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摘要：天然气超音速脱水技术是近年来研发的一种新型脱水技术，它是基于天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行脱水。该技术可克服传统脱水工艺的许多缺陷，为天然气净化提供了一种费用低、经济效益高、安全可靠的脱水方法。该装置可在苛刻的环境中运行，对海上气田、小型边际气田及伴生气田的开发具有很大吸引力。本文论述了超音速脱水技术的结构及技术原理、工艺流程及特点、国内外应用实例及应用现状，并对超音速脱水技术的应用前景进行了展望。
关键词：天然气脱水 旋流分离器 超音速 应用
一、前言
天然气中有水存在时，液态水与烃类等组分在一定条件下会形成固态水合物而堵塞管道，降低管道的输送能力。此外，当天然气中含有H2S、CO2等酸性气体时，若有液态水存在，将会严重腐蚀管道和设备。因此，天然气在管输前必须进行严格的脱水处理。
传统的天然气脱水方法有冷却法、吸收法、吸附法等。冷却法脱水程度不高，适应性较差；吸收法工艺技术较为复杂、设备庞大、能耗较高；吸附法设备投资及操作费用较高，吸附剂易于中毒及破碎，再生时耗热量高。近年来研发的天然气超音速脱水技术是基于天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行脱水的，其热力学原理及系统构成与传统脱水方法区别较大，克服了传统技术的许多缺陷[1]。
二、结构及技术原理
天然气超音速脱水系统的核心设备是超音速分离器，该分离器是由拉瓦尔喷管、分离叶片、气-液分离器及扩压器组成，结构原理见图1[2]。
图1 天然气超音速分离器原理简图
1–拉瓦尔喷管；2–分离叶片； 3–气–液分离器；4–扩压器
超音速旋流分离器的工作原理由三个阶段组成，即膨胀制冷段、脱水分离段及气体再压缩段。其主要过程为：利用拉伐尔喷管将湿天然气绝热膨胀至超音速状态，此时天然气的温度、压力也急剧下降，低温使湿天然气中的水蒸气及重烃达到饱和状态并发生冷凝，形成气液混合物。随后气液混合物在超音速下产生强烈的气流旋转，实现气体和小液滴的分离。生成的干气进入扩压管进行再压缩，气流压力恢复至进口压力的70%～80%。
三、工艺流程及特点
1.工艺流程
天然气超音速脱水系统工艺流程见图2[3]。天然气经进口冷却器①冷却、气-气换热器②换热后，温度下降至20℃以下。冷却后的天然气进入进口分离器③，实现天然气与固体小颗粒及小液滴的粗分离。分离后的天然气进入脱水系统的核心设备——超音速分离器④，经膨胀制冷、脱水分离及气体再压缩等过程，天然气中的水蒸气及重烃冷凝成小液滴。超音速分离器分离出的小液滴进入气液分离器⑤进一步分离，气液分离器顶部出来的气体与超音速分离器分离出的干气混合，经气-气换热器②与湿天然气换热后外输，气液分离器底部分出的液体与进口分离器③排出的液体混合后外排。
图2 天然气超音速脱水系统简图
①–进口冷却器；②–气-气换热器；③–进口分离器；④–超音速分离器；⑤–气液分离器
除超音速分离器外，其它关键设备的主要作用为：①进口冷却器：降低天然气的温度，可使天然气的露点更低，有利于提高天然气的脱水深度；②气–气换热器：实现湿天然气与输出干气的热交换，降低湿天然气的温度，提高干气的温度；③进口分离器：分离出天然气中的液滴及固体颗粒，减小超音速分离器的载荷及磨损；④气液分离器：超音速分离器分离出的液体中尚含有一定量的气体，气液分离器可进一步分离出其中的气体。
2.工艺特点
天然气超音速脱水系统将膨胀机、分离器及压缩机的功能集中到一个连通的管道中，大大简化了脱水系统，提高了系统的可靠性，降低了系统的投资、运行费用。与其它脱水方法比较，该系统具有以下优点[4]：
2.1工艺流程简单，所需的设备少，易形成橇装系统。同等处理能力下，体积较小，占地面积小。
2.2装置无大的转动部件及化学处理系统，运行可靠性较高，日常维护少，易实现无人职守，允许在苛刻的环境中运行，对沙漠地区气田、小型边际气田及小型海上油气田的开发具有很大吸引力。
2.3该系统利用天然气本身的压力工作，能够在瞬间启停，无需大量的外部能源供应，能耗低。用超音速旋流分离器代替膨胀机可降低15～20%的压缩功。在当今节能减排的大环境下，有着更为广泛的应用前景。
