CN101544921A - 天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，属于热工节能净化装置，主要应用于天然气脱水除液净化分离领域。本装置由气体净化装置和气体分离装置组成。湿天然气进入分别进入超音速分离喷管，温度降低，天然气中的水和重质烷烃组分变成液态凝析出来，并形成高速旋流并切向流入水合物分离器筒体内，进行天然气、冷凝液和水三相分离，同时防止水合物的产生。本发明装置无需添加任何化学药物，高效地从天然气中分离出水和重烃类液体，节能环保，结构紧凑，占地面积小，减少了运行成本，可以实现无人操作、免维护，能够在偏远或环境恶劣的陆地和海上平台应用。

Description

天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置

技术领域

本发明装置属于热工节能净化装置，主要应用于天然气脱水除液净化分离领域。

背景技术

从井口采出的天然气并不是洁净的单相气体，而是含有水分、重组分碳氢化合物等的多相流体。这种多相流体如果未加处理就进入输送管道系统，会带来非常严重的后果。尤其是水分的存在，降低了天然气的热值和输气管道的输送能力；当条件适宜时，天然气中的水分会析出以液态水的形态出现，同时形成重组分碳氢化合物冷凝液在管道或设备中造成积液。这不仅会增加流动压降，甚至形成段塞流，还会加速天然气中酸性组分对管道和设备的腐蚀。液态水不仅在冰点时会结冰，而且，即使在天然气的温度高于水的冰点时，还会与天然气中的一些气体组分形成水合物，严重时会堵塞井筒、阀门、管道和设备，影响输气管道的平稳供气和生产装置的正常运行。所以，在天然气进入输送管道系统前，必须除去其中的水分、重组分碳氢化合物等物质。

目前，常规的、主要用于陆地的天然气除湿与净化分离技术主要有：化学吸附—再生法、物理吸附—再生法、机械制冷法和透平膨胀机制冷法等。这些常规方法虽然有一系列的优点，但也存在许多缺点，如40多年前就广泛应用的在系统中加入乙二醇的除湿方法(TEG)，以及25年前开始得到广泛应用的透平机—膨胀法等处理技术都有它们致命的缺点：前者由于乙二醇的加入会形成有毒的水合物质BTEX(芳烃)，造成对环境的污染。在环境保护越来越受到关注的今天，此项技术的应用必然会受到各国越来越严格的环保政策的限制，甚至严厉禁止。并且，由于该处理技术要加入乙二醇，就必然会造成成本的增大：它既包括乙二醇原料的费用，又包括该原料的运输、库存、管理等各方面的支出。透平机膨胀法由于设施庞大，占地面积大，又要消耗一定的动力，其维护、操作运行费用同样也会增大成本的总额。因此，有必要开发一种新的天然气除湿与净化分离技术，以满足当前市场需求。

常规的、主要用于陆地的天然气脱水除液系统为TEG处理系统，该系统非常庞大，不适合海上平台系统使用。同时该方法需要人工加入乙二醇以达到除湿与分离净化的目的，这势必要增大成本及造成对环境的污染。在输送管道中加入乙二醇还会造成水合物的产生、结垢、流体乳化、腐蚀管道等严重后果。这也是目前石油天然气产业面临的急需解决的难题之一。在TEG系统中，防止腐蚀及水合物产生的系统必须非常可靠，否则，由于管道缺陷造成的后果会非常严重。为了防止管道腐蚀通常要采用防腐合金(CRA)管道，其造价非常高。同时，为了防止有毒水合物对环境造成的污染，必须采用价格昂贵的真空脱盐装置，并支付随之而来的维护和运行费用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，研制天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置。本发明装置无需添加任何化学药物和动力装置，高效地从天然气中分离出水和重烃类液体，节能环保，结构紧凑，处理量大，占地面积小，减少了运行成本，可以实现无人操作、免维护，这使得本发明装置能够在偏远或环境恶劣的陆地和海上平台应用。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括超音速分离管和水合物分离器。超音速分离管的入口与气源供气管相连通，超音速分离管的出口与水合物分离器入口的入口相连通，超音速分离管的个数与水合物分离的入口个数相同；

