропийное расширение газа, которое сопровождается конденсацией высококипящих компонентов, и последующее изоэнтропийное сжатие его. Сконденсированная жидкость обычно отделяется с помощью закрутки [3]. В газодинамическом осушителе отсутствует термическое разделение газа на холодный и горячий потоки, как это происходит в другом газодинамическом аппарате, - вихревой
трубе Ранка-Хилша (ВТ), которой и посвящена данная диссертационная работа.
Генерируемый в ВТ холод может быть использован для захолаживания исходной газовой смеси и осуществления процесса конденсации компонентов при начальном давлении. Кроме того, сама ВТ также как и ГДО, по своей газодинамике должна быть самостоятельным, весьма эффективным осушителем.
По термодинамической эффективности вихревая труба (как и ПОГ) занимает промежуточное положение между дросселем и детандером [4], однако значительно превосходит ПОГ и ВД по своей конструктивной простоте и надёжности в эксплуатации и не идёт ни в какое сравнение с таким сложным устройством, как турбодетандерный агрегат (ТДА). Кроме того, ВТ надёжно работает на газах, содержащих' жидкие и твёрдые включения, а также при эксплуатации не требует дополнительного обслуживающего персонала.
Основной позитивный фактор, который можно использовать для дешёвой осушки и отбензинивания нефтяного газа с помощью газодинамической технологии - это высокий уровень пластового давления. Однако даже на тех месторождениях, где оно относительно велико, нецелесообразно вести процесс дегазации нефти при давлении свыше 5,0-6,0 МПа, т.к. при более высоком давлении снижается дебит скважин, а также уменьшается количество попутного газа, получаемого после первой ступени дегазации. Последнее обстоятельство увеличивает нагрузку по газу на вторую ступень технологии подготовки нефти (дегазация с применением подогрева), тем самым повышая затраты тепла и увеличивая себестоимость добываемой нефти.
Таким образом, имеют место два противоположно направленных технологических фактора (один требует повышения, другой снижения давления), определяющих приемлемый перепад давления нефтяного газа,
который может использовать для его низкотемпературной очистки. Этот располагаемый перепад давления АР лежит, как правило, в диапазоне 0,5-1,0 МПа. Такой, весьма ограничительный, диапазон параметра АР практически исключает возможность реализации традиционной схемы НТС, основанной на эффекте дросселирования. Другого рода расширители (с более высоким температурным к.п.д.), в том числе ТДА, ВД и ПОГ, относительно сложны, дороги и требуют повышенного внимания при эксплуатации в полевых условиях. Что касается ГДО, то на сегодня эта технология «теоретически и технологически слабо проработана» [3, стр. 383]. Использование холодильных установок требует больших энергоматериальных затрат и дополнительного обслуживающего персонала. Кроме того они экологически небезопасны. Поэтому автору данного исследования представилось целесообразным применить для осушки нефтяного газа регулируемую вихревую трубу, которая по последним данным достаточно надежно работает в газовой [5,6,7], нефтедобывающей [8] и химической отраслях промышленности [9,10].
Эффект Ранка-Хилша, реализуемый в вихревой трубе, заключается в снижении температуры центральных слоев закрученного потока и нагреве периферийных слоев. Он был обнаружен французским инженером Ранком в 1931 году [11] и экспериментально изучен немецким физиком Хилшем в 1946 году [12]. Начало реального применения этого эффекта в технике приходится на середину пятидесятых годов, в первую очередь в малорасходных вихревых трубах индивидуального кондиционирования, где рабочим телом служил воздух. С тех пор происходило расширение диапазона производительности и области применения вихревых аппаратов.
К настоящему времени опубликовано около 2 000 книг, статей, описаний изобретений и патентов по вихревому эффекту [13]. Анализ
патентно-технической литературы по проблеме применения вихревых труб, в том числе в процессах разделения и очистки газовых смесей, показывает, что подавляющее число изобретений и патентов на способы применения вихревого эффекта и конструкции ВТ приходится на долю отечественных разработок, причем от зарубежных их отличает широта спектра использования ВТ в самых разнообразных отраслях экономики.
