CN105221847B - 一种天然气水合物管道输送与分解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油工程领域，涉及到天然气储运技术，具体是一种全程启旋螺旋流输送管道和天然气水合物分解工艺装置。所述天然气水合物管道输送装置由双头导流条构成，两个导流条在管壁内位置对称布置，以相同方向分别绕着管道内壁全程设置固定，形成螺旋状，构成螺旋管道。管道螺旋气体水合物输送方法废除了添加抑制剂、阻聚剂等化学品，提高了天然气运输安全性和经济性。采用三级水合物分解塔，有效实现了二氧化碳和硫化氢的分离脱出，省去了传统的天然气脱硫、脱碳设备整个流程中的水通过储水罐循环使用，且应用太阳能集热器为水升温，能耗低，满足经济、环保、高效、可循环等要求。

Description

一种天然气水合物管道输送与分解装置
技术领域
本发明属于石油工程领域，涉及到天然气储运技术，具体是一种全程启旋螺旋流输送管道和天然气水合物分解工艺装置，也可用于其它气体水合物运输及分解等领域。
背景技术
石油与天然气输送是油气田开采的重要一环，其中管道输送是最常见方式；油田开采出的天然气通常是含有水、硫化氢、二氧化碳等复杂介质，需要通过集输管道输至联合站进行处理，由于管线输送过程中存在压力较高，环境温度较低的情况，在油气输送过程中极易生成天然气水合物而堵塞管道；目前来说，防止水合物生成而堵塞管道所采用的方法是加入水合物生成抑制剂，最常用的水合物生成抑制剂是甲醇，据不完全统计，全世界每年为预防水合物生成所注入抑制剂以的费用大约5亿美元；为了解决使用抑制剂而带来的成本过高问题，人们利用管道绝热材料保持管道内温度的办法抑制水合物的生成，但是用于管道预防水合物生成的绝热材料的费用也高达62万美元/千米；又有学者提出装备多级天然气脱水装置来控制水合物的生成，虽然多级脱水装置能够有效的脱除天然气中的水分，但是由于设备成本过高，经济性较差，在实际运行过程中难以实现。
基于上述情况，为了避免因水合物堵塞管道而对天然气的运输产生危害和经济高效地分离水、硫化氢、二氧化碳等物质，本发明提供一种水合物堵塞防治与酸气分离相集成的技术方法，根据对矿场天然气的输送与处理需求，具体可分成两部分，分别为全程启旋螺旋流输送管道部分与水合物分解分离工艺部分。
发明内容
本发明的目的是为解决天然气集输和酸气分离的实际工程需求。
本发明根据对天然气的输送与处理，具体可分成两大部分，分别为气体水合物输送管道部分与分解分离工艺流程部分，下面将本发明内容分成两部分进行表述。
对于第一部分输送管道的发明，通过发明的全程启旋装置，使管道产生的螺旋流效果明显，螺旋流流型保持很好；另外，采用了双头导流条的方式，增强启旋效果，螺旋强度大，减小阻力，适用于螺旋流管道输送工程应用领域，视不同情况，也可采用三头或多头的导流方式。
本发明的螺旋流发生装置解决了以下几大难题：1.采用的双头全程导流条启旋，结构新颖，螺旋效果好，螺旋强度不衰减；2.双头导流条在保证螺旋强度的情况下，最大限度的减少阻力；3.做成特定的连续型导流条形式，使整体易于安装；4.不需要添加其他的耗能设备，能耗低。
本发明螺旋流发生装置由双头导流条构成，两个导流条在管壁内位置对称布置，以相同方向分别绕着管道内壁全程设置固定，形成螺旋状。
对于导流条，考虑到水合物颗粒周向流速需大于临界沉降流速，但又不影响轴向流动，故取宽度a为0.01~0.1D，高度h为0.15~0.25D，导流条与管道壁面夹角θ，即导流条的中心线与沿管壁的切线的夹角为15°~45°，这样能够保持较好的螺旋效果，材料采用的是16Mn，与管道内壁间采用焊接连接方式。
