CN105980825A - 天然气凝液调压气化器采样系统 - Google Patents

天然气凝液调压气化器采样系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于天然气凝液样本调节的系统和方法，包括隔热箱体，其具有样本输入部、气化器、加热调节器、气体样本出口和控制系统，用于防止已调节的样本在进入相关联的分析装置之前产生相位分离和/或再液化，并且在具体实施例中，其特征在于自动切断系统，用以防止样本液体进一步处理和经过相关联的分析装置。

Description

天然气凝液调压气化器采样系统
优先权声明
该PCT国际申请请求于2014年2月12日提交的美国临时申请61/938，905的优先权。
技术领域
本发明涉及并且改进了从天然气凝液输入中收集和调节包含重质碳氢化合物的样本，特别的是，涉及来自天然气凝液源的管线样本的温度调节，以维持气体在一个低压下且不再重新液化用于分析，该天然气凝液源为例如页岩。
背景技术
没有冷冻的气态的天然气凝液(NGL)在气化后还包括相当多分离出的液化天然气。这种分离出的液体的存在破坏了测量气体的能量值的定性精度。该问题随着NGL从水力压裂处理中恢复而变得越来越严重。
不像常规来源获得的典型气体，由于重质碳氢化合物(例如，由多于五个碳原子组成并且通常为液态的那些)的存在，NGL引入了新的分析问题，这些重质碳氢化合物在从传统气井中获取的流体中并不存在。例如，根据何时进行测量，在哪里处于相变曲线，宽等级可以完全足够产生相位分离并导致成分不均匀，其中该宽等级包含甲烷至C5的基本范围以及重质成分，例如沥青，沸点在300-400°F(148-204℃)范围内的材料。轻质和重质的成分分层导致这种偏差并且使分析产生偏差。在分析前气化后再液化导致更加严重的情形。因为大多数GCs在低于150°F(65℃)且高于180°F(82℃)的温度和低于10psig的压力下不能适当地操作，如果液体被引入常规气相色谱仪(GC)，将会使液体溢出分析装置并使分析装置失效。
许多用于NGL的处理设备依靠多种和重复，最多高达25个气相色谱仪和湿度分析装置，大多数布置在中游。众所周知，这种分析装置，尤其是气相色谱仪，每个花费高达50，000美元。如果使液体溢出了GC，则必须关闭和重建甚至替换GC。除了处理这种关闭造成的中断的成本，还会导致基本维护、劳力和设备成本。
许多样本提取和调节单元包含液体阻挡特征，从而避免液体溢出问题。然而已经发现，布置这种常规的液体阻挡物将去除调节箱内的温度和压力限制，因而允许显著增加的“液体重物”完全气化。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新型天然气凝液采样系统和方法，其可以在包含液体状物的NGL方面替代和改善现有技术的性能。
本发明的一方面的另一个目的是防止相关联的气体分析装置由于液体进入导致液体溢出。
本发明的另一个目的是减少与重质碳氢化合物和包含NGL的液体的线性实时分析相关联的设备和劳力成本。
本发明的另一个目的是提供一种系统，可以进行NGL采样和分析，防止蒸气和/或液体发生两相/多相分离。
本发明的另一个目的是监测调节系统的参数和在检测到预定的参数偏移阈值和/或电损失时中断样本分析处理。
这些和其他目的通过本发明实现，在第一实施例中，其特征在于一种系统，该系统用于提取和调节非冷冻的含宽等级的天然气凝液样本，用于分析，该系统包括：
a)隔热箱体；
b)液体样本输入线路；
c)气化器，该气化器用于使液体快速气化并连接至输入线路；
d)气化样本输出线路；
e)加热压力调节器，该加热压力调节器用于从气化样本输出线路接收气化样本；
f)输出样本气体导管线路，该输出样本气体导管线路通向位于隔热箱体外部的气体样本分析装置，该输出导管线路的一端连接至加热压力调节器；和
g)控制器单元，该控制器单元电连接至气化器和加热压力调节器；该控制器连接至电源；该控制器用于监测从加热调节器输出的气化样本的温度和压力以处于气体样本分析装置的许可操作范围内。
本发明的系统在第二个实施例中的特征在于速度环，该速度环与气化器相关联。
本发明的系统在第三个实施例中的进一步特征在于减压阀，该减压阀用于在从加热调节器输出的气体样本超过气体样本分析装置的许可操作范围的情况下减小压力。
本发明的系统在第四个实施例中的特征在于通信设备，该通信设备与控制器单元相关联。
本发明的系统在第五个实施例中的进一步特征在于液体过滤器，该液体过滤器布置在样本输入线路和气化器中。