Выше указывались причины ограничения диапазона располагаемого перепада давления попутного газа нефтедобычи. Они диктуют необходимость использования специальной конструкции вихревой трубы, которая обеспечила бы не только получение необходимого технологического холода, но и эффективное отделение мелкодисперсной жидкой фазы, образующейся в самой ВТ. Эта задача реализуется в т.н. трёхпоточных вихревых трубах (ТВТ), где в качестве третьего потока из аппарата выводится отсепарированная жидкость или газожидкостная смесь [14].
Изучение технической литературы выявило отсутствие промышленных ТВТ, работающих на малых отношениях давлении. Кроме того, не смотря на опытно-промышленные исследования ТВТ [15, 16, 17], а также их эксплуатацию в промышленном масштабе [8, 18], остаётся открытым вопрос об оптимальной геометрии сепарационной части ТВТ.
Настоящая диссертация посвящена вопросу разработки и промышленной реализации системы низкотемпературной подготовки попутного газа нефтедобычи с применением трёхпоточной вихревой трубы, работающей при минимальном отношении давлений, обеспечивающей необходимые параметры осушки, а также необходимую пропускную способность в условиях значительного изменения давления и расхода газа.
Основными преимуществами разрабатываемой технологии являются:
эффективное использование для технологических целей энергии пластового давления попутного газа нефтедобычи;
реализация экологически чистого процесса получения холода, исключающего выбросы вредных веществ в атмосферу;
- простота и высокая эксплутационная надёжность оборудования;
- оптимальный метод регулирования расходных характеристик
трёхпо-точной вихревой трубы.
В рамках данного исследования выполнен технико-экономический анализ целесообразности применения вихревой технологии для подготовки нефтяного газа к транспорту, разработаны, внедрены и экспериментально изучены различные конструкции регулируемой трёхпоточной вихревой трубы. Проведена всесторонняя проверка работоспособности ТВТ в технологической схеме с рекуперационным теплообменником, сняты термодинамические и сепарационные характеристики вихревых труб в различных режимах эксплуатации. Предложена пульсационная концепция вихревого эффекта, позволяющая объяснить ряд его парадоксов и закономерностей. Автор защищает:
1. Технико-экономическое обоснование применения ТВТ при
подготовке попутного газа нефтедобычи к транспорту.
2. Конструкцию трёхпоточной вихревой трубы с основным узлом
сепарации в виде перфорированного стакана, образующим кольцевой
зазор с трубой горячего потока, имеющую также узел регулирования
расхода газа.
Экспериментальные данные по термодинамической эффективности промышленной ТВТ, её сепарационные характеристики на разных режимах работы и при различном конструктивном исполнении сепарационной части.
Особенности работы трёхпоточных вихревых труб с разрывом за-крученной струи, в частности при доле холодного потока \х = 1,0,
зафиксированные в промышленных и опытно-промышленных испытаниях на попутном газе нефтедобычи и воздухе.
5. Пульсационную концепцию вихревого эффекта, разработанную с учётом экспериментальных данных, полученных при работе трёхпоточных вихревых труб.
Технические предпосылки использования вихревой технологии в системах сбора нефти и газа
Генерируемый в ВТ холод может быть использован для захолаживания исходной газовой смеси и осуществления процесса конденсации компонентов при начальном давлении. Кроме того, сама ВТ также как и ГДО, по своей газодинамике должна быть самостоятельным, весьма эффективным осушителем.
По термодинамической эффективности вихревая труба (как и ПОГ) занимает промежуточное положение между дросселем и детандером [4], однако значительно превосходит ПОГ и ВД по своей конструктивной простоте и надёжности в эксплуатации и не идёт ни в какое сравнение с таким сложным устройством, как турбодетандерный агрегат (ТДА). Кроме того, ВТ надёжно работает на газах, содержащих жидкие и твёрдые включения, а также при эксплуатации не требует дополнительного обслуживающего персонала.
Основной позитивный фактор, который можно использовать для дешёвой осушки и отбензинивания нефтяного газа с помощью газодинамической технологии - это высокий уровень пластового давления. Однако даже на тех месторождениях, где оно относительно велико, нецелесообразно вести процесс дегазации нефти при давлении свыше 5,0-6,0 МПа, т.к. при более высоком давлении снижается дебит скважин, а также уменьшается количество попутного газа, получаемого после первой ступени дегазации. Последнее обстоятельство увеличивает нагрузку по газу на вторую ступень технологии подготовки нефти (дегазация с применением подогрева), тем самым повышая затраты тепла и увеличивая себестоимость добываемой нефти.