该螺旋流发生装置结构简单新颖，安装方便，螺旋强度高。在管道的生产过程中，就将该新型螺旋流发生装置焊接在管道内壁；管道螺旋流输送固体作为一种新型的输送方法，有着普通平直流无法比拟的优点；一般管道内的输送物质有：油、空气、天然气、水以及沉淀物等，当混合物流经管道时混合物流体将在双头导流条的作用下，产生切向速度，混合物流体由原来的轴向运动变为强螺旋运动，在螺旋流状态下，当管内切向速度最大值大于输送颗粒的沉速的某一倍数时，颗粒被“抬托”而“旋浮”，这样避免了沉淀物以及其他物质粘附在管道上导致管道阻塞而造成流动能力下降；此外，在长距离的管道中会出现动能的衰减，而应用该全程双头螺旋导流条就能够防止过流能力下降，而且，本导流条装置一旦与管道焊接在一起，生产运行以后，就不需要附加任何动力，靠起初的动能以及产生的离心力即可实现螺旋和轴向流动，减少途中对外来动力的依赖。
对于第二部分，本发明是一种新型的天然气水合物分解分离装置。
所述的一种天然气水合物分解分离装置包括：甲烷水合物分解塔、酸气吸收塔、太阳能集热器、二氧化碳水合物分解塔、脱硫塔、硫化氢水合物分解塔、离心泵和储水罐。
螺旋管道与甲烷水合物分解塔的第一入口连接，甲烷水合物分解塔的第一出口与酸气吸收塔的入口连接；甲烷水合物分解塔的第二入口与第一太阳能集热器连接；第一太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接，离心泵的入口与储水罐的出口连接；甲烷水合物分解塔的第二出口与二氧化碳水合物分解塔的第一入口连接；甲烷水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；二氧化碳水合物分解塔第一出口与脱硫塔的入口连接；二氧化碳水合物分解塔的第二入口与第二太阳能集热器连接；第二太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接；二氧化碳水合物分解塔的第二出口与硫化氢水合物分解塔的第一入口连接；二氧化碳水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；硫化氢水合物分解塔的第二入口与第三太阳能集热器连接；第三太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接；硫化氢水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；硫化氢水合物分解塔顶端设有H2S出口，底端设有废液出口。
进一步地，在螺旋管道上设有减压阀和压力表。
进一步地，在甲烷水合物分解塔与酸气吸收塔的连接管路上设有截止阀。
进一步地，在甲烷水合物分解塔与第一太阳能集热器的连接管路上设有备用加热器和温度表。
进一步地，在甲烷水合物分解塔与二氧化碳水合物分解塔的连接管道上设有减压阀和压力表。
进一步地，在二氧化碳水合物分解塔与脱硫塔的连接管路上设有截止阀。
进一步地，在二氧化碳水合物分解塔与第二太阳能集热器连接的管路上设有备用加热器和温度表。
进一步地，在二氧化碳水合物分解塔与硫化氢水合物分解塔的连接管路上设有减压阀和压力表。
进一步地，在硫化氢水合物分解塔与第三太阳能集热器的连接管路上设有备用加热器和温度表。
进一步地，硫化氢水合物分解塔顶端的H2S出口管道上设有截止阀。
进一步地，硫化氢水合物分解塔底端的废液出口官道上设有截止阀。
进一步地，二氧化碳水合物分解塔和硫化氢水合物分解塔与储水罐的连接管路上设有三通阀。
进一步地，第二太阳能集热器和第三太阳能集热器与与离心泵的连接管路上设有三通阀。