所述的每个超音速分离管包括沿气体的流动方向依次设置的超音速分离管入口、直管段、渐缩段、渐扩段和超音速分离管出口；

所述的水合物分离器包括水合物分离器上筒体、水合物分离器下筒体、水合物分离器入口、干气出口、圆筒型折流壁、半球型折流壁、分隔室圆筒壁、排水口、排冷凝液口和加热器。其中：

超音速分离管的出口和水合物分离器入口相连通，圆筒型折流壁同心固定连接在水合物分离器上筒体的顶部，并与干气出口相连通，圆筒型折流壁的直径和高度均小于水合物分离器上筒体的直径和高度；

水合物分离器上筒体和下筒体之间设置有一半球型折流壁，半球型折流壁通过四个固定支架同心焊接在分离器筒体内壁面上，并与筒体内壁面留有间隙；

分隔室圆筒壁同心固定连接在水合物分离器底部内壁面，分隔室圆筒壁的直径大于水合物分离器上筒体直径但小于水合物分离器下筒体直径，同时分隔室圆筒壁的高度小于水合物分离器下筒体的高度，分隔室圆筒壁把水合物分离器下筒体同心分隔成两个空间，一个是内部圆筒型的分隔室，另一个是外部圆环型的集冷凝液室；分隔室底部与排水口相连通，集冷凝液室底部与排冷凝液口相连通。

所述的超音速分离管为六个，六个超音速分离管分别以水平60度角的间隔和六个水合物分离器入口相连通，超音速分离管的轴线与圆筒型折流壁的外壁相切。

本装置还包括加热器，加热器进出口探出水合物分离器下筒体的外壁面，加热器的加热盘管探入分隔室内，加热器内充满的热媒是25℃的油。

超音速分离管中的渐缩段的轮廓线满足如下曲线方程

$D=\frac{D^{*}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D^{*}}{D_0}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^3}}}=\frac{6.6}{\sqrt{1-0.9303\frac{{[1-\left(\frac{x^2}{100}\right)]}^2}{{[1+\left(\frac{x^2}{300}\right)]}^3}}}$

上式是以渐缩段的轴线为x轴，以减缩管入口处的圆心为坐标原点建立的方程，D为渐缩段各段的直径，L₁为渐缩段的总长度，D₀为渐缩段入口处直径，D^*为渐缩段喉部直径。

所述的水合物分离器的顶部安装有安全阀、压力表和温度表。

本装置在排干气口、排水口和排冷凝液口安装有止回阀和流量表。本发明具有以下有益效果：

1)本发明装置无需要添加任何化学药物，就可以高效地从天然气中分离出水和重烃类液体，同时有效地防止水合物的产生。

2)本发明装置中的脱水净化装置由一至六个超音速分离喷管组成，作为加速、降温装置。在不消耗任何机械功的同时获得较高的气流速度和较低的温度，有效地将天然气中的水和重质烷烃组分变成液态凝析出来。