本发明的系统在第六个实施例中的进一步特征在于电磁驱动阀，该电磁驱动阀布置在液体过滤器和气化器的输入部之间，用于中断液体样本向气化器的流动。
本发明的系统在进一步实施例中的特征在于一种系统，该系统用于提取和调节非冷冻的液体样本，用于通过下游分析装置分析，该系统的特征在于：
a)隔热箱体；
b)样本输入线路；
c)气化器，该气化器用于使样本快速气化并连接至输入线路；
d)气化样本输出线路；
e)加热压力调节器，该加热压力调节器用于从气化样本输出线路接收气化样本；
f)输出样本气体导管线路，该输出样本气体导管线路通向位于隔热箱体外部的气体样本分析装置，该输出导管线路的一端连接至加热压力调节器；和
g)控制器单元，该控制器单元用于监测隔热箱体中的处理情况，包括在检测到处理情况偏离预设范围时驱动电磁阀以中断液体流入气化器；该控制器与气化器、加热压力调节器、电磁阀和情况检测传感器进行操作信号通信，用于当样本经过该系统到达气化样本输出线路时监测样本的温度和压力，以处于许可操作范围；该控制器连接至电源；该控制器和通信模块用于远程传送监测的情况。
本发明的系统在比先前实施例更进一步的实施例中的进一步特征在于过滤器和相关联的速度环，该速度环布置在样本输入线路中。
本发明的系统在第二个进一步实施例中的进一步特征在于电磁阀，该电磁阀电连接至控制器单元，并且具有常闭位置，该电磁阀在激励时释放加压空气以驱动布置在液体样本输入线路中的球形阀，从而切断样本流动。
本发明的系统在第三个进一步实施例中的进一步特征在于多个电磁阀，该多个电磁阀电连接至控制器单元，每一个电磁阀具有常闭位置，每一个电磁阀在断电时分别释放加压空气以驱动布置在液体样本输入线路中的相关联的球形阀，从而切断液体向气化器流动，以及驱动布置在气化样本输出线路中的球形阀，从而切断气化样本向分析装置流动。
本发明的系统在第四个进一步的实施例中的进一步特征在于热电偶输入部，该热电偶输入部与分析装置相关联并且与控制器单元通信，以便当检测的分析装置的温度下降至低于预定最小值以下时驱动电磁阀，从而切断样本流动。
在详细说明中，涉及“一个实施例”、“实施例”或者“在多个实施例中”，意指该指定特征包括在本发明的至少一个实施例中。此外，单独参考“一个实施例”、“实施例”或者“多个实施例”，不一定指向相同的实施例；然而它们不是互相排斥的实施例，除非如此描述出来以及对于本领域技术人员是明显的。因此，本发明可以包括在此描述的实施例的各种组合和/或全体集合。
这里使用的术语仅是为了描述特定的实施例示例并且不是意图限制本发明。在此使用的单数形式的“一”、“一个”、“该”也意指包括复数形式，除非上下文清楚地表示出其他意思。应当理解的是，在说明书中使用的“包括”和/或“具有”指定说明的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不阻碍存在或者附加至少一个其他特征、步骤、操作、元件和/或其组合。
在此使用的术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或者任何其他的变体，都意指覆盖非排除性的包括。例如，过程、方法、项目或者设备，其包括一列特征，其不一定仅仅局限于这些特征，而可以包括这种过程、方法、项目或者设备没有明确列出或者非固有特征的其他特征。
用于限定目的在此使用的“连接”包括物理的，不论直接或者间接，粘接或者活动安装，比如通信单元连接至PID控制器，不论通过直接或者以一定间隔通过常规的无线联接。因此，除非特指，“连接”意指包含任何可操作的功能连接。
除非明确地表示相反的意思，在此使用的“或者”指的是可兼容性的或者，而不是异或。例如，状态A或者B满足以下任何一个：A为真(或者存在)和B为假(或者不存在)，A为假(或者不存在)和B为真(或者存在)，以及A和B都为真(或者存在)。
在此使用的“大致”，“通常”和其他程度类的词是相对修饰词，用于表示特征修改的容许变量。这并不是意指局限于绝对的值或者特征，其可以进行修改而不是比其对立面具有更多物理或者功能特性，并且优选地，接近或者近似这种物理或者功能特性。
在下文描述中，附图的标号是用于说明目的，用于表示本发明可以实施的特定示范性实施例。以下图示实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解的是，其他实施例也可以应用，并且可以基于目前已知的结构和/或功能等同物进行结构性变化，而不偏离本发明的范围。
