压风管风水多级分离器设计与应用

郑伟光

0 引言

由于井下压风管路季节性存水和其它环境因素造成压风管积水，使得风动钻机无法正常工作，打眼工作中经常出现糊钻头、抱钻杆现像，操作人员每打一个眼需对风管进行1～2 次放水工序，引响生产效率。为了解决此类问题，需设计一种新型风水多级分离器。该风水分离器采用阻隔式、挡板式和旋流式三级分离方式，成本低，且比传统分离器坚实耐用，分离效果更明显。

1 分离器结构及原理

1.1 分离器结构

分离器由进风管、阀芯管道、滤风阀芯、阻水外壳、阻水挡板、排水阀、清渣端盖和出风管8 部分组成。（如图1、图2 所示）

图1 分离器工作原理结构示意

图2 压风管风水分离器装配结构

1.2 工作原理

当风水混合物进入风水分离器后，首先进行隔阻式一级分离，混合物从分离器腔体内的阀芯排出，混合风水在风压作用下撞击阻水管管壁，此时含水风流中的水流会冲击管壁速度瞬间降为0，由于水的密度较大在重力作用下会顺管壁凝结成细水流延管壁流下，过滤后部分纯净的风则会经出风口排出；其次进行档板式二、三级分离，部分未分离的混合物在风压作用下在分离器腔体内做离心回旋运动，会频繁撞击档板和器壁将分水再次进行二、三级分离。之后纯净的风流会经出风口流排出。

1.3 相关要求

（1）间隔一定时间打开排水开关排出存水；

（2）由于风中杂质较多，可打开清渣盖清理杂质。

2 理论应用及风压损失验算

2.1 滤风阀芯设计

进风管接口是公称内径DN50 无缝钢管其外径60.3 mm，壁厚3.8 mm，管径52.7 mm，滤风阀孔设Ф8 mm，其中：

上式中S1为管内面积，为保证风量滤风孔面积定为1.8 倍额定孔面积，漏风孔数取80 个，×80=4 019.2＞S1，满足要求。

2.2 风压损失计算

压风管风水分离器压力损失示意见图3。

图3 压风管风水分离器压力损失示意

风管内空气流动的阻力有两种：

摩擦阻力hf(沿程阻力）由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的阻力；

局部阻力hj（形体阻力）空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失。

（1）摩擦阻力损失

式中：hf——摩擦阻力损失，Pa；

d——管道的直径或当量直径，m；

l——管道的长度，m；

ρ——0.6 MPa 下空气的密度，7.758 kg/m3(标准状态下空气密度1.293 kg/m3，0.6 MPa=6 kgf）；

20℃条件下，空气运动粘度v=14.8×10－6m2/s，雷诺数（管内为湍流状态），查表求得摩擦阻力系数λ=0.03，将以上数据代入达西公式可得hf=420 J/kg 。

相对于工作面管路系统来说本器件摩擦阻力hf可忽略不计。

（2）局部阻力计算

局部阻力系数：ε1是h2段局部压力损失系数，ε2，ε3是h3段局压力损失系数（h3段局部压力损失包括：①流程截面突然缩小压力的损失，②流程截面突然扩大的压力损失），ε4是h4段局部压力损失系数。具体数据如下：

式中：A1——h2段，气体流程截面突然扩大或缩小所遇到的大管体截面积，A1=πr12=3.14×252=1 962.5 m2；

A2——h2段，气体流程截面突然扩大或缩小所遇到的小管体截面积，A2=πr22=3.14×42=50.24 m2。

将A1、A2代入(1)中：ε1=0.51。

在计算h3段局部压力损失系数时，由于流入和流出管体截面相同，相对可把大管体截面看做A1=∞，得大管体流经阻板间空隙时ε3=0.5，阻板间空隙流入大管体时ε2=1。

式中：A1'——h4段，气体流程截面突然扩大或缩小所遇到的大管体截面积，A1'=πr1'2=3.14×1002=31 400 m2；

A2'——h4段，气体流程截面突然扩大或缩小所遇到的小管体截面积，A2'=πr2'2=3.14×252=1 962.5 m2。

将A1'、A2'代入(2)中：ε4=0.47。

hj表示计算中段所遇阻力的局部压力损失，相对应ε1、ε2、ε3、ε4所代表的压力损失系数可知hj1为h2段局部压力损失，hj2、hj3指h3局部压力损失，hj4指h4局部压力损失。

对于工作面管路系统来说本器件摩擦阻力(沿程压力损失)可忽略不计，即各段压力损失为：h1=乙字型弯头压力损失，h2=hj1，h3=hj2+hj3，h4=hj4。由于乙字弯损耗为：50 Pa～198 Pa，即h1=198 Pa。

（3）压力损失验算：

东二盘区压风管路风压为0.6 MPa，本工作面使用钻具额定风压为0.5 MPa。

由上式可知，本装置压力损失不影响工作面钻具正常使用，完全满足额定风压0.5 MPa 工作需求，验证该分离器在此工作面管路安装可行。

3 压风管风水多级分离器技术参数

压风管风水多级分离器（见图4），技术参数如下：①设计压力为0.7 MPa；②分离效率为99%；③接口尺寸为DN50；④接口形式为法兰PN2.5；⑤压力损失为0.004 MPa。

图4 分离器

4 结语

本实用型风水多级分离器采用阻隔式、挡板式和旋流式三级分离方式，运用了碰撞分离原理、重力沉降原理和离心分离原理，对含水及杂质风流进行净化，能有效延长风动工具使用寿命及提高生产效率，通过现场验证，分离效率达99%。能够有效杜绝压风管积水所造成的经济损失，延长井下风动工具使用寿命，应用队组提升工效，按时效可节省因排水误工2h/d，成本低，且比传统分离器坚实耐用，分离效果更明显，推广应用后，经济效益显著。

经工作中实践验证，该分离器可在井下因压风管路积水而导致风动工具不能正常使用的工作面广泛应用。