3)根据处理天然气流量来确定工作运行超音速分离管的个数，灵活性强，能同时处理多个气源的天然气，处理量大，效率高。

4)本发明装置具有结构紧凑，占地面积小，有结构紧凑，占地面积小，无化学污染，效能高等优点防止生成水合物堵塞管道的危险。

5)本发明装置无需动力设备，节省了能源，减少了运行成本。

6)本发明装置无需加入化学药品，同时也不会产生有毒物质，既节省了原料成本，又保护了环境。

7)可以实现无人操作、免维护，这使得本发明装置能够在偏远或环境恶劣的陆地和海上平台应用。

附图说明

图1本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置结构示意图

图2本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置图1中A-A剖面图

图3本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置中的超音速分离管的结构示意图

图4本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置图1中B-B剖面图

图5利用本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置的天然气脱水净化处理系统图

图6本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置中超音速分离管中渐缩段轮廓线示意图

图中：1-超音速分离管；2-水合物分离器；3-水合物分离器上筒体；4-水合物分离器下筒体；5-水合物分离器入口；6-干气出口；7-圆筒型折流壁；8-半球型折流壁；9-分隔室圆筒壁；10-分隔室；11-排水口；12-集冷凝液室；13-排冷凝液口；14-加热器；15-加热器进出口；16-加热盘管；17-冷凝液；18-水合物；19-水；20-圆筒型折流壁固定支架；21-超音速分离管入口；22-直管段；23-渐缩段入口；24-渐缩段；25-渐缩段喉部；26-渐扩段；27-超音速分离管出口；28-超音速分离管入口法兰；29-超音速分离管出口法兰；30-采出湿天然气；31-冷却器；32-气气交换器；33-入口分离器；34-冷凝脱水用的聚流器；35-本发明装置；36-湿气输入；37-干冷气输出；38-冷凝物中的游离水。

具体实施方式：

参见图1-6按常规加工技术实施本发明技术方案。

如图1所示，本装置由气体净化装置(超音速分离管1)和气体分离装置(水合物分离器2)组成。气源供气管通过法兰与超音速分离管入口相连接，超音速分离管出口27通过法兰与水合物分离器入口5相连接。根据流量确定超音速分离管1的个数，一般不超过六个，且超音速分离管1的个数和水合物分离2入口的个数是相同的，本实施例中设置了六个超音速分离管1。

六个海上气源供气管分别与六个超音速分离管入口21连接，六个超音速分离管出口27与水合物分离器六个入口5通过法兰29相连接。

在本发明装置运行前，根据处理天然气流量来确定工作运行超音速分离管的个数。通常机组六根喷管中的五根运转，第六根备用。尽管机组允许一个喷管工作，但喷管设计调节能力不低于总产量的30％，因此工作的最少喷管数目为3个。

本发明装置中的气体净化装置由一至六个超音速分离管1组成，每个超音速分离管1包括沿气体的流动方向依次设置的超音速分离管入口21、直管段22、渐缩段24、渐扩段26和超音速分离管出口27组成。其中，直管段22与渐缩段24之间、渐缩段24与渐扩段26之间均采用固定连接，连接处管径相同。

本发明装置中的气体分离装置是水合物分离器2，主要包括水合物分离器上筒体3、水合物分离器下筒体4、水合物分离器入口5、干气出口6、圆筒型折流壁7、半球型折流壁8、分隔室圆筒壁9、分隔室10、排水口11、集冷凝液室12、排冷凝液口13和加热器14。

六个超音速分离管1分别以水平60度角的间隔和六个水合物分离器入口5通过法兰29连接，连接处管径相同，超音速分离管1的轴线与圆筒型折流壁7的外壁相切，使形成的六股高速旋流气体沿圆筒型折流壁7的切向进入水合物分离器2筒体内。圆筒型折流壁7同心固定连接在水合物分离器顶部，并与干气出口6相连通，圆筒型折流壁7的直径和高度均小于水合物分离器上筒体3的直径和高度。水合物分离器的上部与下部之间由一半球型折流壁8分开，半球型折流壁8通过四个固定支架20同心焊接在分离器筒体内壁面上，防止干气进入分离器下筒体4，半球型折流壁8与筒体内壁面留有间隙。分隔室圆筒壁9同心固定连接在水合物分离器2底部内壁面，由于分隔室圆筒壁9的直径大于水合物分离器上筒体3直径但小于水合物分离器下筒体4直径，同时分隔室圆筒壁9的高度小于水合物分离器下筒体4的高度，因此分隔室圆筒壁9把水合物分离器下筒体4同心分隔成两个空间，一个是内部圆筒型的分隔室10，另一个是外部圆环型的集冷凝液室12。分隔室10内储存的是冷凝物17、水合物18和水19的混合物，分隔室10底部与排水口11相连通。集冷凝液室12内储存的是天然气中的重质烷烃组分变成的冷凝液17，集冷凝液室12底部与排冷凝液口13相连通。加热器14固定在分隔室10竖直中间位置，且加热器进出口15探出水合物分离器下筒体4外壁面10-20mm，加热盘管16探入一侧分隔室10内壁面20-50mm，加热器14内充满的热媒是25℃的油。