附图说明
图1是根据本发明的天然气凝液调压气化器系统的实施例的示意图；
图2是根据本发明的天然气凝液调压气化器系统的替换实施例的示意图；
图3是与图2中的实施例关联的自动样本切断电路的简图；
图4是根据本发明的另一方面的切断系统的实施例的示意图。
具体实施方式
图1图示了本发明的单流天然气凝液样本气化器系统10。本系统包括箱体12，优选地符合标准：级1，部1，组C，D，t3(<200℃)要求。箱体12利用隔热部14完全地隔热，以保持内部高温。内部箱体组件包括气体管线16、18和20，成排的压力计22和24，样本NGL气化器26，例如，从美国西佛吉尼亚州鸦林镇的玛氏唐森普林有限公司(Mustang Sampling)获取的375瓦特的玛氏唐气化器和200瓦特的加热压力调节器28，两者都被牢固地安装在保温箱12内。
在外部箱体壁上附接适当尺寸的直通孔(feedthrough)，嵌入式PID控制器系统30从该直通孔突出，例如从St.Louis，MO，US(美国密苏里州圣路易斯市)的瓦特隆获得的瓦特隆单一控制器(EZ-Zone)，其电连接并控制样本系统组件。控制器30电连接至适当的电源并包含数字通信连接，可以提供标准硬件连接，例如RS 485或者USB，或者无线通信技术。
PID控制器30通过经过密封直通导管32的硬接线电连接至内部箱体组件，密封直通导管32包括适当直径的电镀导管(例如，3/4英寸)，其具有相关连的密封配件，变径接头等。导孔的构造和相关连的导管必须符合应用标准，比如NEC Sec.500(2011)。
转接至关于图示实施例说明的箱体12的气体样本路径，气体样本一般从NGL提取点通过小的样本气体线路流动，该样本气体线路通常由连接至形成在箱体12的壁上的直通孔32的小直径不锈钢管组成。在进入箱体内部时，包含样本的重质碳氢化合物通过该线路流动至加热的液体样本气化器26。气化器26保持样本液体在泡点压力和温度以下，直至其进入小体积的闪蒸室，其具有非常大的传热面积，使样本可以瞬间气化。用于气化的热量从与气化器关联并连接至控制器30的电加热器盒传输。闪蒸室用于保持均匀的样本蒸气，其表示实际液体样本成分。
气化器输入的接点可以包含压力修复速度环或者通气孔36，以便防止样本在气化步骤中压力过大。速度环/通气孔可以包含中间单向止回阀，并经由直通通气孔连接至箱体外部。这种速度环及其功能在专利权人早期授权专利US7844404中有描述，其内容通过引用被全部包含在本文中。使用者可以选择调节器的特殊形式，隔膜或者活塞，用于特定安装。显著地，在液体样本流的情形下，隔膜调节器被认为具有优异的性能。
气化样本通过线路18被输出至加热压力调节器28，其在此经受压力和温度调节，然后通过T连接器27从加热调节器出来，T连接器27将气化样本馈送至样本输出线路20和内部通气线路25，内部通气线路25用于排出通过计量器24测量的超过分析装置安全压力的气化样本，并且适当加热和加压的气化样本通过样本输出部33被传送至相关联的分析器，该样本输出部33布置在直通箱体外部的适当隔热的直通孔中，其可以包括通气防虫特性的通气孔。
在常规操作中，气化液体样本在高温高压下经过气化器至加热调节器，以便在减压期间通过维持加热样本，防止气化样本流中的重质碳氢化合物发生露点下降/焦耳-汤普森冷凝作用，样本流已经被适当调节，可以通过样本分析装置的直通孔排出箱体。该系统优选地包含通信设备，以便允许远程监测和控制系统，可以在适当时对系统做出改变。
转接至上述实施例的变型，图2中的实施例包含样本调节切断系统，以便防止液体从该系统输出部进入关联的色谱仪，用于保护分析装置。在本实施例中，PID控制器37是嵌入式双重控制器，其也是从瓦特隆获得的瓦特隆双重控制器(EZ-Zone)。图示实施例的特征在于三个电磁控制切断阀，其布置在沿着样本路径选择的点，可以根据检测到的异常调节系统参数被驱动，比如热量、压力、流速、背压力、气化后液体检测，甚至系统电力损失。剩余的切断阀用于维持系统组件处于操作准备中，直到不正常参数被校正。如果通过连接至控制器的热电偶46(参见图3)监测到任何一个样本调节器箱体组件中的温度，甚至分析装置中的温度低于设定点(比如，气相色谱仪的烘箱)，则该切断系统阀切断液体流动。压力通过使用常规布置的压力传输装置监测，该压力传输装置可以与例如图示的压力计16和24相关联。同样可以包括背压传感器/传输装置，以便与供应压力比较。通过双重控制器37电控制的另一个压力开关44可以被包含在该系统中，以便保障分析装置运载气体足以用于GC操作。如果运载气体下降至低于阈压力，例如，75psig，则常闭触点打开，并且使色谱仪闲置，直到问题被校正后对此输入样本。尽管图中未显示，系统可以容易地包含一个或多个沿着样本路径布置的电子流量计，以便保障气化样本流速落入许可参数范围内。
