CN104088605A - 一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统,属于热泵加热技术领域；该系统包括膨胀机、发电机、热泵机组、电动机、空气预热器、再热器、调压阀、分离器、节流阀；所述天然气从天然气气井收集后，天然气气井与分离器通过调压阀连接，分离器设有节流阀，通过节流阀可排出分离器分离出的油水混合物；分离器与膨胀机相连，膨胀机与空气预热器相连，空气预热器与再热器相连；本系统不需要额外的能量供应：膨胀机发电机组将高压天然气的压力能转换成电能，这部分电能再驱动热泵机组运转，剩余电能还可用于其它设备用能或并网外输；不涉及天然气燃烧设备，绿色环保、易于操作、适用范围广。

Description

一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统

技术领域

本发明是涉及一种节能型的天然气井口加热节流系统，属于热泵加热技术领域，尤其涉及一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统。

背景技术

天然气在采集过程中，一般地下压力较高(达20MPa以上)，为了节省投资及安全生产，需要对井下天然气进行节流降压，然后再进行地面集输、预处理等生产过程。天然气从气井采出后，在流经节流元件时，由于节流作用会使气体压力降低、体积膨胀、温度急剧下降，以至于使管线内部天然气中的水分形成气体水合物或凝析出来冻结成冰，造成管线堵塞。为防止水合物或冰堵的生成，目前国内外通常采用的井场天然气集输工艺流程有两种：(1)在井口利用加热炉(燃烧部分天然气)来加热天然气；(2)向天然气中喷注防冻抑制剂(如甲醇)。这两种工艺的能量消耗主要集中在气体节流过程中的压力能损失和气体加热过程中的热能消耗，尤其对于常温分离工艺，经过加热后的天然气必须达到60℃左右才能进入分离器。如果能充分利用在节流过程中损失掉的压力能，同时节约额外消耗的热能，则不仅可以产生巨大的经济效益，而且可以消除天然气燃烧所引起的环境污染。

在公开的文献资料中，井场天然气集输工艺中的节能技术应用较少，主要有两种：(1)井口天然气压能发电系统，利用天然气压能直接推动特制膨胀机做功，带动发动机发电；(2)井下节流工艺，将节流器安装于井下油管的适当位置，在实现井筒节流降压的同时利用地温与节流后天然气之间的温差对节流后的天然气流加热，以防止水合物的形成。上述两种方法，无法同时使用在一种天然气集输工艺中，并且仍然需要加热炉的加热才能使天然气达到所需的常温分离或集输温度。

发明内容

针对目前现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出了一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，该系统复合了膨胀机发电机组和热泵系统两种节能技术的天然气井口加热节流系统，不仅充分利用井口天然气的压力能进行发电，而且利用膨胀降温后的天然气与环境间的温差使天然气从环境中吸收一部分热量使其温度得到部分恢复，同时，将压力能膨胀机发电机组产生的电能用来驱动热泵系统，热泵产生的高品位热能代替了传统加热炉对天然气加热，节约了大量的能源。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，其利用膨胀机-发电机联合机组将高压天然气的压力能转变成电能，同时使天然气的压力降至外送集输管道所需的压力；从膨胀机中降压后的低温天然气，先通过空气预热器从环境中吸收部分热量得到预热，然后再进入热泵机组(可以是地源热泵、空气源热泵或是水源热泵)系统将降压后的天然气加热到外送集输管道所需的温度；热泵机组由膨胀机-发电机联合机组所产生的电力驱动，不需要外部供电。

一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，该系统包括膨胀机、发电机、热泵机组、电动机、空气预热器、再热器、调压阀、分离器、节流阀；所述天然气从天然气气井收集后，天然气气井与分离器通过调压阀连接，分离器设有节流阀，通过节流阀可排出分离器分离出的油水混合物；分离器与膨胀机相连，膨胀机与空气预热器相连，空气预热器与再热器相连；其中，发电机、电动机、热泵机组依次相连，共同组成本系统的发电加热系统；所述膨胀机与发电机相连；热泵机组与再热器相连，并通过工质与低温天然气进行热交换。