超音速分离管1中的渐缩段喉部尺寸的设计要求，需要依据气体动力学和可压缩流体的热力学理论，并根据处理气源流量、物理性质、入口压力和入口流量来确定分离管喉部尺寸。超音速分离管1中的渐缩段轮廓线的设计要求(如图6所示)，渐缩段轮廓线需要满足如下所示的曲线方程：

$D=\frac{D^{*}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D^{*}}{D_0}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^3}}}=\frac{6.6}{\sqrt{1-0.9303\frac{{[1-\left(\frac{x^2}{100}\right)]}^2}{{[1+\left(\frac{x^2}{300}\right)]}^3}}}$

上式是以渐缩段的轴线为x轴，以减缩管入口处的圆心为坐标原点建立的方程，D为渐缩段各段的直径(D^*<D<D₀)，L₁为渐缩段的总长度，D₀为渐缩段入口23处直径，D^*为渐缩段喉部直径。

水合物分离器顶部要安装相应的安全阀，压力表，温度表。在排干气口6、排水口11和排冷凝液口13都要安装止回阀和流量表。

利用本发明天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置的天然气脱水净化处理系统的实施方式如下(如图5所示)：采出湿天然气30从井口到达陆地或海上的操作平台上，压力和温度较高，用冷却器31冷却，并用气气交换器32同本发明装置35输出的干冷气37换热进一步冷却，以降低进入本发明装置35的气体温度。天然气再经入口分离器32，用来初步分离气体中由于冷凝产生的液体并脱除游离水，然后气体分别进入本发明装置35中的气体净化装置(六个超音速分离管1)。通过六个超音速分离管1，将高压低速气体变为低压高速气体。在转变过程中，依据热力学第一定律，气体的压力和温度降低，速度增大。随着温度降低，天然气中的水和重质烷烃组分变成液态凝析出来。混合湿气进入水合物分离器2后，高速切向冲刷圆筒型折流壁7，并沿水合物分离器2筒体内壁作高速旋转运动。圆筒型折流壁面7防止混合气中的液体直接从干气出口6排出，同时起到强化气液分离作用。由于被分离液滴的密度远大于气体，离心力使液体同气体分离，因而进入液滴在此旋转运动中被抛向并附着在水合物分离器上筒体壁3上和圆筒形折流壁7上，聚集成较大液滴而沿筒体壁和折流壁向下流动，并落到半球型折流壁8上和与容器同心的分隔室10内。水合物分离器2的上部与下部之间由一半球型折流壁8分开，防止“干气”进入水合物分离器下筒体4，使分离出的液滴沿着球型折流壁8向下流动，并落到分隔室10内。分隔室10内是冷凝液17、水合物18和水19的混合物。冷凝液17是天然气中的重质烷烃组分变成的冷凝液，水合物18是天然气中的某些组分与液态水在较低温度条件下所形成的一种外形象冰霜的物质，俗称“可燃冰”，其密度为880～900g/m³。由于水19的密度最大，冷凝液17的密度最小，所以在分隔室10内混合物可以分成上中下三层，最上层是冷凝液17，中间层是水合物18，最底层是水19。随着本发明装置运行工作时间的增加，分隔室10内储存的混合物越来越多，于是最上层的冷凝物17溢出分隔室10，直接流入环形的集冷凝液室12内。最后，脱水净化好的“干”天然气从干气出口6排出，冷凝液17通过排冷凝液口13排出，并和入口分离器33分离出的冷凝物进入冷凝脱水用的聚流器34进行近一步脱水处理。分隔室10内最底层的水19通过排水口11排出，而水合物18将下沉并被一液下加热器14加热熔融，能够防止生成水合物。加热器14内充满热媒(油)，且油的温度被控制在25℃(比水合物生成温度高5℃)，可以防止在水合物分离器内壁上生成水合物。最后从本发明装置分离的干冷气体37进入气气换热器32回收冷量后外输，系统分离出的冷凝液和水分别储存并外输。