Таким образом, имеют место два противоположно направленных технологических фактора (один требует повышения, другой снижения давления), определяющих приемлемый перепад давления нефтяного газа, который может использовать для его низкотемпературной очистки. Этот располагаемый перепад давления АР лежит, как правило, в диапазоне 0,5-1,0 МПа. Такой, весьма ограничительный, диапазон параметра АР практически исключает возможность реализации традиционной схемы НТС, основанной на эффекте дросселирования. Другого рода расширители (с более высоким температурным к.п.д.), в том числе ТДА, ВД и ПОГ, относительно сложны, дороги и требуют повышенного внимания при эксплуатации в полевых условиях. Что касается ГДО, то на сегодня эта технология «теоретически и технологически слабо проработана» [3, стр. 383]. Использование холодильных установок требует больших энергоматериальных затрат и дополнительного обслуживающего персонала. Кроме того они экологически небезопасны. Поэтому автору данного исследования представилось целесообразным применить для осушки нефтяного газа регулируемую вихревую трубу, которая по последним данным достаточно надежно работает в газовой [5,6,7], нефтедобывающей [8] и химической отраслях промышленности [9,10].
Эффект Ранка-Хилша, реализуемый в вихревой трубе, заключается в снижении температуры центральных слоев закрученного потока и нагреве периферийных слоев. Он был обнаружен французским инженером Ранком в 1931 году [11] и экспериментально изучен немецким физиком Хилшем в 1946 году [12]. Начало реального применения этого эффекта в технике приходится на середину пятидесятых годов, в первую очередь в малорасходных вихревых трубах индивидуального кондиционирования, где рабочим телом служил воздух. С тех пор происходило расширение диапазона производительности и области применения вихревых аппаратов.
К настоящему времени опубликовано около 2 000 книг, статей, описаний изобретений и патентов по вихревому эффекту [13]. Анализ патентно-технической литературы по проблеме применения вихревых труб, в том числе в процессах разделения и очистки газовых смесей, показывает, что подавляющее число изобретений и патентов на способы применения вихревого эффекта и конструкции ВТ приходится на долю отечественных разработок, причем от зарубежных их отличает широта спектра использования ВТ в самых разнообразных отраслях экономики.
Выше указывались причины ограничения диапазона располагаемого перепада давления попутного газа нефтедобычи. Они диктуют необходимость использования специальной конструкции вихревой трубы, которая обеспечила бы не только получение необходимого технологического холода, но и эффективное отделение мелкодисперсной жидкой фазы, образующейся в самой ВТ. Эта задача реализуется в т.н. трёхпоточных вихревых трубах (ТВТ), где в качестве третьего потока из аппарата выводится отсепарированная жидкость или газожидкостная смесь [14].
Изучение технической литературы выявило отсутствие промышленных ТВТ, работающих на малых отношениях давлении. Кроме того, не смотря на опытно-промышленные исследования ТВТ [15, 16, 17], а также их эксплуатацию в промышленном масштабе [8, 18], остаётся открытым вопрос об оптимальной геометрии сепарационной части ТВТ.
Настоящая диссертация посвящена вопросу разработки и промышленной реализации системы низкотемпературной подготовки попутного газа нефтедобычи с применением трёхпоточной вихревой трубы, работающей при минимальном отношении давлений, обеспечивающей необходимые параметры осушки, а также необходимую пропускную способность в условиях значительного изменения давления и расхода газа.
Основными преимуществами разрабатываемой технологии являются: - эффективное использование для технологических целей энергии пластового давления попутного газа нефтедобычи; - реализация экологически чистого процесса получения холода, исключающего выбросы вредных веществ в атмосферу; - простота и высокая эксплутационная надёжность оборудования; - оптимальный метод регулирования расходных характеристик трёхпо-точной вихревой трубы. В рамках данного исследования выполнен технико-экономический анализ целесообразности применения вихревой технологии для подготовки нефтяного газа к транспорту, разработаны, внедрены и экспериментально изучены различные конструкции регулируемой трёхпоточной вихревой трубы. Проведена всесторонняя проверка работоспособности ТВТ в технологической схеме с рекуперационным теплообменником, сняты термодинамические и сепарационные характеристики вихревых труб в различных режимах эксплуатации. Предложена пульсационная концепция вихревого эффекта, позволяющая объяснить ряд его парадоксов и закономерностей.
