CN103566701A

CN103566701A - 一种集输系统硫沉积诱发捕集装置

Info

Publication number: CN103566701A
Application number: CN201310401081.1A
Authority: CN
Inventors: 梁法春; 陈婧; 王金龙
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: CN103566701B

Abstract

一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，主要包括筒体、上筒盖、下筒盖，装置外壁包覆有电加热膜，上筒盖设有天然气出口管线，气体排空管线，以及注氮管线，下筒盖设有液硫排放管线；筒体内部安装有捕硫网和折流伞，筒体侧壁上设有节流喷嘴，节流喷嘴与天然气进口管线相连。高含硫天然气进入本发明后，随着温度、压力以及流速的降低，溶解于载硫气体中的元素硫将逐渐析出。被气流从上游携带和重新析出的硫颗粒在本发明中收集并单独处理，从而降低了下游集输系统产生硫沉积风险。本发明克服了传统物理清洗、加注溶硫剂等硫沉积控制方法生产成本高、基础投资大，易对人员和环境造成伤害等缺点，为高含硫气田集输系统硫沉积控制提供了新的途径。

Description

一种集输系统硫沉积诱发捕集装置

技术领域：

本发明公开一种硫沉积诱发捕集装置，特别是用于控制高含硫天然气集输系统内硫沉积的诱发捕集装置。

背景技术：

对于高含硫气田，在气藏条件下,由于储层环境是高温高压,元素硫的溶解度比较大，元素硫溶解于载硫气体中。高含硫天然气进入地面集输系统后,随着温度和压力下降,当溶硫量达到饱和时硫将会结晶析出，进而发生硫沉积现象。集输站场内设备、管网复杂，硫极易在节流孔板、三通、阀门等处沉积,严重影响着设备安全和高效运行。沉积硫粘附在管壁上会降低管道有效流通面积，增加输送能耗,甚至造成堵塞,导致关井停产。此外，沉积硫会导致集输管线设备腐蚀加剧，增加泄漏风险。

目前解决硫沉积堵塞方法主要是物理清洗法和加注溶硫剂法。物理清洗是一种发生硫堵后被动解除硫堵塞方法。清洗时需要对运行装置进行拆卸，影响正产生产，操作人员劳动强度大，易发生因含硫天然气泄漏所导致的中毒事故。

溶硫剂可分为物理溶剂和化学溶剂两大类。物理溶剂一般只能处理中等硫沉积，最常用的物理溶剂是CS₂。CS₂有毒、易燃，溶解度较低，载硫量有限。在硫沉积量很大时，通常采用溶硫能力更强的化学溶剂来处理。中国专利（CN101824312A申请号）公开了一种用于清洗井筒硫沉积的硫溶剂，由主剂、催化剂和缓蚀剂组成。主剂为二烷基二硫或二苯基二硫，催化剂为有机胺、路易斯碱或其混合物，缓蚀剂为β-二乙胺苯基酮，β-松香氨基苯基酮或其混合物。

采用溶硫剂控制硫沉积方法需要设置单独的溶硫剂加注以及回收系统，设备投资大，溶硫速度低，现场作业时间长，生产运行成本高。且溶硫剂一般易燃、有毒，易对环境和人员造成伤害。此外，在站场加注溶硫剂后，沉积硫发生溶解，被气流携带进入下游集输系统，随着温度、压力的继续降低，载硫气体H₂S溶解度降低，当溶硫剂浓度不足时，将继续发生硫沉积。

鉴于此，本发明根据高含硫湿气硫沉积发生机理和生成条件，提出一种新型硫沉积控制装置，通过改变温度、压力、流场以及增加网状结构，营造硫沉积发生环境，诱发元素硫提前析出并聚结沉积，在容器内收集起来并单独处理，避免硫在下游集输系统析出和发生沉积，从而降低对下游系统发生沉积硫堵塞风险。本发明克服了传统物理清洗、加注溶硫剂等硫沉积控制方法生产成本高、基础投资大，易对人员和环境造成伤害等问题，为硫沉积控制提供了新的途径。

发明内容：

本发明的目的是为克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种控制高含硫天然气集输系统硫沉积的新型装置。

本发明由筒体、上筒盖、下筒盖组成，上筒盖、下筒盖分别和筒体上、下端相连构成一封闭容器；上筒盖设有天然气排空管线，天然气出口管线，注氮管线以及安全阀；下筒盖设有液硫排放管线；筒体内部上方安装有捕硫网，捕硫网下方安装有折流伞；折流伞下方的筒体侧壁上设有节流喷嘴，节流喷嘴入口端与天然气进口管线相连。