Claims (7)

1、天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：包括超音速分离管(1)和水合物分离器(2)；超音速分离管的入口与气源供气管相连通，超音速分离管(1)的出口与水合物分离器入口(5)的入口相连通，超音速分离管的个数与水合物分离(2)的入口个数相同；

所述的每个超音速分离管(1)包括沿气体的流动方向依次设置的超音速分离管入口(21)、直管段(22)、渐缩段(24)、渐扩段(26)和超音速分离管出口(27)；

所述的水合物分离器(2)包括水合物分离器上筒体(3)、水合物分离器下筒体(4)、水合物分离器入口(5)、干气出口(6)、圆筒型折流壁(7)、半球型折流壁(8)、分隔室圆筒壁(9)、排水口(11)、排冷凝液口(13)和加热器(14)；其中：

超音速分离管(1)的出口和水合物分离器入口(5)相连通，圆筒型折流壁(7)同心固定连接在水合物分离器上筒体(3)的顶部，并与干气出口(6)相连通，圆筒型折流壁(7)的直径和高度均小于水合物分离器上筒体(3)的直径和高度；

水合物分离器上筒体(3)和下筒体(4)之间设置有一半球型折流壁(8)，半球型折流壁(8)通过四个固定支架(20)同心焊接在分离器筒体内壁面上，并与筒体内壁面留有间隙；

分隔室圆筒壁(9)同心固定连接在水合物分离器(2)底部内壁面，分隔室圆筒壁(9)的直径大于水合物分离器上筒体(3)直径但小于水合物分离器下筒体(4)直径，同时分隔室圆筒壁(9)的高度小于水合物分离器下筒体(4)的高度，分隔室圆筒壁(9)把水合物分离器下筒体(4)同心分隔成两个空间，一个是内部圆筒型的分隔室(10)，另一个是外部圆环型的集冷凝液室(12)；分隔室(10)底部与排水口(11)相连通，集冷凝液室(12)底部与排冷凝液口(13)相连通。

2、根据权利要求1所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：所述的超音速分离管(1)为六个，六个超音速分离管(1)分别以水平60度角的间隔和六个水合物分离器入口(5)相连通，超音速分离管(1)的轴线与圆筒型折流壁(7)的外壁相切。

3、根据权利要求1所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：还包括加热器(14)，加热器进出口(15)探出水合物分离器下筒体(4)的外壁面，加热器的加热盘管(16)探入分隔室(10)内。

4、根据权利要求3所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：所述的加热器(14)内充满的热媒是25℃的油。

5、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：所述的超音速分离管(1)中的渐缩段(24)的轮廓线满足如下曲线方程

$D=\frac{D^{*}}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{D^{*}}{D_0}\right)}^2]\frac{{[1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^2}{{[1+\frac{1}{3}{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2]}^3}}}=\frac{6.6}{\sqrt{1-0.9303\frac{{[1-\left(\frac{x^2}{100}\right)]}^2}{{[1+\left(\frac{x^2}{300}\right)]}^3}}}$

上式是以渐缩段的轴线为x轴，以减缩管入口处的圆心为坐标原点建立的方程，D为渐缩段各段的直径，L₁为渐缩段的总长度，D₀为渐缩段入口处直径，D^*为渐缩段喉部直径。

6、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：所述的水合物分离器(2)的顶部安装有安全阀、压力表和温度表。

7、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置，其特征在于：在排干气口(6)、排水口(11)和排冷凝液口(13)安装有止回阀和流量表。

Images