高含硫天然气三相分离器分离性能实验研究

李连春 王树涛 王立满 叶 海 古小红 汪沈阳 管 峰孔凡胜 郭富永 王咏梅

（1.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司；2.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司；3.兰州兰石重型装备股份有限公司）

普光气田是我国建设开发规模最大、丰度最高的高含硫气田，其地质条件复杂，气田含硫量高，具有强腐蚀性，会影响化工产品质量，而且容易造成环境污染， 开发过程中普遍存在出水问题，地面集输系统容易产生硫沉积［1］。

因此，在高含硫气田开采生产过程中，要采用合理的天然气处理工艺， 提升天然气开采效益，同时避免造成环境污染［2］。目前高含硫气田面临的主要问题是产水和硫沉积问题［3］。 地层产水和单质硫沉积对气田的生产开发已经产生了较为严重的影响，现有的气液两相分离器无法高效进行气、液、硫分离，进而影响到天然气的开采和集输。 因此，为了保证地面集输系统的正常生产和安全运行，解决由于硫单质沉积带来的上述问题，特提出采用旋流脱固技术对气液固三相进行分离，从而控制地层水和单质硫不进入或少进入集输系统，提高外输天然气气质，对减轻集输系统设施的腐蚀、保证集输管道的安全平稳运行具有重要意义［4］。

针对现有问题，笔者通过三相分离器缩尺工艺样机的设计与实验， 对其分离性能进行测试，明确其处理能力，并确定最优分离器内构件结构参数和分离参数，准确掌握高含硫天然气三相分离特性，为高含硫天然气三相分离提供工程化应用数据。

1 三相分离器性能实验

1.1 实验装置及流程

实验系统在文献 ［5］ 的基础上进行修改设计，包括动力系统、测量系统、数据采集系统和实验样机（图1）。其中，动力系统提供较为准确的气相、水相和固相流量；测量系统对各相流量、水中含固及气中含液固等数据进行相关的计量与测定；数据采集系统实现实验系统中流量、压力及温度等信号的采集。

图1 实验系统简图

实验流程如图2 所示，空气通过空压机压缩进入气体缓冲罐缓冲稳压，经孔板流量计或涡街流量计计量后进入三相混合器（橙色管线）；固体颗粒和水在固液混合罐中均匀混合，并在离心泵作用下进行输送， 经质量流量计计量后进入三相混合器（蓝色管线）。 气液固三相在混合器内进行混合，流经一定长度后进入实验样机。气液固三相进入三相分离器内，在每根旋流管内均匀分配，并且在强烈旋转力作用下气体携带部分液滴和固体颗粒由溢流排气口排出， 而液固相在重力沉降作用下，液相经排液管进入液相储存罐，固相经排砂管进入固相储存罐。在液相储存罐内，液固发生进一步分离，经过分离器分离后，气相排空。 同时在三相分离器气相出口进行气相的取样。

图2 实验流程图

单根旋流管可通过铸造或者焊接成型，结构如图3 所示。 旋流管实物如图4 所示。

图3 单根旋流管结构图

图4 旋流管实物图

1.2 介质物性参数

实验所用的介质为普光气田高含硫天然气，气体组分中主要成分为甲烷、硫化氢、二氧化碳，其中甲烷含量70%，硫化氢含量高达15%，二氧化碳含量10%。 介质的密度为7.64kg/m3，粘度为0.18mPa·s。

1.3 工况条件

根据普光气田增压先导实验工程要求，确定样机实验工况为12 组，具体数据见表1。

表1 样机测试实验工况

（续表1）

2 三相分离器分离性能实验结果分析

2.1 气相出口液固粒径分布

12 个实验工况下气相出口激光粒度仪分析结果如图5 所示。 根据测试结果可以看出，不同操作工况下，气相出口液固颗粒体积分数随颗粒直径的变化趋势基本相同， 颗粒直径小于10μm时，气相出口液固颗粒体积分数处于极不稳定的波动状态，但当颗粒直径大于10μm 时，气相出口液固颗粒体积分数迅速下降到趋近于0， 且保持稳定状态。 说明流体经过三相分离器，可以脱除绝大部分颗粒直径大于10μm 的液固相颗粒，分离效果显著。

图5 不同实验工况下气相出口液固颗粒粒径分布

2.2 不同工况对三相分离器分离性能的影响

分离效率作为一种重要的经济技术指标，不仅在质与量上充分体现出装置工作运行性能的好坏程度，而且可以用于评定设计装置结构参数与操作参数选取的合理程度，这对衡量整套系统的完善程度提供了坚实的科学数据支持。

2.2.1 入口压力对三相分离器分离效率的影响

实验过程中，其他条件不变，只改变分离器入口压力，压力控制参照文献［6］中的方法，通过测定分离器气相出口处的液滴夹带率和硫固颗粒含量，得出液相和固相的分离效率与三相分离器入口压力之间的关系，如图6 所示。

图6 入口压力对三相分离器固相和液相分离效率的影响

从图6 可以看出， 随着入口压力的变化，液相分离效率维持在90%以上，固相分离效率维持在85%左右，随着入口压力的增大，固相和液相分离效率都在逐渐上升，但当压力增大到7.5MPa时，继续增大压力对分离效率的影响减小，液相分离效率在94%左右保持稳定，固相分离效率在87%左右保持稳定。考虑增大压力的同时，成本也会随之增加，而当压力过高时，对分离效率的影响微乎其微，所以入口压力需要保持在适度范围内，不宜过高。

2.2.2 处理气量对三相分离器分离效率的影响

按照同样的单一变量分析法， 其他条件不变，只改变处理气量，测定液相和固相的分离效率，如图7 所示。 从图7 可以看出，随着处理气量的上升， 分离器液相和固相的分离效率均下降，处理气量越少， 三相分离器的分离效率越高，随着处理气量的增大， 分离器的负荷也随之增大，不利于高含硫天然气液固相的分离， 实验中，处理气量最小情况下，液相和固相的分离效率能分别达到95%和90%左右， 虽然分离效率很高，但考虑气田厂开采天然气的成本因素和经济因素，处理气量反映了分离器的处理能力大小，处理能力越大气田厂产值越高，收益越高。 所以处理气量不宜过小，综合考虑应在25×104～35×104m3/d 范围内调节。

图7 处理气量对三相分离器固相和液相分离效率的影响

3 结论

3.1 通过对出口气体进行检测，气相出口检测到的颗粒数逐渐减少， 说明流体经过三相分离器，可以脱除粒径大于10μm 的绝大部分液固相，分离效果显著。

3.2 随着入口压力的增大，三相分离器的分离效率也随之增大，但当增大到7.5MPa 时，分离效率增幅趋于平缓，考虑成本因素，分离器入口压力不宜过高，综合考虑，入口压力在7.5MPa 时分离效果较好。

3.3 随着处理气量的上升，分离器液相和固相分离效率均下降，综合考虑，处理气量应在25×104～35×104m3/d 范围内调节，既能保证分离效率，也能获得较高收益。