当检测到能够使相关联的分析装置时效的不希望情况或者偏差时，比如样本压力过高、样本温度过低，或者检测到液体导致液体溢出分析装置时，本发明的切断式实施例电连接控制器30，其发送信号至螺线管38、40和42，其控制例如常规的气动驱动型球形阀切断向气化器的流体样本输入，向加热调节器的气化样本输入，以及从调节器向相关联的分析装置的样本输出。
参见图4，图示了包含液体样本调节系统的切断系统。该系统容纳于箱体50，其特征在于标准构造的样本气化器52和加热压力调节器54。在本实施例中，来自选择的取样点的样本经由处理样本入口56进入箱体50并且最终通过样本输出部57进入分析装置。液体样本路径首先从输入部56引导至过滤液体速度环，该过滤液体速度环的特征在于：过滤器构件58，优选为自清洁0.5微米颗粒过滤器，例如602T Tornado(托纳多)过滤器；旁流指示器60；压力计参考物62，压力计参考物62布置在过滤器构件58的上游和下游，并返回至处理部64并且测量入口和出口。过滤的样本通过适当的管道从过滤器构件58移动至凝聚式过滤器66，用于除去样本流中的悬浮微粒和大液滴(经由排出管)，这点在可能存在油时尤其重要。包含过滤元件是可选的，除非特定的情况下如此需要，比如高含油量、大的悬浮颗粒滴等。
从凝聚式过滤器，样本路径通向气化器52，如上所述，其自身可以包括液体速度环，该液体速度换的特征在于内置旁路。然而，在样本路径到达气化器之前，电磁驱动式液体中断阀68被放入该线路中。中断阀68优选地为空气驱动式的阀并且阻断液体流从过滤器进入气化器。从外部源头(例如，氮气瓶)通过来自仪表空气端口70的空气线路69提供空气。通过空气线路69从电连接至PID控制器72的电磁阀70供应的仪表空气驱动阀68。电磁阀70在断电时为常闭的，也就是说，在电力损耗时其自动切断流动。如果检测的系统参数偏离超过选择的阈值时，PID控制器也可以使螺线管断电，例如，如果温度下降至本应用场合的特定设定点以下，则控制器发送信号至螺线管使打开其触点。在多个分析装置组沿着处理路径布置的情况下，通过连续地监测温度，样本调节器50利用集成的通信设备73，即RS485通信端口，可以发送离散的报警信号至下游的分析装置或者数字控制系统。
相应地，液体或者相位分离的气化样本被阻止进入分析装置，其用于防止样本成分分析失真和/或分析装置损坏。在电故障时，切断式实施例也可以切断调节器系统样本流动。电故障不可避免地引起刚从加热调节器出来的样本的压力问题和重大温度损失。如果发生电故障，完全气化受到影响并且从气化器闪蒸室出来的样本容易发生相位分离。因此，本发明提供分析装置和数据保护，其还未在本应用场合中使用。
尽管大多数应用于NGL样本处理，但是在此说明的切断系统同样可以应用于监测各种气化样本流的调节参数，其中该气化样本流被处理用于引入分析装置。
在上述说明中提供了本发明的图示实施例。本领域技术人员应当理解的是，对于本发明可以想到各种修改和实施例，这些都将属于本发明，都得益于在上述描述和相关附图中呈现的教导。因此，还应当理解的是，本发明并不局限于在此公开的具体实施例，对于本发明的许多修改和其他实施例也应包括在本发明范围之内。此外，尽管在此采用特定术语，但是它们仅仅用于一般的和描述的意义，并非用于限制所描述的发明的目的。
工业实用性
本发明包含一种系统，其用于从非冷冻液体源，例如从液体输入部至相关的分析装置的含宽等级的天然气凝液(NGL)适当地收集、调节和传送均匀的气化样本，使在质量上和数量上的成分分析偏斜和/或液体溢出并损坏分析装置的相位偏离和再液化最小化。在一个实施例中，本发明还包含一种切断系统，用于隔绝样本进入分析装置，并且允许维持调节器系统中的操作条件。

Claims (15)

1.一种系统，所述系统用于提取和调节非冷冻的含宽等级的天然气凝液样本，用于分析，所述系统的特征在于：
a)隔热箱体；
b)液体样本输入线路；
c)气化器，所述气化器用于使液体快速气化并连接至输入线路；
d)气化样本输出线路；
e)加热压力调节器，所述加热压力调节器用于从所述气化样本输出线路接收气化样本；
