CN110094188A - 一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统及其方法，属于气体压缩技术领域，解决了现有超临界二氧化碳压缩系统在输气时无法安全灵活调压的问题；包括设置在末级压缩系统的出气口与其上一级压缩系统的进气口之间的末级旁通阀和中间每级压缩系统的进气口与其上一级压缩系统的进气口之间的分级旁通阀；本发明的方法采用气体从末级向初级依次排压，气体从高温状态降压后温度降低为常温状态，但是不会低于露点，因此没有液化的风险，避免了压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞的问题，方便临界二氧化碳压缩系统在排气过程中灵活泄压调压。
Description
技术领域
本发明涉及气体压缩领域，更具体的是涉及一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统及其方法。
背景技术
二氧化碳气驱强化采油技术，即利用CO2在油和水中均具有较高溶解度的特点，将CO2注入到油层中，以增大原油的体积，降低原油的粘度，并且降低油水间的界面张力，从而有效提升原油采收率，并将CO2永久封存地下，是真正的节能减排又高效的生产技术，这项技术不仅能满足油田开发的需求，还可以解决二氧化碳的封存问题，保护大气环境。该技术不仅适用于常规油藏，尤其对低渗、特低渗透油藏，可以明显提高原油采收率。二氧化碳驱油一般可提高原油采收率7％～15％，延长油井生产寿命15～20年。
超临界CO2注气压缩系统就是CO2气驱采油的核心设备，它将CO2气体压缩至高压，然后注入地下，提高采油率。CO2通常状况下是一种无色、无臭、无味无毒的气体，能溶于水，在25℃溶解度为0.144g/100g水，密度约为空气的1.5倍。含饱和水的二氧化碳在一定温度，压力下产生液态水，CO2溶于水加速腐蚀，会产生碳酸，对碳钢金属产生强烈的腐蚀性。对于100％纯二氧化碳，当压力高于临界压力(7.38MPa)且温度高于临界温度(31.4℃)时，CO2处于气相和液相之间的超临界状态，超临界二氧化碳的密度非常大，接近液体的密度，但是扩散系数接近气体；当压力高于临界压力(7.38MPa)，温度低于临界温度(31.4℃)时，CO2处于密相液体状态，密相液体状态二氧化碳的腐蚀性非常强，正常使用中，往复活塞式压缩机只允许超临界状态的二氧化碳进入，假如液相介质进入压缩机，压缩机存在很大的腐蚀风险，且出现顶缸等异常现象。
现有的气体压缩系统应用到超临界二氧化碳压缩中时存在以下问题：气体经过旁通调节阀降压时会导致气体温度急剧下降而引起相变，因此正常运行时旁通调节阀不能开启，导致机组无法正常调节排气量；现有的超临界CO2压缩机组卸载时，由于气体经过卸压阀时导致气体温度急剧下降而引起相变形成干冰而阻塞，因此正常停机前不再进行卸载，而是在压缩机满负荷运行下，直接停止主电机，因此电流的巨大变化对电网产生巨大的冲击，且对往复压缩机主机的受力部件受到很大的冲击，活塞杆容易发生断裂。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术中超临界二氧化碳压缩系统在输气过程中不便调节排气压力的问题，本发明提供一种运用于超临界二氧化碳多级压缩系统上的可以正常平稳调压，避免超临界二氧化碳出现相变而形成干冰的分级调压系统及其调压方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，包括连通在多级超临界二氧化碳压缩系统的末级压缩系统的出气口的末级旁通阀，末级旁通阀的进气口与末级压缩系统的出气口对接连通，末级旁通阀的出气口与末级压缩系统的上一级压缩系统的进气口连通，超临界二氧化碳压缩系统除末级压缩系统和初级压缩系统外的其他每级压缩系统的进气口与其上一级压缩系统的进气口之间均通过回流管道连通有一个分级旁通阀。
进一步地，所述末级压缩系统的出气口与初级压缩系统的进气口之间还通过回流管道连通有旁通开关阀，所述旁通开关阀的出气口与初级压缩系统的进气口对接连通。
进一步地，所述末级旁通阀和多个分级旁通阀均为气动阀。
