王树涛1 古小红2 王洪松3 王振兴4 梁宇5
1-3、中国石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南 濮阳 457001
4-5、珠海巨涛海洋石油服务有限公司，广东 珠海 519050
摘要：
针对高含硫天然气净化设备的设计现状，采取合理的净化旋流管设计，提升旋流管的净化效果，能够有效提升分离效率，同时满足压降控制的客观要求。本文首先介绍了高含硫天然气净化设备的基本设计参数，分析了涉及到的主要优化目标，其次探讨了高含硫天然气净化设备的数值模型，阐述了基本结构特征，最后则结合旋流管的设计标准，进行了效果评价，希望可以有效提升高含硫天然气净化设备的整体效果，促进行业的稳定高速发展。
关键词：含硫天然气；净化设备；设计分析
引言
作为我国现阶段建设规模最大、开发丰度最高的项目之一，普光田已经成为我国高含硫气田当中生产总量最大且技术含金量最高的项目之一。在实际生产过程中我们发现，普光气田的地质条件十分复杂，具有较高的含硫量特征，所以在生产过程中经常出现系统沉淀与堵塞的问题，严重影响到生产的效率，同时也给生产安全带来了不利的影响因素。
从生产工艺的过程上来看，旋流分离设备是一种分离非均相流体混合设备，该设备的优势在于能够利用强大的离心力作用来实现多种不同密度物质的多相分离，从而有效确保了生产的纯净度，提升产品质量并且避免出现拥堵。
一、高含硫天然气净化设备概述
1.基本设计参数
净化旋流管的主要功能是降低高含硫特征对天然气净化环节产生的不利影响。在具体进行结构规划与整体设计时，需要兼顾加工制造的实际需求，提升分离的效率与安装的效果。根据实际的设计要求来看，净化旋流管的结构包括有排气管、颗粒补集设备以及专用蜗壳结构。为了提升分离设备的整体使用性能，结合图1的要求来进行结构调整，结构包括有筒体直径、入口高度与排气管的插入深度等等，对这些内容分别进行设置与调整后，能够确保筒体的整体长度，满足料斗直径的设计要求。
2.主要优化目标
蜗壳式旋风分离设备实施技术优化，需要具有明确的优化设计目标。根据实际的使用经验来看，做好桶径的优化是最为有效的途径。随后，结合标准化的定制要求，做好旋风分离参数的设计，根据蜗壳的实际高度、排气管的插入深度等来做好直径分离管理，提升整体的效率，做好型号与参数的设计安排工作。
二、高含硫天然气净化设备的数值模型分析
1.模型构建
针对高含硫天然气净化旋流管实施模型构建，需要确保分离器稳定，同时也要降低不可压缩气体的不定向流动，所以采取平衡模型的动量方程进行计算最佳。采用DPM模型来进行受力平衡模式的构建，做好液滴的轨迹追踪，同时分析颗粒、液滴的平衡性，借助于拉格朗日离子跟踪分析模型对粒子运动轨迹进行分析描述，通过多相流动模型来进行离散相运动体系的分析。在整个分析过程中需要特别注意，整个颗粒的分析主要考虑到引力与阻力两个层面，同时包括巴塞尔力以及热泳力，对于其他类型的力忽略不计，如虚拟质量力等等，这些力的影响较小，对于计算结果影响不大，可以忽略。采用动量方程来进行模型分析，结合现阶段的工作标准参数来看，颗粒的流速设置为1.87x10-4 kg·s-1，此时颗粒度的体积分数较小，对于系统的影响不大，将其考虑为稀释颗粒，忽略掉离子间的相互作用，借助于交替分离的模拟方式来进行颗粒动量分析。
2.环境模拟
高含硫天然气净化旋流管的处理气量根据实际需求进行设置，默认为3万Nm3，每天的固体处理量为10kg，此时工作压力为20Mpa，根据折算后的流管入口情况，做好入口气量的调整。借助于旋风分离设备进行数值模拟，随后将方程收敛到标准环境内，划分网格对于收敛的标准影响差值设置。划分网格对于上筒下锥旋风分离设备采用结构化网格，对比非结构网格来进行划分。在进行系统解析时，应该考虑到默认设置的要求，借助于离散分析的方式予以求解。
三、高含硫天然气净化设备设计效果评价
高含硫天然气净化旋流管改造设计的效果如何，需要经过设计效果的评价。
1.分离效率
实施分离效率评价，采用不同类型的几何参数来对高含硫天然气净化旋流管进行数值模拟，采取颗粒追踪的方式来对分离后的颗粒硫磺分离率进行评价。根据分析的结果来看，随着颗粒度的变化，分离效率也会发生变化。在相对典型的环境条件下，大多数的颗粒分离效率都可以达到99%以上，但是对于标准型号1的气体环境而言，分离的效率并不理想，仅仅达到了75%左右。型号6以及型号3对于5μm分离效率则达到99%以上，通过对比来看，选择型号应该避开标准型号1，其他型号结合实际情况进行选择即可。
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图1 典型工况下分离效率和压降随遗传代数的变化
2.综合性能
对高含硫天然气净化旋流管的设计优化综合性能进行评价。在综合性能评价方面，最关键的影响因素是压降以及分离的效率，需要同时考虑到两个主要因素的影响，作为能量损失相对大小的评价标准。根据实际的评价结果来看，型号1~6的硫磺颗粒综合参数分别为103,23，26,37,332,9，通过对比后发现，型号5的综合性能最差，其次是型号1，其他几种类型的参数差距不大，值得注意的是，型号6的综合分离指数低于10，相比于其他类型的结果具有明显的优势，可以作为优先考虑的对象。
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总结
综上所述，高含硫天然气净化旋流管的设计水平直接影响到后期生产的效率以及设备的安全性，所以需要特别做好参数设计与优化目标的设立，同时也要兼顾安装、后期维护等因素的影响，确保设备的运行效果。通过加强数值模型的分析整理，通过模型构建、环境模拟等方式，提升数值分析效果，做好设备的设计与效果评价，促进分离效率，满足综合性能的实际要求，为提升设备设计的整体水平奠定坚实的基础。
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论文资助项目： 国家科技重大专项，课题名称：高含硫气田关键装备研发，课题编号：2016ZX05017-006
单位： 中国石油化工股份有限公司中原油田分公司