Экспериментальное исследование эффекта Ранка-Хилша при высоком и низком давлениях попутного газа
В газодобывающей отрасли экономики компонентному разделению подвергаются довольно сложные углеводородные смеси, состоящие из различных по своим физико-термодинамическим свойствам углеводородов, а также примесей, концентрация которых колеблется в зависимости от вида газового сырья и технологического режима его получения. Так, наиболее нежелательными примесями является пары воды, сероводород, углекислота, меркаптаны (в большом количестве) и тяжелые углеводороды (конденсат).
В настоящее время широкое распространение получили низкотемпературные методы промысловой очистки природного газа от конденсата, основанные на использовании пластового давления. На установках НТС в качестве источника холода применяют в основном дроссели [3].
В начальный период эксплуатации месторождения эффект Джоуля-Томсона обеспечивает качественную обработку газа. Затем пластовое давление падает, и как следствие, снижается технологически необходимый перепад температур. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению степени извлечения конденсата и к ограничению пропускной способности газопровода вследствие уменьшения его живого сечения (двухфазный поток). Возникает также необходимость в дополнительных затратах на улавливание и удаление конденсата из труб.
Один из возможных путей увеличения эффективности процесса низкотемпературной обработки природного газа - использование вихревого эффекта. Первая схема процесса НТС с вихревой трубой была предложена Аткинсоном [20]: природный газ из пласта, пройдя первоначальную сепарацию, поступает в вихревую трубу; здесь он расширяется и делится на холодный и горячий потоки; выделяющийся конденсат улавливается в сепараторах на обоих потоках. В данной схеме тепло горячего потока предполагалось использовать для возгонки гидратов в холодной зоне установки. Отечественными пионерами в исследовании работы вихревых труб в установках НТС были авторы [44]. В их установке, в отличие от схемы Аткинсона, холодный поток направлялся на охлаждение трубы горячего потока (неадиабатная вихревая труба). Такое решение позволило увеличить выход газового конденсата из горячего потока. Авторы [44] экспериментально установили, что основная масса жидких углеводородов концентрируется в горячем потоке. Так, при Х= 0,6 из него получено 90 % общего количества жидкости. При этом «абсолютная масса конденсата, выделенного с помощью вихревого эффекта, на 30-35 % превышала уровень обычного дросселирования». Аналогичные опыты другой группы авторов [45] (неадиабатная вихревая труба с охлаждением горячего конца холодным потоком газа) подтвердили возможность повышения выхода конденсата (до 40 %) при р= 0,9 - 1,0 по сравнению с дросселированием. В работах [46, 47, 48] также показана целесообразность применения вихревых труб для интенсификации процесса низкотемпературной сепарации природного газа. Использование рекуперативного теплообмена в схемах НТС с вихревой трубой может в 1,5-2,0 раза превысить технологический эффект НТС по схеме с дросселем. Этот вывод был получен автором [49] по результатам испытаний регенеративной схемы с вихревой трубой. Кроме того, им показано, что конденсат, полученный из горячего потока вихревой трубы, содержит незначительное количество лёгких углеводородов (метан и этан). Обнаруженный технологический эффект весьма важен. Конденсация углеводородов при низкой температуре сопровождается растворением лёгких углеводородов в конденсате, что сопряжено с увеличением затрат на их извлечение и возврат в поток отбензиненного газа. Вихревая труба обеспечивает частичное извлечение лёгких углеводородов из конденсата при нагревании его в тёплом периферийном потоке. Возможные варианты включения неадиабатной вихревой трубы в регенеративные циклы установок НТС обсуждаются в работе [50]. Здесь авторы рекомендуют две схемы установок НТС в соответствии с двумя режимами работы неадиабатных вихревых труб: ц, = 1 и ц = 0,7. Экономический аспект применения