一种超临界二氧化碳多级压缩系统的排量调节方法，采用上述的超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，包括以下步骤：
(1)监控检测超临界二氧化碳压缩系统的总排气压力，如果总排气压力不高于设定排气压力，则不启动调压；如果末级排气压力超过设定排气压力，则启动调压系统进行调压操作；
(2)调压：
以额定速度开启末级旁通阀进行末级调压，末级气体回流至上一级压缩系统进气口，末级排气压力减少，将末级排气压力限制在设定值内；
重复以上操作，监控检测每一级进气压力，如果当前级进气压力高于设定进气压力，则以额定速度开启此级的分级旁通阀，此级气体回流至此级的上一级压缩系统进气口，此级进气压力减少，将此级进气压力限制在设定值内。
进一步地，所述末级旁通阀和各分级旁通阀的额定开启速度为每秒10％。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的可连接在多级超临界二氧化碳压缩系统上的分级调压系统，分级调压系统包括使末级压缩系统的气体回流至上一级压缩系统的末级旁通阀和使每级压缩系统的进气气体回流至其上一级压缩系统的进气端的分级旁通阀，在正常输气过程中如果末级排气压力高于设定值，就可通过分级调压系统将末级压缩系统压缩后的高温高压气体回流至上一级压缩系统的进气管路，上一级压缩系统的进气管路的气体再回流至更上一级压缩系统的进气管路，依次递推直至初级压缩系统进气管路，这样逐级降压，使相邻级之间压差小，避免降压过快导致气体温度急剧下降至三相点形成干冰，且每一级的气体温度通过温度控制系统降低，但又维持在维持在临界温度值以上，所以也不会产生液相流体，从而可以在正常供气过程中调节供气压力，实现超临界二氧化碳多级气体压缩系统的排气压力的可调化；
2.超临界二氧化碳会因为压力的急剧下降造成温度急剧下降，温度急剧下降会引起二氧化碳相变形成干冰，干冰造成管道的阻塞；为了避免干冰形成造成管道阻塞，正常停机前不进行卸载，而是在压缩机满负荷运行下直接停止主电机，对往复压缩机主机的受力部件受到很大的冲击，使活塞杆容易发生断裂；本发明设置旁通开关阀，搭配分级调压系统，停机前先通过分级调压系统和旁通开关阀将系统内的压力分级平稳泄压卸载，电机在卸载完成后停止运行，避免了压缩机主机的受力部件在停机时受到冲击，对受力部件起到良好的保护作用；
3.本发明的末级旁通阀、旁通开关阀和多个分级旁通阀均为气动阀，方便接入超临界二氧化碳压缩系统的总控制系统，控制系统可根据每级压力检测值及时控制末级旁通阀和分级旁通阀的开合，相比人工操作更加及时、准确。
附图说明
图1是本发明的分级调压流程图；
图2是本发明的分级调压系统结构示意图；
图3是实施例1的超临界二氧化碳压缩系统的结构示意图。
附图标记：1-主机、2-膜片联轴器,3-电动机、4-温度控制系统、5-控制柜、9-总进气口、10-总排气口、15-初级压缩缸、17-初级冷却管束、20-二级压缩缸、22-二级冷却管束、25-末级压缩缸、27-末级冷却管束、30-末级旁通阀、31-二回一旁通阀、32-旁通开关阀、35-底座
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，包括连通在多级超临界二氧化碳压缩系统的末级压缩系统的出气口的末级旁通阀30，末级旁通阀30的进气口与末级压缩系统的出气口对接连通，末级旁通阀30的出气口与末级压缩系统的上一级压缩系统的进气口连通，超临界二氧化碳压缩系统除末级压缩系统和初级压缩系统外的其他每级压缩系统的进气口与其上一级压缩系统的进气口之间均通过回流管道连通有一个分级旁通阀。
参照图3，优选地，本实施例的多级超临界二氧化碳压缩系统包括底座35和安装在底座35上的多级往复活塞式压缩机，本实施例以多级往复活塞式压缩机的级数为三级(按进气气流方向分别为初级、二级和末级)为例，三级往复活塞式压缩机包括主机1以及分别与主机1连通的三级压缩缸，主机1通过膜片联轴器2与电动机3连接，电动机3将旋转运动通过膜片联轴器2传递至主机1，主机1将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，活塞的往复运动对压缩缸内的二氧化碳进行压缩，以使二氧化碳的压力升高，还设有控制每一级压缩缸压缩后