f)输出样本气体导管线路，所述输出样本导管线路通向位于所述隔热箱体外部的气体样本分析装置，所述输出导管线路的一端连接至所述加热压力调节器；和
g)控制器单元，所述控制器单元电连接至所述气化器和所述加热压力调节器；所述控制器连接至电源；所述控制器用于监测从所述加热压力调节器输出的气化样本的温度和压力，以处于所述气体样本分析装置的许可操作范围内。
2.如权利要求1所述的系统，其进一步特征在于速度环，所述速度环与所述气化器相关联。
3.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其进一步特征在于减压阀，所述减压阀用于在从所述加热调节器输出的气体样本超过所述气体样本分析装置的所述许可操作范围的情况下减小压力。
4.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其进一步特征在于通信设备，所述通信设备与所述控制器单元相关联。
5.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其进一步特征在于液体过滤器，所述液体过滤器布置在所述样本输入线路和所述气化器中。
6.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其进一步特征在于电磁驱动阀，所述电磁驱动阀布置在所述液体过滤器和所述气化器的输入部之间，用于中断液体样本向所述气化器流动。
7.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其进一步特征在于电磁驱动阀，所述电磁驱动阀布置在所述液体过滤器和所述气化器的输入部之间，用于中断液体样本向所述气化器流动。
8.一种系统，所述系统用于提取和调节非冷冻液体样本，用于通过下游分析装置分析，所述系统的特征在于：
a)隔热箱体；
b)样本输入线路；
c)气化器，所述气化器用于使样本快速气化并且连接至输入线路；
d)气化样本输出线路；
e)加热压力调节器，所述加热压力调节器用于从所述气化样本输出线路接收气化样本；
f)输出样本气体导管线路，所述输出样本气体导管线路通向位于所述隔热箱体外部的气体样本分析装置，所述输出导管线路的一端连接至所述加热压力调节器；和
g)控制器单元，所述控制器单元用于监测所述隔热箱体中的处理情况，包括在检测到处理情况偏离预设范围时驱动电磁阀以中断液体流入所述气化器；所述控制器与所述气化器、所述加热压力调节器、电磁阀和情况检测传感器进行操作信号通信，用于当样本经过所述系统到达所述气化样本输出线路时监测样本的温度和压力，以处于许可操作范围内；所述控制器连接至电源；所述控制器和通信模块用于远程传送监测的情况。
9.如权利要求8所述的系统，其进一步特征在于过滤器和相关联的速度环，所述速度环布置在所述样本输入线路中。
10.如权利要求9所述的系统，其进一步特征在于所述电磁阀，所述电磁阀电连接至所述控制器单元，并且具有常闭位置，所述电磁阀在激励时释放加压空气以驱动布置在液体样本输入线路中的球形阀，从而切断样本流动。
11.如权利要求9所述的系统，其进一步特征在于多个电磁阀，所述多个电磁阀电连接至所述控制器单元，每一个电磁阀具有常闭位置，所述每一个电磁阀在断电时分别释放加压空气以便驱动布置在液体样本输入线路中的相关联的球形阀，从而切断液体向所述气化器流动，以及驱动布置在所述气化样本输出线路中的球形阀，从而切断样本向所述分析装置流动。
12.如权利要求11所述的系统，其进一步特征在于热电偶输入部，所述热电偶输入部与所述分析装置相关联并且与所述控制器单元通信，以便当检测的所述分析装置的温度下降至低于预定最小值以下时驱动电磁阀，从而切断样本流动。
13.如权利要求12所述的系统，其进一步特征在于压力传感器，所述压力传感器与用于所述分析装置的运载气体输入部相关联并且与所述控制器单元通信，以在所述运载气体水平预设最小值的情况下使所述分析装置闲置。
14.如权利要求9至13中任一项所述的系统，其进一步特征在于减压阀，所述减压阀用于在从所述加热调节器输出的气体样本超过所述气体样本分析装置的许可操作范围的情况下释放压力。
15.如权利要求9至13中任一项所述的系统，其进一步特征在于所述样本为液体以及减压阀，所述减压阀用于在从所述加热调节器输出的气体样本超过所述气体样本分析装置的许可操作范围的情况下释放压力。
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