所述的捕硫网为丝网状金属材料，通过导线与外接电源相连。所述的筒体外壁安装有压力传感器、差压传感器、温度传感器，差压传感器两个引压点分别位于筒体内部捕硫网上下两侧，温度传感器测温点位于捕硫网中心。所述的天然气排空管线、天然气出口管线、注氮管线、液硫排放管线以及天然气进口管线均设有控制阀。所述的节流喷嘴的流道为渐缩型，节流喷嘴出口外侧内壁与筒体的内壁相切，节流喷嘴轴线与水平方向夹角为5°～25°。所述的筒体为圆柱形，上筒盖和下筒盖为半球形，其外壁均包覆有电加热膜。所述的安全阀的出口与放空控制阀下游的放空管线相连通。

本发明具有如下有益效果：高含硫天然气进入本发明后，在节流喷嘴作用下温度、压力降低，高含硫天然气含硫饱和度降低，溶解的元素硫逐渐析出，进入筒体后随着流通面积扩大流速降低，在折流伞和捕硫网作用将发生沉积，沉积硫积累一定程度后，采用电加热膜将筒体内沉积硫加热融化为液体排出，由于在上游进行深度脱硫，降低了在下游集输系统产生硫沉积的风险。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖视图；

图3为含硫天然气元素硫溶解度随温度压力变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明：

由图1可知，本发明由筒体1、上筒盖2、下筒盖3组成，上筒盖2、下筒盖3分别和筒体1的上、下端相连构成一封闭容器；上筒盖2设有天然气排空管线4，天然气出口管线5，注氮管线6以及安全阀22；下筒盖3设有液硫排放管线7；筒体1的内部上方安装有捕硫网8，捕硫网8下方安装有折流伞9；折流伞9下方的筒体1侧壁上设有节流喷嘴11，节流喷嘴11进口与天然气进口管线10相连。

所述的捕硫网8为丝网状金属材料，通过导线21与外接电源相连。

所述的筒体1的外壁上安装有压力传感器13，差压传感器14，温度传感器15；所述的差压传感器14的两个引压点分别位于筒体1内部的捕硫网8的上下两侧；温度传感器15的测温点位于捕硫网8的中心。

所述的天然气排空管线4上安装有放空控制阀16、天然气出口管线5安装有出气控制阀17、注氮管线6上安装有氮气控制阀18，液硫排放管线7上安装有液硫控制阀19，天然气进口管线10安装有进气控制阀20。

所述的节流喷嘴11的流道为渐缩型，节流喷嘴11出口外侧内壁与筒体1的内壁相切，节流喷嘴11的流体进口轴线与水平方向夹角为5°～25°。

所述的筒体1为圆柱形，上筒盖2和下筒盖3为半球形，其外壁均包覆有电加热膜12。所述的安全阀22的进口管线安装在上筒盖2上，安全阀22的出口与放空控制阀16下游的放空管线4相连通。

本发明工作过程如下：

由图1，图2所示，天然气进口管线10的进气控制阀20打开，高含硫天然气通过节流喷嘴11从切向进入筒体1。高压天然气在通过节流喷嘴11时，由于流速很高，气流与外界的热交换一般很小，节流过程可视为绝热过程。天然气的焓值是温度和压力的函数，所以节流降压后温度将发生变化，这一现象称为焦耳-汤姆逊效应。对天然气而言，当压力低于40MPa时，天然气节流后温度降低。由于天然气地面集输系统压力一般远小于40MPa，因此节流时天然气将产生温降效应。

图3所示，随着温度、压力的降低，元素硫在硫化氢气体中的溶解度降低，硫将逐渐析出。图3（a）中天然气中H₂S摩尔分数7.0%，CO₂摩尔分数23.0%，N₂摩尔分数4%，CH₄摩尔分数66.0%。图3（b）中天然气中H₂S摩尔分数20.0%，CO₂摩尔分数10.0%，N₂摩尔分数4%，CH₄摩尔分数66.0%。可见不同组成的高含硫天然气的元素硫溶解度随温度压力变化都具有类似特征。