установок НТС с дросселем и вихревой трубой рассмотрен авторами [51]. Показано, что установки НТС с вихревой трубой позволяют значительно увеличить срок эксплуатации месторождений без дополнительных капиталовложений. Следует отметить, что не смотря на успешные опытно-промышленные испытания вихревых труб в системах НТС, они в 60-70 годы не были вос-требованы промышленностью. И причина здесь одна -отсутствие простых, адаптированных к промысловым условиям технических решений по регулированию расхода газа через ВТ. Исследованию вихревого эффекта на природном газе умеренного давления, имеющем место на газораспределительных станциях (ГРС), посвящены работы [2, 52, 53]. Следует отметить результаты, полученные авторами [21]. Их экспериментальные данные были использованы при создании первой опытно-промышленной вихревой установки очистки природного газа, поступающего на химическую переработку [15, 54, 55]. На ней изучался низкотемпературный метод очистки от высших углеводородов и сернистых соединений с помощью вихревого эффекта, который позволил без дополнительных энергозатрат стабилизировать работу агрегатов ряда химических производств. Для рекуперации холода была принята обычная схемах теплообменником на линии исходного газа. Такая схема создавала благоприятные условия для конденсации и отделения углеводородов до вихревой трубы. В работе [55] показано, что при Тв = 258 К, є = 4,5 и ц = 0,8 можно получить температуры Тх = 217 К, Тг = 273 К. При таких параметрах работы установки степень очистки холодного потока от газового конденсата составит 79 % от этилмеркаптана - 55-60 %.
Концепция ударно-волнового механизма температурного разделения газа в газодинамических аппаратах
В вихревой трубе термодинамическая температура минимальна на выходе из сопла, где имеет место максимальная скорость потока. Значит именно в сопловом сечении и в сочетаниях близких к сопловому создаются ( с термодинамической точки зрения) наиболее благоприятные условия для конденсации углеводородных компонентов. Далее вступают в силу законы кинетики. Для завершения процесса конденсации нужно определенное время нахождения системы в данном термодинамическом состоянии. Кроме того, в процессе сепарации должна образоваться устойчивая пленка жидкости, чтобы отобрать и вывести ее из ВТ с минимальными потерями. Поэтому до сепарационного узла необходимо иметь некоторую протяженность вихревой камеры в направлении к дроссельному вентилю.
Вторая зона конденсации находится в приосевых слоях вихревого потока, т.е. во внутреннем низкоскоростном вихре. Здесь определяющую роль играет не термодинамическая температура, а температура торможения, которая начинает снижаться при формировании внутреннего вихря в районе дросселя и достигает минимального значения на срезе диафрагмы. По мере понижения этой температуры, в слоях внутреннего вихря также появляется дисперсная влага, которая также отбрасывается центробежными силами на периферию, к стенке вихревой камеры.
Таким образом, практически плёнка жидкости образуется по всей длине вихревой камеры, причём на начальных участках закрученного потока она формируется из основной, дисперсной компоненты «термодинамической» фазы конденсации. В этой связи было бы правильным улавливать плёнку либо дискретно по всей длине ВТ, как это предлагается в авторском свидетельстве [58], либо в районе дроссельного вентиля, как рекомендуют авторы [49,56]. Однако в этом случае не учитывается второй фактор, имеющий место в вихревых трубах, -нагрев газа горячего потока. Из-за нагрева, который может достигать 50 - 70 С даже в ВТ, работающих в регенеративных схемах [14] при высоком отношении давлений (є 4,0 и ц= 0,7 - 0,8) идёт нежелательное испарение компонентов из сформированной плёнки жидкости и, соответственно, обогащение горячего потока. В итоге после смешения холодного потока после теплообменника и горячего потока из ВТ общий эффект очистки газа будет занижен, что и показали результаты опытно-промышленных испытаний двухпоточной вихревой трубы на природном газе [14].