该系统的工作过程如下，天然气从各天然气气井收集后经输运管线送至调压阀，经过调压阀调压，再进入分离器进行油-水-固体颗粒-气分离；分离出的油水混合物从排污管线经节流阀排出分离器，而初步脱水、脱油、脱固体颗粒后的天然气被送入膨胀机，驱动膨胀机旋转并带动与膨胀机相联的发电机电；发出的电能一部分被输送到电动机用于驱动热泵系统，另一部分进入供电电网或用于天然气系统的其它电力供应。从膨胀机排出的天然气经过绝热膨胀后，压力降至外送集输管道所需的压力，温度急剧下降(下降幅度与膨胀机的膨胀比，也即进出口压力比有关，膨胀比越大，温度下降幅度也就越大)且远远低于环境温度；将从膨胀机膨胀做功后的低温天然气送入过空气预热器从环境中吸收热量，温度得到第一次被恢复；经过空气预热器后的温度得到初步恢复的天然气再被送入再热器，由膨胀机-发电机联合机组产生的电力驱动的热泵系统中的工质进行加热，使其温度第二次被恢复至集输管道所需的温度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、将膨胀机-发电机机组、空气预热器和热泵机组集合成一个能量自给系统，在将天然气压力降低到集输系统所需压力的同时，将其温度恢复到所需的温度；

2、不需要天然气井口加热炉，也不需要添加任何药剂，节省了大量能源；

3、利用井口天然气余压发电驱动热泵系统，不需要其他能量的输入；

4、将空气预热器与膨胀机相结合，借助环境加热效应使排出膨胀机的低温天然气的温度得到部分恢复。

附图说明

图1是节能型天然气井口加热节流系统示意图；

图中，实线表示天然气管线；

虚线表示分离器排污管线；

双线表示动力和电力输出线；

点划线表示热泵系统循环工质。

1-天然气井口；2-调压阀；3-分离器；4-节流阀；5-膨胀机；6-发电机；7-电动机；8-热泵系统；9-空气预热器；10-再热器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，该系统包括膨胀机5、发电机6、热泵机组8、电动机7、空气预热器9、再热器10、调压阀2、分离器3、节流阀4；所述天然气从天然气气井1收集后，天然气气井1与分离器3通过调压阀2连接，分离器3设有节流阀4，通过节流阀4可排出分离器3分离出的油水混合物；分离器3与膨胀机5相连，膨胀机5与空气预热器9相连，空气预热器9与再热器10相连；其中，发电机6、电动机7、热泵机组8依次相连，共同组成本系统的发电加热系统；所述膨胀机5与发电机6相连；热泵机组8与再热器10相连，并通过工质与低温天然气进行热交换。

该系统的工作过程如下，天然气从各天然气气井1收集后经输运管线送至调压阀2，经过调压阀2调压，再进入分离器3进行油-水-固体颗粒-气分离；分离出的油水混合物从排污管线经节流阀4排出分离器3，而初步脱水、脱油、脱固体颗粒后的天然气被送入膨胀机5，驱动膨胀机5旋转并带动与膨胀机相联的发电机6发电；发出的电能一部分被输送到电动机7用于驱动热泵系统8，另一部分进入供电电网或用于天然气系统的其它电力供应。从膨胀机5排出的天然气经过绝热膨胀后，压力降至外送集输管道所需的压力，温度急剧下降(下降幅度与膨胀机的膨胀比，也即进出口压力比有关，膨胀比越大，温度下降幅度也就越大)且远远低于环境温度；将从膨胀机5膨胀做功后的低温天然气送入过空气预热器9从环境中吸收热量，温度得到第一次被恢复；经过空气预热器9后的温度得到初步恢复的天然气再被送入再热器10，由膨胀机-发电机联合机组产生的电力驱动的热泵系统8中的工质进行加热，使其温度第二次被恢复至集输管道所需的温度。

