CN107543009B - 一种输气管道水合物颗粒分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体水合物应用及储运技术领域，特指一种输气管道水合物颗粒分离装置。利用一种基于螺旋流的分离装置来分离天然气水合物颗粒，并用第一太阳能储热箱将水合物固体颗粒收集并加热，使水合物颗粒受热分解成天然气，最后再用空气压缩机将天然气输送到管道中，从而实现输气管道的正常安全运行。

Description

一种输气管道水合物颗粒分离装置

技术领域

本发明属于气体水合物应用及储运技术领域，涉及一种分离装置，特指一种输气管道水合物颗粒分离装置。

背景技术

天然气作为清洁燃料对我国能源结构的调整具有重要意义。2015年全年，我国的天然气消费量超过1900×10⁸m³，在一次能源结构中的占比达到5.8％。而全球天然气在一次能源结构中的占比为24％，所以未来我国天然气需求潜力巨大。在此背景下，天然气长输管道的安全运行至关重要。输气管道中由于高流速、低温高压、流体搅动等因素的影响，极易生成天然气水合物。这不仅会减少气体流通面积、对管道阀门造成冲击，甚至还会堵塞阀门引起管道爆裂，严重威胁输气管道的运营安全。

自上世纪三十年代美国科学家首次发现天然气水合物会堵塞输气管道以后，世界各国先后开展了防治天然气水合物堵塞的研究。传统的水合物堵塞防治方法主要有降压法、脱水法、隔热法等，但应用最多的还是添加化学抑制剂法。目前主要使用的化学抑制剂主要是热力学抑制剂、动力学抑制剂、防聚剂3类。在实际应用过程中，以上的几种抑制剂各有其致命的缺陷。热力学抑制剂用量较大，一般只有其质量分数在10％～60％之间才能发挥较好作用，具有存储和注入设备庞大、环境不友好等缺点，工业上用于抑制剂花销占生产总成本的5％～8％。动力学抑制剂存在通用性差，抑制活性偏低，易受外界环境影响等问题。目前关于动力学抑制剂的研究工作不甚理想。动力学抑制剂对温度较为敏感，一旦温度升高其溶解性就会变差，抑制剂效果也会大打折扣。防聚剂主要存在于实验室的研究中，虽然效果较好，但是工艺复杂、成本昂贵，真正能在天然气管道中得到应用的少之又少。

螺旋流作为一种同时兼具轴向速度和切向速度的流动形式，应用在管道输送固体颗粒时，可以起到增大流体与管壁的剪切力的作用，阻止颗粒沉积粘结在管壁上，从而提升了固体颗粒的输送距离。常州大学王树立课题组在水合物抑制剂开发、气液两相螺旋流以及水合物浆体流动保障技术等方面做了大量的研究。王树立课题组最先提出将螺旋流输送技术用于解决天然气水合物的堵塞问题，认为螺旋流管输技术有望代替传统水合物抑制方法，可以有效减少了水合物堵塞现象，提高了天然气管道的运营安全性。

基于以上情况，本发明通过自制的基于螺旋流动的输气管道水合物颗粒分离装置来分离输气管道中形成的天然气水合物，可以最大程度的减少输气管道发生水合物堵管的风险，从而为输气管道内的安全流动提供保障。

发明内容

本发明的目的是针对目前陆上和海底管道等在运输石油天然气过程中遇到的水合物堵塞管道的问题，利用一种基于螺旋流的分离装置来分离天然气水合物颗粒。要解决的技术问题是利用螺旋流来分离天然气和天然气水合物，并用第一太阳能储热箱将水合物固体颗粒收集并加热，使水合物颗粒受热分解成天然气，最后再用空气压缩机将天然气输送到管道中，从而实现输气管道的正常安全运行。