本发明技术方案如下：天然气通常含有二氧化碳和硫化氢，根据不同气体水合物的相平衡点不同，天然气水合物浆液到达接收站后首先进入甲烷水合物分解塔，同时储水罐内的水在太阳能集热器与加热器共同作用下被加热到5℃并注入热管换热器，利用减压阀控制塔内的操作压力为3.7~4.0MPa，达到甲烷水合物的相平衡点后，使浆液分解优先气化释放出甲烷。由于在此条件下会释放出少量二氧化碳和硫化氢，因此气体通过酸气吸收塔将甲烷中的二氧化碳和硫化氢去除。分解完甲烷水合物的浆液接着进入二氧化碳水合物分解塔，与被加热到8℃的水混合，控制塔内的操作压力为1.2~1.5MPa，达到二氧化碳水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出二氧化碳。由于在此条件下也会释放出少量硫化氢，因此释放出的气体通过脱硫塔将二氧化碳中的硫化氢去除。剩下的浆液最后进入硫化氢水合物分解塔，与被加热到10℃的水混合，控制塔内的操作压力为0.2~0.5MPa，达到硫化氢水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出硫化氢气体，将最后分解出的废液排出。分解过程中用于加热的水通过储水罐循环利用。
有益效果：
（1）管道螺旋气体水合物输送方法废除了添加抑制剂、阻聚剂等化学品，提高了天然气运输安全性和经济性。
（2）采用全程启旋方式，不需要添加其他的耗能设备，螺旋强度大，且装置与管道密闭相连，工艺简单，运行环保安全。
（4）采用三级水合物分解塔，有效实现了二氧化碳和硫化氢的分离脱出，省去了传统的天然气脱硫、脱碳设备。
（5）整个流程中的水通过储水罐循环使用，且应用太阳能集热器为水升温，能耗低，满足经济、环保、高效、可循环等要求。
附图说明
图1螺旋流发生装置与管道组合示意图。
图2 螺旋流发生装置断面结构示意图
1—管壁；2—导流条；h—导流条高度；a—导流条宽度；θ—导流条与管道壁面夹角。
图3气体水合物分解装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细的说明：
本发明中的螺旋流发生器如图1，由双头导流条构成，沿着管道内壁全程设置；对于导流条，宽度a为0.01~0.1D，高度h为0.15~0.25D，考虑到水合物颗粒周向流速需大于临界流速，但又不影响轴向流动，故与管道壁面夹角取15°~45°，材料采用的是16Mn，与管道内壁间采用焊接连接方式，安装剖面示意图如图2所示。
本发明的水合物分解流程如图3所示，详细方案如下，所采用的装置包括：螺旋管道3与甲烷水合物分解塔6的第一入口连接，甲烷水合物分解塔6的第一出口与酸气吸收塔9的入口连接；甲烷水合物分解塔6的第二入口与第一太阳能集热器10连接；第一太阳能集热器10的入口与离心泵28的出口连接，离心泵28的入口与储水罐29的出口连接；甲烷水合物分解塔6的第二出口与二氧化碳水合物分解塔14的第一入口连接；甲烷水合物分解塔6的第三出口与储水罐29的入口连接；二氧化碳水合物分解塔14第一出口与脱硫塔16的入口连接；二氧化碳水合物分解塔14的第二入口与第二太阳能集热器18连接；第二太阳能集热器18的入口与离心泵28的出口连接；二氧化碳水合物分解塔14的第二出口与硫化氢水合物分解塔22的第一入口连接；二氧化碳水合物分解塔14的第三出口与储水罐29的入口连接；硫化氢水合物分解塔22的第二入口与第三太阳能集热器25连接；第三太阳能集热器25的入口与离心泵28的出口连接；硫化氢水合物分解塔22的第三出口与储水罐29的入口连接；其中，4、32、34为减压阀；P1 5、P2 13、P3 21为压力表；7为热管换热器；8、15、23、30为截止阀；11、19、26为备用加热器；T1 12、T2 20、T3 27为温度表；17、24、31、33为三通阀。