2.4工艺中不添加化学药剂，可避免化学药品对环境的危害。脱水过程无有害气体、液体排出，比较环保。
2.5该系统投资少，操作方便，运行费用低，可大大降低工程的投资及运行成本，经济效益高。
由此可见，超音速天然气脱水技术为天然气工业提供了费用低、安全环保的脱水方法，将成为甘醇脱水和透平膨胀机法之后一项更经济、更可靠、更环保的关键技术，有着更为广泛的应用前景。
四、超音速脱水技术在国内外的应用现状
作为新型脱水技术的超音速脱水系统，国内外均对其开展了一系列研究，取得了满意的效果。目前，这项技术已进入工业化应用状态。
1.国外的应用现状
目前，超音速天然气脱水技术在国外已逐渐成熟，并已进入商业应用。
荷兰壳牌公司于1997年对天然气超音速脱水技术开展了一系列的研究，包括基础理论研究、数值模拟及现场试验研究等，验证了超音速脱水装置具有长时间稳定运行的能力，并结合实际应用不断改进，取得较好的效果。2004年，壳牌公司为马拉西亚的Sarawak气田设计了一套天然气超音速分离装置，并将其用于马来西亚B11海上平台[5]。与传统脱水技术相比，该套脱水装置不仅可实现无人值守，而且节省的投资及操作费用高达8亿美元，取得满意的结果。
近几年，俄罗斯ENGO旗下的Translang公司也对天然气超音速分离技术进行了大量的研究，并分别在俄罗斯及加拿大的实验室和露天条件下通过了测试。2004年9月，由两套超音速分离设备组成的工业装置在俄罗斯西伯利亚成功建成投运，实现了从试验研究到工业化应用的转变。到目前为止，该系统运行情况良好[6]。 超音速分离器及其装置的工业化设计在国外已趋于成熟，已成功应用于美国、俄罗斯、荷兰、意大利、澳大利亚等国，并在欧亚专利联盟获得专利。
2.国内的应用现状
近年来，国内过天然气超音速脱水系统也进行了一些研究，并申请了一些专利。胜利油田及北京工业大学于2003年对天然气超音速脱水技术开展了一系列研究，相继完成了超音速旋流分离器的理论分析、数值模拟及室内试验研究，并进行了现场试验研究，均取得良好效果[8]。
胜利油田设计院经过多年研究，在超音速分离器的优化设计、数值模拟及配套工艺技术等方面均取得一定突破，开展了超音速脱水的室内及现场试验研究，成功研制出天然气超音速脱水试验装置，并于2006年11月在胜利油田海五联合站进行了现场试验，天然气露点下降明显，露点降最大可达37℃，露点最低可达- 9℃，取得良好的脱水及脱烃效果[9]。
五、结论
天然气超音速脱水技术是近年来研发的一种新型脱水技术，可克服传统脱水工艺的许多缺点，较好地解决了天然气输送过程水露点控制的问题。该技术可在苛刻的环境中运行，对海上气田、小型边际气田及伴生气田的开发具有很大吸引力，将成为甘醇脱水和透平膨胀机法之后一项更经济、环保、可靠的技术，有着广泛的应用前景。
然而，与传统脱水工艺相比，因该项技术研发时间较短，在工业上尚未得到广泛应用，还有一定局限性。在系统设计时，还应考虑以下问题：
1.超音速分离器的体积流量是一定的，其处理能力限制。如处理量较大，可考虑多台装置并联操作。
2.超音速分离器中，流体的流速较高，任何固体颗粒都会给设备带来冲击及磨损。脱水前必须过滤掉天然气中的固体杂质。
3.超音速分离器脱水深度有限，不能直接用于天然气净化深度较高的场合，需与其它方法（甘醇法、分子筛法）配合使用。
参考文献
[1] 何策，程雁，额日其太. 天然气超音速脱水技术评析[J]. 石油机械. 2006，34（5）：70-72.
[2] 曹学文，陈丽，林宗虎等. 超音速旋流天然气分离器研究[J]. 天然气工业. 2007，27（7）：109-111.
[3] 何策，张晓东. 国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势[J]. 石油机械. 2008，36（1）：69-73.
[4] 白宇，高昌保，朱政洪等. 超音速脱水技术应用进展[J]. 当代化工. 2009，38（3）：269-271.
[5] 徐正斌，颜映霄. 超声波脱水装置在马来西亚海上平台的应用[J]. 国外油田工程. 2006，22（4）：40-41.