实施例

结合某油田某井场的天然气状态参数，对本发明的技术方案做详细描述，同时验证它的可行性。

*注：1、气田产量为标况(1atm，20℃)下100,000Nm³/d，此时天然气密度为0.79156kg/m³；

2、各个状态点的天然气焓值都是根据相关软件计算所得。

参阅表1，某井场井口天然气的状态参数为35MPa、40℃，集输管网所需要的输送压力为10MPa。经过常规节流工艺降压后的压力为10MPa，温度为4.00℃。(常规节流工艺属于节流前后焓不变的过程)

本发明系统中，井口天然气将在膨胀机5中经绝热膨胀过程对外做功，按等熵过程计算，可以求得膨胀机出口天然气压力为10MPa、温度为-20.24℃。假设膨胀机的效率为0.6，则膨胀机的输出功率为65.10kW。

本发明系统中，空气预热器入口天然气为膨胀机出口流体，参数为10MPa、-20.2352℃。空气预热器的热流体为大气环境，假设夏季气温平均在25℃、冬季气温平均在5℃，按照热端冷热流体5℃的温差进行计算，空气预热器的出口天然气温度可以达到20℃(夏季)和0℃(冬季)。

为了使天然气达到60℃的外输管道所需温度，本发明系统中热泵机组必须提供143.0882kW(夏季)/224.0608kW(冬季)的热量给天然气。如果用输出功率为65.0988kW的膨胀机带动发电机组，所发出的电能全部用于驱动热泵机组，同时使热泵机组输出的高品位能量能够满足对天然气的加热要求，则热泵机组需要提供的加热量为143.0882kW(夏季)/224.0608kW(冬季)，这就要求该热泵机组在夏季和冬季的最小COP分别为2.1980和3.4419，这就目前的热泵技术来说，是完全能达到的技术指标。

简单计算表明，如果采用常规节流工艺，然后再用天然气锅炉对天然气进行加热，则天然气加热炉的加热功率约为199.3kW。加热炉的效率按80％计算，则每天需要消耗天然气约579Nm³。

Claims (2)

1.一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，其特征在于：该系统包括膨胀机(5)、发电机(6)、热泵机组(8)、电动机(7)、空气预热器(9)、再热器(10)、调压阀(2)、分离器(3)、节流阀(4)；所述天然气从天然气气井(1)收集后，天然气气井(1)与分离器(3)通过调压阀(2)连接，分离器(3)设有节流阀(4)，通过节流阀(4)可排出分离器(3)分离出的油水混合物；分离器(3)与膨胀机(5)相连，膨胀机(5)与空气预热器(9)相连，空气预热器(9)与再热器(10)相连；其中，发电机(6)、电动机(7)、热泵机组(8)依次相连，共同组成本系统的发电加热系统；所述膨胀机(5)与发电机(6)相连；热泵机组(8)与再热器(10)相连，并通过工质与低温天然气进行热交换。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统，其特征在于：该系统的工作过程如下，天然气从各天然气气井(1)收集后经输运管线送至调压阀(2)，经过调压阀(2)调压，再进入分离器(3)进行油-水-固体颗粒-气分离；分离出的油水混合物从排污管线经节流阀(4)排出分离器(3)，而初步脱水、脱油、脱固体颗粒后的天然气被送入膨胀机(5)，驱动膨胀机(5)旋转并带动与膨胀机相联的发电机(6)发电；发出的电能一部分被输送到电动机(7)用于驱动热泵系统(8)，另一部分进入供电电网或用于天然气系统的其它电力供应；从膨胀机(5)排出的天然气经过绝热膨胀后，压力降至外送集输管道所需的压力，温度急剧下降且远远低于环境温度；将从膨胀机(5)膨胀做功后的低温天然气送入过空气预热器(9)从环境中吸收热量，温度得到第一次被恢复；经过空气预热器(9)后的温度得到初步恢复的天然气再被送入再热器(10)，由膨胀机-发电机联合机组产生的电力驱动的热泵系统(8)中的工质进行加热，使其温度第二次被恢复至集输管道所需的温度。