被天然气从上游携带的硫颗粒以及在节流喷嘴11处重新析出的硫颗粒在天然气流夹带下进入筒体1后，由于节流喷嘴11流体进口轴线与水平方向夹角为5°～25°，气体携带析出的硫颗粒沿着筒体1的内壁做向下旋转运动。进入筒体1后，随着流通面积突然增加，气体速度急剧降低，携硫能力大幅减弱，大部分硫颗粒在筒体1、上筒盖2、下筒盖3所形成的密闭容器底部沉降下来。由于天然气出口管线5在上筒盖2上，气流在碰到容器底部时将向上运动，一小部分粒径较小的硫颗粒会被气体携带向上筒盖2方向运动，当碰到折流伞9在其叶片的阻档下发生沉降，最终沉积在容器底部。部分粒径非常微小的硫颗粒仍有可能被气体携带经由折流伞9继续向上运动进入捕硫网8。捕硫网8为网丝状结构，硫颗粒接触到捕硫网8后将发生聚结，与后续单质硫颗粒发生碰撞。颗粒碰撞产生的一个重要效应就是会发生颗粒团聚现象，即由单颗粒向颗粒聚团增长。元素硫以积硫网8为中心，迅速聚结。绝大部分细小硫颗粒被捕硫网8捕获，从而天然气出口管线5中基本不含硫颗粒。

随着捕硫网8沉积硫的逐渐增多，气体有效流通面积降低，捕硫网8两侧差压将逐渐增大，通过压力传感器13和差压传感器14检测筒体1内压力和压差，当监测到捕硫网8两侧的差压达到一定程度时，关闭进气控制阀20，打开放空控制阀16后关闭出气控制阀17，将筒体1内的残留的高含硫天然气排放至站场上的火炬放空系统。

当筒体1上的压力传感器压力13显示容器内压力降低到0MPa（表压）左右时，表明容器内的高含硫天然气已基本排放干净。关闭放空控制阀16，对电加热膜12和捕硫网8进行通电加热，通过温度传感器15监测筒体1内温度。当筒体1内温度达到硫融点时，筒体1内捕集到的固态沉积硫将发生融化，捕硫网8中的固态硫发生相变成为液态，沿折流伞9回流至筒体1的底部。当沉积的固态硫完全融化后，打开注氮管线6上的氮气控制阀18进行排硫作业。氮气是一种惰性气体，能够显著降低筒体1内残余含硫天然气爆炸极限，防止火灾、爆炸事故的发生。在注氮气过程中，筒体1内压力逐渐升高，当压力达到0.3MPa左右时，打开液硫排放管线7上的液硫控制阀门19，将液态硫加注到液硫回收罐车。

上筒盖2顶部设有安全阀22，一旦误操作导致容器超压，安全阀22开启，高含硫天然气通过天然气排空管线4进入站场火炬放空系统，而不会发生超压所导致的容器爆裂和天然气泄漏。

在应用中，本发明可以采用两套装置并行布置，其中一套用于在线诱发元素硫发生沉积，另一套用于加热清空所收集的沉积硫，在下一时间段两套装置相互切换，不影响正常生产。为了进一步硫沉积控制效果，可根据捕集深度的需要，本发明可以采用多级串联布置，以增强硫沉积诱发及捕集效果。

Claims

1.一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，包括筒体（1）、上筒盖（2）、下筒盖（3），其特征在于：上筒盖（2）、下筒盖（3）分别和筒体（1）上、下端相连构成一封闭容器，上筒盖（1）设有天然气排空管线（4），天然气出口管线（5），注氮管线（6）以及安全阀（22）；下筒盖（2）设有液硫排放管线（7）；筒体内部上方安装有捕硫网（8），捕硫网（8）下方安装有折流伞（9）；折流伞（9）下方的筒体（1）的侧壁上设有节流喷嘴（11），节流喷嘴（11）入口端接天然气进口管线（10）。

2.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的捕硫网（8）为丝网状金属材料，通过导线（21）与外接电源相连。

3.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的筒体（1）的外壁安装有压力传感器（13），差压传感器（14），温度传感器（15）；所述的差压传感器（14）的两个引压点分别位于筒体（1）中捕硫网（8）的上下两侧；所述的温度传感器（15）的测温点位于捕硫网（8）的中心。

4.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的天然气排空管线（4）、天然气出口管线（5）、注氮管线（6）、液硫排放管线（7）以及天然气进口管线（10）均设有控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的节流喷嘴（11）的流道为渐缩型，节流喷嘴（11）出口外侧内壁与筒体（1）的内壁相切，节流喷嘴（11）的轴线与水平方向夹角为5°～25°。

6.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的筒体（1）为圆柱形，上筒盖（2）和下筒盖（3）为半球形，其外壁均包覆有电加热膜（12）。

7.根据权利要求1所述的一种集输系统硫沉积诱发捕集装置，其特征在于：所述的安全阀（22）的出口与放空控制阀（16）下游的天然气排空管线（4）相连通。