[6] 胡锐，赵胜. 天然气超音速脱水技术在新疆油气田的应用前景[J]. 新疆石油天然气. 2009，5（2）：88-90.
作者简介：周中强（1985），男，硕士，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学（华东）；主要从事长距离油气管道输送技术工作。
关键词：天然气脱水 旋流分离器 超音速 应用
一、前言
天然气中有水存在时，液态水与烃类等组分在一定条件下会形成固态水合物而堵塞管道，降低管道的输送能力。此外，当天然气中含有H2S、CO2等酸性气体时，若有液态水存在，将会严重腐蚀管道和设备。因此，天然气在管输前必须进行严格的脱水处理。
传统的天然气脱水方法有冷却法、吸收法、吸附法等。冷却法脱水程度不高，适应性较差；吸收法工艺技术较为复杂、设备庞大、能耗较高；吸附法设备投资及操作费用较高，吸附剂易于中毒及破碎，再生时耗热量高。近年来研发的天然气超音速脱水技术是基于天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行脱水的，其热力学原理及系统构成与传统脱水方法区别较大，克服了传统技术的许多缺陷[1]。
二、结构及技术原理
天然气超音速脱水系统的核心设备是超音速分离器，该分离器是由拉瓦尔喷管、分离叶片、气-液分离器及扩压器组成，结构原理见图1[2]。
图1 天然气超音速分离器原理简图
1–拉瓦尔喷管；2–分离叶片； 3–气–液分离器；4–扩压器
超音速旋流分离器的工作原理由三个阶段组成，即膨胀制冷段、脱水分离段及气体再压缩段。其主要过程为：利用拉伐尔喷管将湿天然气绝热膨胀至超音速状态，此时天然气的温度、压力也急剧下降，低温使湿天然气中的水蒸气及重烃达到饱和状态并发生冷凝，形成气液混合物。随后气液混合物在超音速下产生强烈的气流旋转，实现气体和小液滴的分离。生成的干气进入扩压管进行再压缩，气流压力恢复至进口压力的70%～80%。
三、工艺流程及特点
1.工艺流程
天然气超音速脱水系统工艺流程见图2[3]。天然气经进口冷却器①冷却、气-气换热器②换热后，温度下降至20℃以下。冷却后的天然气进入进口分离器③，实现天然气与固体小颗粒及小液滴的粗分离。分离后的天然气进入脱水系统的核心设备——超音速分离器④，经膨胀制冷、脱水分离及气体再压缩等过程，天然气中的水蒸气及重烃冷凝成小液滴。超音速分离器分离出的小液滴进入气液分离器⑤进一步分离，气液分离器顶部出来的气体与超音速分离器分离出的干气混合，经气-气换热器②与湿天然气换热后外输，气液分离器底部分出的液体与进口分离器③排出的液体混合后外排。
图2 天然气超音速脱水系统简图
①–进口冷却器；②–气-气换热器；③–进口分离器；④–超音速分离器；⑤–气液分离器
除超音速分离器外，其它关键设备的主要作用为：①进口冷却器：降低天然气的温度，可使天然气的露点更低，有利于提高天然气的脱水深度；②气–气换热器：实现湿天然气与输出干气的热交换，降低湿天然气的温度，提高干气的温度；③进口分离器：分离出天然气中的液滴及固体颗粒，减小超音速分离器的载荷及磨损；④气液分离器：超音速分离器分离出的液体中尚含有一定量的气体，气液分离器可进一步分离出其中的气体。
2.工艺特点
天然气超音速脱水系统将膨胀机、分离器及压缩机的功能集中到一个连通的管道中，大大简化了脱水系统，提高了系统的可靠性，降低了系统的投资、运行费用。与其它脱水方法比较，该系统具有以下优点[4]：
2.1工艺流程简单，所需的设备少，易形成橇装系统。同等处理能力下，体积较小，占地面积小。
2.2装置无大的转动部件及化学处理系统，运行可靠性较高，日常维护少，易实现无人职守，允许在苛刻的环境中运行，对沙漠地区气田、小型边际气田及小型海上油气田的开发具有很大吸引力。
2.3该系统利用天然气本身的压力工作，能够在瞬间启停，无需大量的外部能源供应，能耗低。用超音速旋流分离器代替膨胀机可降低15～20%的压缩功。在当今节能减排的大环境下，有着更为广泛的应用前景。
2.4工艺中不添加化学药剂，可避免化学药品对环境的危害。脱水过程无有害气体、液体排出，比较环保。
2.5该系统投资少，操作方便，运行费用低，可大大降低工程的投资及运行成本，经济效益高。