Выход из возникшего противоречия есть. Он заключается в возможности улавливания отсепарированной жидкой фазы в непосредственной близости или на небольшом удалении от сопла, т.е. там, где должно образовываться максимальное количество как «термодинамической», так и жидкой фазы «торможения» и в то же время нагрев горячего потока не столь существенен по сравнению с нагревом в районе дроссельного вентиля. По этому пути шли авторы практических работ [8, 14, 15, 16, 17, 18, 66, 67] и добились определённых успехов. Однако наш детальный анализ данных, полученных в указанных работах (см. ниже) показал, что с отбором жидкости в районе соплового сечения снижает вихревой эффект. Такая ситуация может привести к уменьшению степени очистки газа от конденсирующихся примесей, особенно в схемах с рекуперацией холода в теплообменнике.
Прежде всего рассмотрим достаточно полные данные, полученные в работе [14]. Здесь приведены результаты экспериментов в сопоставимых условиях на двухпоточной (рисунок 2.1.) трёхпоточной (рисунок 1.8.) вихревых трубах. При этом вихревые камеры в сопловом сечении обеих труб имели одинаковую конструкцию и следующие основные размеры, мм: диаметр в сопловом сечении Дс.ф = 70,0; 1д = 37,0; йд = 0,53; сопловый ввод: bc х hc = 20 х 10. Длина вихревой камеры для двухпоточной ВТ и
ТВТ была одинаковой и составляла 2450 мм (35 Дф). Диаметры двух труб несколько отличалась. Для двухпоточной ВТ эта величина соответствовала диаметру соплового сечения, т.е. Дф = Дстр = 70,0 мм. Внутренний же цилиндр ТВТ имел диаметр Дтр - 55,0 мм. На рисунке 1.8. видно, что в отличие от двухпоточной ВТ (рисунок 2.1.) на срезе соплового блока ТВТ со стороны горячего потока имеется кольцевая щель в осевом направлении шириной 5 мм, образованная внутренней трубой и внешней. В неё и попадает отсепарированный конденсат. Т.к. сепарирующая щель непосредственно примыкает к торцу соплового ввода, то будем считать,что она отстоит в этом случае на расстоянии 5 = 0,0 мм. Это предельный случай размещения сепарирующего зазора в осевом направлении.
Описание принципиальной схемы промышленной установки и методики эксперимента
Несколько слов о режиме ц =-1,0. Как видно из графиков на рис. 2.9 и данных таблицы 2.3 Приложения 1 максимальное значение величины Тх при х = 1,0 имело место в варианте 2. При этом снижение температуры на холодном потоке составило АТХ= 5,3 С. Расчетное значение эффекта дросселирования при этом составляет ДТХ= 0,4 (1-7) = 1,6 С, что более, чем в три раза ниже полученного АТХ при JI = 1,0.
Неоднократные проверки коэффициента дросселирования в реальных условиях на вентиле В2 (рисунок 4.1) при высоком ( таблица 2.3, режим За) и низком (таблица 2.2 и 2.4) давлении газа дают значения адр= 0,36-0,44, что соответствует асрдр= 0,40. Таким образом, экспериментально проверена корректность расчета эффекта дросселирования с применением адр= 0,40.
Вопрос зависимости эффективности ТВТ от степени открытия сопла а , т.е. изменения термодинамических характеристик вихревых труб от режима регулирования расхода газа через ВТ будет подробно рассмотрен далее. Сейчас мы только обратим внимание на полученные результаты, вернее констатируем те моменты, которые обнаруживаются при анализе данных таблицы 2.4.
Если говорить о варианте 1, то здесь имеет место прямая пропорциональная зависимость показателя политропы п от параметра a, a именно: с увеличением а увеличивается температурная эффективность ТВТ. В связи с тем, что рассматриваемый вариант наиболее близок к обычным двухпоточным ВТ, полученным результат вполне закономерен. Аналогичная зависимость имеет место и на регулируемый двухпоточный ВТ, испытанный авторами [5] на ГРС. С вариантом 2 получается не так однозначно. Следует отметить необычность поведения ТВТ при работе на данном сепарационном узле как с точки зрения ее температурной эффективности, так и динамики процесса сепарации (глава 3). Попытка снять полную характеристику ДТХ =f (ц) при а = 100% не увенчалась успехом в виду чрезмерных динамических и акустических перегрузок аппарата. Удалось зафиксировать режимы только при u. = 0,0 и \х = 0,04 (приложения, таблица 2.6). Причем режим с jx = 0,0 зафиксирован в двух вариантах. Первый (28.08.00 г. в 9.30 и 10.30) снимался при открытом вентиле на выходе холодного потока ВЗ (см. рисунок 4.1), второй (29.08.00 г. в 11.00) -при закрытом вентиле ВЗ. Как видно из таблицы, они несколько отличаются. В первом случае, не смотря на отсутствие холодного потока, идет заметное охлаждение исходного газа в теплообменнике (АТтепл = 1,5 С).