其特征在于：天然气水合物浆液由螺旋管道3首先通过减压阀4降低压力后进入甲烷水合物分解塔6，同时储水罐29内的水在太阳能集热器10作用下被加热到5℃并注入到甲烷水合物分解塔6内的热管换热器7，利用压力表P1 5控制塔内的操作压力为3.7~4.0MPa，达到甲烷水合物的相平衡点后，使浆液分解优先气化释放出甲烷，由于在此条件下会释放出少量二氧化碳和硫化氢，因此气体通过酸气吸收塔9将甲烷中的二氧化碳和硫化氢去除；分解完甲烷水合物的浆液接着进入二氧化碳水合物分解塔14，加热到8℃的水注入到二氧化碳水合物分解塔14内的热管换热器，利用压力表P2 13控制塔内的操作压力为1.2~1.5MPa，达到二氧化碳水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出二氧化碳，由于在此条件下也会释放出少量硫化氢，因此释放出的气体通过脱硫塔16将二氧化碳中的硫化氢去除；剩下的浆液最后进入硫化氢水合物分解塔22，同样把加热到8℃的水注入到硫化氢水合物分解塔22内的热管换热器，利用压力表P3 21控制塔内的操作压力为0.2~0.5MPa，达到硫化氢水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出硫化氢气体，将最后分解出的废液排出，分解过程中用于加热的水通过储水罐29循环利用。
所述的一种天然气水合物分解装置，利用太阳能分解以及水循环不仅能够合理利用资源，而且也减少了处理过程对环境的污染；同时设置备用加热器能够满足晚上或者太阳能不足以提供天然气水合物分解的热量。
实施例:
本发明中的螺旋流发生器，由双头导流条构成，沿着管道内壁全程设置。假设用于外管径D=508mm，壁厚δ=8mm的管道。对于导流条，宽度a为35mm，高度h为80mm，与管道壁面夹角为30°，材料采用的是16Mn，与管道内壁间采用焊接连接方式。
天然气水合物浆液由螺旋管道3首先通过减压阀4降低压力后进入甲烷水合物分解塔6，同时储水罐29内的水在太阳能集热器10作用下被加热到5℃并注入热管换热器7，利用压力表P1 5控制塔内的操作压力为3.7MPa，使浆液分解优先气化释放出甲烷，由于在此条件下会释放出少量二氧化碳和硫化氢，因此气体通过酸气吸收塔9将甲烷中的二氧化碳和硫化氢去除；分解完甲烷水合物的浆液接着进入二氧化碳水合物分解塔14，加热到8℃的水注入热管换热器，利用压力表P2 13控制塔内的操作压力为1.4MPa，使浆液分解气化释放出二氧化碳，由于在此条件下也会释放出少量硫化氢，因此释放出的气体通过脱硫塔16将二氧化碳中的硫化氢去除，剩下的浆液最后进入硫化氢水合物分解塔22，同样把加热到8℃的水注入热管换热器，利用压力表P3 21控制塔内的操作压力为0.3MPa，使浆液分解气化释放出硫化氢气体，将最后分解出的废液排出，分解过程中用于加热的水通过储水罐29循环利用。
以上所述，仅是本发明的实施例之一而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种天然气水合物管道输送与分解装置，包括天然气水合物管道输送装置和将天然气水合物酸气分离的分解装置，所述天然气水合物管道输送装置由双头导流条构成，两个导流条在管壁内位置对称布置，以相同方向分别绕着管道内壁全程设置固定，形成螺旋状，构成螺旋管道，其特征在于：所述分解装置包括：甲烷水合物分解塔、酸气吸收塔、太阳能集热器、二氧化碳水合物分解塔、脱硫塔、硫化氢水合物分解塔、离心泵和储水罐；螺旋管道与甲烷水合物分解塔的第一入口连接，甲烷水合物分解塔的第一出口与酸气吸收塔的入口连接；甲烷水合物分解塔的第二入口与第一太阳能集热器连接；第一太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接，离心泵的入口与储水罐的出口连接；甲烷水合物分解塔的第二出口与二氧化碳水合物分解塔的第一入口连接；甲烷水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；二氧化碳水合物分解塔第一出口与脱硫塔的入口连接；二氧化碳水合物分解塔的第二入口与第二太阳能集热器连接；第二太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接；二氧化碳水合物分解塔的第二出口与硫化氢水合物分解塔的第一入口连接；二氧化碳水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；硫化氢水合物分解塔的第二入口与第三太阳能集热器连接；第三太阳能集热器的入口与离心泵的出口连接；硫化氢水合物分解塔的第三出口与储水罐的入口连接；硫化氢水合物分解塔顶端设有H2S出口，底端设有废液出口。