总的说来，本发明的输气管道水合物颗粒分离装置，解决了以下几大难题：1.采用颗粒破碎器，可以减小流体在流动过程中的阻力，同时可以起到打碎较大水合物颗粒的作用；2.采用扭带锯齿状边缘进一步打碎较大水合物颗粒；3.采用螺旋流维持器可以使螺旋流维持较高的螺旋强度，保证其分离效果；4.采用导流条可以延缓螺旋流衰减，进一步分离管道中的水合物颗粒；5.采用以电能转化为热能的储热箱，利用第一光伏太阳能板和第二光伏太阳能板补充电能，为水合物分解提供热源，有效降低能源消耗；6.直接与输气管道相连，投资费用和运行费用低。

一种输气管道水合物颗粒分离装置，包括螺旋流发生器、一级管道、二级管道、三级管道、导流条、太阳能储热箱、光伏太阳能板、空气压缩机；一级管道、二级管道、三级管道依次相连；螺旋流发生器位于一级管道中，由圆柱体、颗粒破碎器、螺旋流维持器和扭带组成，颗粒破碎器焊接在圆柱体前端，扭带环绕焊接在圆柱体周围，螺旋流维持器焊接在圆柱体后端；导流条位于二级管道中，并焊接在二级管道内壁；水合物颗粒分别通过一级管道与二级管道的下端连接缝隙、二级管道与三级管道的下端连接缝隙流入到太阳能储热箱中；光伏太阳能板与太阳能储热箱连接，两个太阳能储热箱连通，并通过空气压缩机与三级管道后端连接；一级管道、三级管道分别通过进口法兰和出口法兰与输气管道连接。

进一步地，所述二级管道与三级管道的进口端外表面设有锯齿。

本发明的显著优点在以下几个方面：

(1)采用颗粒破碎器，可以减小流体在流动过程中的阻力，同时可以起到打碎较大水合物颗粒的作用。

(2)采用扭带锯齿状边缘进一步打碎较大水合物颗粒。

(3)采用螺旋流维持器可以使螺旋流维持较高的螺旋强度，保证其分离效果。

(4)采用导流条可以延缓螺旋流衰减，进一步分离管道中的水合物颗粒。

(5)采用以电能转化为热能的储热箱，利用第一光伏太阳能板和第二光伏太阳能板补充电能，为水合物分解提供热源，有效降低能源消耗。

(6)直接与输气管道相连，投资费用和运行费用低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2颗粒破碎器示意图；

图3螺旋流发生器截面图；

图4扭带边缘示意图；

图5二级管道截面图；

图6导流条示意图；

其中1-颗粒破碎器；2-扭带；3-螺旋流维持器；4-锯齿；5-导流条；6-第一太阳能储热箱；7-空气压缩机；8-进口法兰；9-第一光伏太阳能板；10-第二太阳能储热箱；11-圆柱体；12-第二光伏太阳能板；13-出口法兰。

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，下面即是一种输气管道水合物颗粒分离装置的具体参数：

如图1所示，本发明主要由螺旋流发生器、一级管道、二级管道、三级管道、导流条、太阳能储热箱、光伏太阳能板、空气压缩机组成。对于螺旋流发生器，螺旋流发生器位于一级管道中，主要包括颗粒破碎器1、扭带2、螺旋流维持器3、圆柱体11。颗粒破碎器1的半径为R1＝0.4D(D为输气管道直径)，长度L为0.3D，角度为β＝30°；扭带2焊接在半径为R2的圆柱体11上，扭带2上的锯齿为等边三角形，其边h的长度为5mm，并且R1与R2的长度之比为1:2。对于一级分离系统，主要包括二级管道、第一太阳能储热箱6、第一光伏太阳能板9、空气压缩机7等。二级管道的进口端外表面设有锯齿4，锯齿为等腰直角三角形，其直角边长为10mm。对于二级分离系统，主要包括导流条5、三级管道、第二太阳能储热箱10、空气压缩机7、第二光伏太阳能板12等。三级管道的进口端外表面同样设有锯齿4，导流条有6个，宽度b为3cm、厚度a为2mm、长度为3D、角度α为75°，分别焊接在管道半径R为0.4D的二级管道中。