由此可见，超音速天然气脱水技术为天然气工业提供了费用低、安全环保的脱水方法，将成为甘醇脱水和透平膨胀机法之后一项更经济、更可靠、更环保的关键技术，有着更为广泛的应用前景。
四、超音速脱水技术在国内外的应用现状
作为新型脱水技术的超音速脱水系统，国内外均对其开展了一系列研究，取得了满意的效果。目前，这项技术已进入工业化应用状态。
1.国外的应用现状
目前，超音速天然气脱水技术在国外已逐渐成熟，并已进入商业应用。
荷兰壳牌公司于1997年对天然气超音速脱水技术开展了一系列的研究，包括基础理论研究、数值模拟及现场试验研究等，验证了超音速脱水装置具有长时间稳定运行的能力，并结合实际应用不断改进，取得较好的效果。2004年，壳牌公司为马拉西亚的Sarawak气田设计了一套天然气超音速分离装置，并将其用于马来西亚B11海上平台[5]。与传统脱水技术相比，该套脱水装置不仅可实现无人值守，而且节省的投资及操作费用高达8亿美元，取得满意的结果。
近几年，俄罗斯ENGO旗下的Translang公司也对天然气超音速分离技术进行了大量的研究，并分别在俄罗斯及加拿大的实验室和露天条件下通过了测试。2004年9月，由两套超音速分离设备组成的工业装置在俄罗斯西伯利亚成功建成投运，实现了从试验研究到工业化应用的转变。到目前为止，该系统运行情况良好[6]。 超音速分离器及其装置的工业化设计在国外已趋于成熟，已成功应用于美国、俄罗斯、荷兰、意大利、澳大利亚等国，并在欧亚专利联盟获得专利。
2.国内的应用现状
近年来，国内过天然气超音速脱水系统也进行了一些研究，并申请了一些专利。胜利油田及北京工业大学于2003年对天然气超音速脱水技术开展了一系列研究，相继完成了超音速旋流分离器的理论分析、数值模拟及室内试验研究，并进行了现场试验研究，均取得良好效果[8]。
胜利油田设计院经过多年研究，在超音速分离器的优化设计、数值模拟及配套工艺技术等方面均取得一定突破，开展了超音速脱水的室内及现场试验研究，成功研制出天然气超音速脱水试验装置，并于2006年11月在胜利油田海五联合站进行了现场试验，天然气露点下降明显，露点降最大可达37℃，露点最低可达- 9℃，取得良好的脱水及脱烃效果[9]。
五、结论
天然气超音速脱水技术是近年来研发的一种新型脱水技术，可克服传统脱水工艺的许多缺点，较好地解决了天然气输送过程水露点控制的问题。该技术可在苛刻的环境中运行，对海上气田、小型边际气田及伴生气田的开发具有很大吸引力，将成为甘醇脱水和透平膨胀机法之后一项更经济、环保、可靠的技术，有着广泛的应用前景。
然而，与传统脱水工艺相比，因该项技术研发时间较短，在工业上尚未得到广泛应用，还有一定局限性。在系统设计时，还应考虑以下问题：
1.超音速分离器的体积流量是一定的，其处理能力限制。如处理量较大，可考虑多台装置并联操作。
2.超音速分离器中，流体的流速较高，任何固体颗粒都会给设备带来冲击及磨损。脱水前必须过滤掉天然气中的固体杂质。
3.超音速分离器脱水深度有限，不能直接用于天然气净化深度较高的场合，需与其它方法（甘醇法、分子筛法）配合使用。
参考文献
[1] 何策，程雁，额日其太. 天然气超音速脱水技术评析[J]. 石油机械. 2006，34（5）：70-72.
[2] 曹学文，陈丽，林宗虎等. 超音速旋流天然气分离器研究[J]. 天然气工业. 2007，27（7）：109-111.
[3] 何策，张晓东. 国内外天然气脱水设备技术现状及发展趋势[J]. 石油机械. 2008，36（1）：69-73.
[4] 白宇，高昌保，朱政洪等. 超音速脱水技术应用进展[J]. 当代化工. 2009，38（3）：269-271.
[5] 徐正斌，颜映霄. 超声波脱水装置在马来西亚海上平台的应用[J]. 国外油田工程. 2006，22（4）：40-41.
[6] 胡锐，赵胜. 天然气超音速脱水技术在新疆油气田的应用前景[J]. 新疆石油天然气. 2009，5（2）：88-90.
作者简介：周中强（1985），男，硕士，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学（华东）；主要从事长距离油气管道输送技术工作。