2.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：对于导流条，考虑到水合物颗粒周向流速需大于临界沉降流速，但又不影响轴向流动，故取导流条宽度a为0.01～0.1D，高度h为0.15～0.25D，D为管道直径，导流条与管道内壁面夹角θ，即导流条的中心线与沿管壁的切线的夹角为15°～45°，这样能够保持较好的螺旋效果，材料采用的是16Mn，与管道内壁间采用焊接连接方式。
3.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：在螺旋管道上设有减压阀和压力表。
4.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：在甲烷水合物分解塔与酸气吸收塔的连接管路上设有截止阀；在甲烷水合物分解塔与第一太阳能集热器的连接管路上设有备用加热器和温度表；在甲烷水合物分解塔与二氧化碳水合物分解塔的连接管道上设有减压阀和压力表。
5.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：在二氧化碳水合物分解塔与脱硫塔的连接管路上设有截止阀；在二氧化碳水合物分解塔与第二太阳能集热器连接的管路上设有备用加热器和温度表；在二氧化碳水合物分解塔与硫化氢水合物分解塔的连接管路上设有减压阀和压力表。
6.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：在硫化氢水合物分解塔与第三太阳能集热器的连接管路上设有备用加热器和温度表；硫化氢水合物分解塔顶端的H2S出口管道上设有截止阀；硫化氢水合物分解塔底端的废液出口管道上设有截止阀。
7.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：二氧化碳水合物分解塔和硫化氢水合物分解塔与储水罐的连接管路上设有三通阀；第二太阳能集热器和第三太阳能集热器与与离心泵的连接管路上设有三通阀。
8.如权利要求1所述的一种天然气水合物管道输送与分解装置，其特征在于：天然气水合物浆液由螺旋管道首先通过减压阀降低压力后进入甲烷水合物分解塔，同时储水罐内的水在太阳能集热器作用下被加热到5℃并注入到甲烷水合物分解塔内的热管换热器，利用压力表P1控制塔内的操作压力为3.7～4.0MPa，达到甲烷水合物的相平衡点后，使浆液分解优先气化释放出甲烷，由于在此条件下会释放出少量二氧化碳和硫化氢，因此气体通过酸气吸收塔将甲烷中的二氧化碳和硫化氢去除；分解完甲烷水合物的浆液接着进入二氧化碳水合物分解塔，加热到8℃的水注入到二氧化碳水合物分解塔内的热管换热器，利用压力表P2控制塔内的操作压力为1.2～1.5MPa，达到二氧化碳水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出二氧化碳，由于在此条件下也会释放出少量硫化氢，因此释放出的气体通过脱硫塔将二氧化碳中的硫化氢去除；剩下的浆液最后进入硫化氢水合物分解塔，同样把加热到8℃的水注入到硫化氢水合物分解塔内的热管换热器，利用压力表P3控制塔内的操作压力为0.2～0.5MPa，达到硫化氢水合物的相平衡点后，使浆液分解气化释放出硫化氢气体，将最后分解出的废液排出，分解过程中用于加热的水通过储水罐循环利用。
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