Такое возможно только при подсосе «горячего» потока с температурой 10-11 С обратным ходом по тракту холодного потока. В этом случае в ТВТ поступает два потока: первый с АТвх.тр = 13,0 - 13,5 С обычным путём через входной патрубок, а второй обратным ходом через трубу холодного потока с температурой 10 С. В случае, когда вентиль ВЗ, закрыт, в ТВТ поступает только исходный газ. Его охлаждения в теплообменнике не наблюдается: АТтепл = 0,0. Оно вновь появляется только в режиме ц = 0,04.
Явление подсоса газа через диафрагму за счёт низкого давления в центре закрученного потока не ново. Оно наблюдается на ВТ, работающих на воздухе с отведением холодного потока в атмосферу [4]. В этом случае при ц= 0,0 имеет место яркий эжекционный эффект, который используется на практике в т.н. вихревых эжекторах. Поэтому наши наблюдения при работе ТВТ в рекуперационной схеме только подтвердили реальность проявления механизма эжекции, который может быть использован и в промысловой технологии, например, для сжатия газов дегазации при добычи природного газа.
Работа ТВТ по варианту 2 при а = 52 % была более спокойной, хотя шум и свист нарастал, начиная с \i = 0,01, и достиг своего апогея при д.= 0,51. Далее труба работала хотя и с шумом, но без характерного свиста. При а= 29 % работа ТВТ практически не отличалась от работы варианта 1, т.е. шум и свист практически отсутствовали.
Теперь вернёмся к термодинамическому параметру п таблицы 2.4. Динамика зависимости n = f(a) по варианту 2 обратна варианту 1.1, а именно наблюдается рост п при уменьшении а. То же самое можно констатировать и для варианта 3, при котором ТВТ вела себя в целом менее «агрессивно» (ощутимые шум и свист имели место только при a = 100 % и JJ.= 0,0 - 0,76). Такая ситуация, т.е. рост п с уменьшением a , видимо связано с тем, что при уменьшении а и соответственно снижения уровня турбулизации закрученного потока, эффект Ранка-Хилша проявляется ярче. Так, например, уровень эффективности варианта 2 выходил на уровень варианта 1 при меньшей степени открытия сопла a = 29 %. Такой вывод необъясним с позиции наиболее распространённой на сегодня теории А.П. Меркулова [4]. Казалось бы, чем более турбулизован закрученный поток, тем температурная эффективность ВТ должна быть больше. Но такого, как видно из анализа наиболее турбулизованного варианта 2, в наших экспериментах не происходит.
Несколько слов об абсолютном значении показателя политропы П в проведенной серии экспериментов на низком давлении. Как видно из таблицы 2.4 в варианте 1 при a = 100 % было достигнуто значение n = 1,095. Это рекордное значение эффективности для вихревых труб, работающих на углеводородных газах, проанализированных в таблице 2.1. Да и остальные значения (за исключением п = 0,30 варианта 3 при а = 100 %) имеют диапазон n = 1,054 - 1,074, приближающийся к показателям двухпоточных ВТ. Следует ещё отметить, что параметры п на а 30 % практически совпали при работе ТВТ на высоком (n = 1,052) и низком (п = 1,054) давлении газа (вариант 1).
На низком давлении, из-за весьма небольшой величины є , не удалось снять режим варианта 3 при а = 29 %. Об относительной эффективности работы ТВТ на данном сепарационном узле при небольшом а можно судить из рабочих режимов вихревой установки, когда попутный газ подавался в магистральный газопровод (таблица 2.5). В этом случае при а= 20 % и [i= 1,0 показатель политропы был равен n = 1,058 (режим от 11.11.00 г.). Эта величина даже несколько выше показателя п варианта 1 при а = 29 %, хотя и рассчитана для нехарактерного режима р. = 1,0.