将本发明装置通过进口法兰8和出口法兰13与输气管道相连接，采用颗粒破碎器1，可以减小流体在流动过程中的阻力，同时可以打碎较大水合物颗粒。另外螺旋流发生器上的扭带边缘2可以进一步打碎较多的水合物颗粒，由于螺旋流产生的离心力作用使得更容易进入一级分离系统和二级分离系统中。一级分离系统和二级分离系统入口处都安装了倾角为45°的锯齿4使得水合物颗粒更容易进入，同时也可以防止水合物颗粒由于回流的作用返回管道而影响分离效率。第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱分别将一级分离和二级分离得到的水合物颗粒收集起来，并利用第一光伏太阳能板和第二光伏太阳能板将太阳能转化为电能，第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱又将电能转化为热能给收集的水合物颗粒加热，使得水合物颗粒受热分解成天然气，最后再由空气压缩机7将第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱中的天然气输送到输气管道中。本发明装置安装简单，分离效果明显，可以最大程度地保证输气管道的安全运行。

Claims (6)

1.一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：所述装置包括螺旋流发生器、一级管道、二级管道、三级管道、导流条、第一太阳能储热箱、第二太阳能储热箱、第一光伏太阳能板、第二光伏太阳能板、空气压缩机；一级管道、二级管道、三级管道依次相连；螺旋流发生器位于一级管道中，由圆柱体、颗粒破碎器、螺旋流维持器和扭带组成，颗粒破碎器焊接在圆柱体前端，扭带环绕焊接在圆柱体周围，螺旋流维持器焊接在圆柱体后端；导流条位于二级管道中，并焊接在二级管道内壁；水合物颗粒通过一级管道与二级管道的下端连接缝隙流入到第一太阳能储热箱中，水合物颗粒通过二级管道与三级管道的下端连接缝隙流入到第二太阳能储热箱中；第一光伏太阳能板与第一太阳能储热箱连接，第二光伏太阳能板与第二太阳能储热箱连接；第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱连通，再通过空气压缩机与三级管道后端连接；一级管道、三级管道分别通过进口法兰和出口法兰与输气管道连接。

2.如权利要求1所述的一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：所述二级管道与三级管道的进口端外表面设有锯齿。

3.如权利要求1所述的一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：颗粒破碎器的半径R1的范围为0.36～0.40D，D为输气管道直径，长度L的范围为0.3～0.5D，角度β的范围为15～45°，角度β是颗粒破碎器中锥体的轴中心截面角度；扭带分布在半径为R2的圆柱体上，扭带上的锯齿为等边三角形，等边三角形边h的长度范围为3～5mm，并且R1与R2的长度之比为1:2。

4.如权利要求2所述的一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：二级管道与三级管道的进口端外表面的锯齿为等腰直角三角形，其直角边长范围为5～10mm。

5.如权利要求1所述的一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：导流条有3～8个，宽度b范围为3～5cm、厚度a范围为1～3mm、长度范围为2～5D、角度α的范围为75-90°，角度α是导流条沿流动方向的外侧面与管道内壁之间的夹角。

6.如权利要求1所述的一种输气管道水合物颗粒分离装置，其特征在于：所述装置通过进口法兰和出口法兰与输气管道相连接，采用颗粒破碎器，可以减小流体在流动过程中的阻力，同时可以打碎较大水合物颗粒；另外螺旋流发生器上的扭带边缘可以进一步打碎较多的水合物颗粒，由于螺旋流产生的离心力作用使得水合物颗粒更容易进入二级管道与三级管道中；二级管道与三级管道的进口端外表面都安装了倾角为45°的锯齿使得水合物颗粒更容易进入，同时也可以防止水合物颗粒由于回流的作用返回管道而影响分离效率；第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱分别将一级分离和二级分离得到的水合物颗粒收集起来，并利用第一光伏太阳能板和第二光伏太阳能板将太阳能转化为电能，第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱又将电能转化为热能给收集的水合物颗粒加热，使得水合物颗粒受热分解成天然气，最后再由空气压缩机将第一太阳能储热箱和第二太阳能储热箱中的天然气输送到输气管道中。