气体温度的温度控制系统4，在本实施例，温度控制系统4使用现有公开技术的空气压缩机的空冷器(其构造不再详述)，空冷器的作用是对每级压缩过后的温度及压力升高的二氧化碳进行控温，使每级压缩后的气体温度维持在高于临界温度的稳定值，使气体的温度不会产生大的变化，从而避免气体的密度产生大的波动，进而避免产生大的脉动和震动；同时也避免温度低于临界值产生液化；空冷器上设有三组热交换管件，分别为初级冷却管束17、二级冷却管束22和末级冷却管束27，可对每一级压缩后的气体进行控温，底座35上设有用于对主机1进行润滑的润滑系统(润滑系统为现有公开技术，其构造不再赘述)，初级压缩缸15的进气口通过通气管道连通至总进气口9，初压缩缸15的出气口通过通气管道连通至初级冷却管束17的进气端，初级冷却管束17的出气端与二级压缩缸20的进气口连通，二级压缩缸20的出气口通过通气管道连通至二级冷却管束22进气端，二级冷却管束22的出气端与末级压缩缸25的进气口连通，末级压缩缸25的出气口通过通气管道连通至末级冷却管束27的进气端，末级冷却管束27的出气端连通至总排气口10；末级压缩缸25的出气口除了连通至末级冷却管束27，还分出通路连通有含有数个气体通道的出气组件，出气组件可使用含有多条通路的多通管道，出气组件的其中一个通气管道与末级旁通阀30连通。
其中，末级旁通阀30的进气端与出气组件对接连通，末级旁通阀30的出气端与二级压缩缸20的进气端对接连通，即经过末级压缩缸25压缩后的高温高压二氧化碳气体回流至二级压缩缸20的进气管道；而二级压缩缸20的进气口和初级压缩缸15的进气口之间连通有分级旁通阀(即二回一旁通阀31)，二回一旁通阀31的进气端与二级压缩缸20的进气端对接连通，二回一旁通阀31的出气端与初级压缩缸15的进气端对接连通，可使二级压缩缸20的进气管道的气体通过二回一旁通阀31回流至初级压缩缸15的进气管道，这样可以降低压差，避免气体因压力大幅度降低造成温度大幅度降低，从而形成干冰，防止压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞，使超临界二氧化碳压缩系统在正常工作输气过程中可以安全调压。
为了系统整体自动、统一控制，设有控制柜5，控制柜5内设有控制器，控制器可选用PLC控制器，PLC控制器的选用参照现有市场产品已有规格，实现控制功能即可，不对具体型号进行约束，上述电动机3、温度控制系统4、放空阀33、末级旁通阀30和二回一旁通阀31均电性连接至控制器。
工作原理：二氧化碳气体在压缩系统的多级压缩后压力上升，达到设定值进行输气，在输气过程中，如果末级排气压力高于设定值，则通过分级调压系统进行调压，调压时，打开末级旁通阀30使部分二氧化碳气体从末级压缩系统的出气端进入二级压缩系统的进气端，使末级压缩系统的排气压力降低；二级压缩系统的进气端压力值如果高于设定值，则打开二回一旁通阀31，则部分二氧化碳气体从二级进气管道进入初级进气管道，以减少其进气压力，末级排气压力和二级进气压力均为超临界状态，此时气体从高温状态降压后温度降低为常温状态，但是不会低于露点，因此没有液化的风险，避免了压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞，使临界二氧化碳压缩系统在排气过程中灵活泄压调压。
实施例2
如图1至图3所示，本实施例在实施例1和2的基础上进一步优化，具体的为：
末级压缩系统出气端的出气组件还连通有旁通开关阀32，旁通开关阀32的进气口与出气组件的另一个通气管道对接连通，旁通开关阀32的出气端与初级压缩缸15的进气端对接连通，超临界二氧化碳压缩系统进行卸载停机时，先通过分级调压系统泄压，依次打开末级旁通阀30和二回一旁通阀31，气体从末级流向二级进气，再从二级进气进入初级进气，当末级排气压力稳定下降到设定值后，再打开旁通开关阀32让气体从末级流向一级，此时末级排气压力会稳定在一个较低压力，然后再让电动机3停止运转；相较于传统超临界二氧化碳压缩系统为避免干冰堵塞而在压缩机满负荷运行下直接停止主电机的方式，平稳卸载后停机，避免对往复压缩机主机的受力部件造成很大的冲击，有效保护了系统主要受力部件。
根据上述实施例，本分级调压系统应用到超临界二氧化碳多级压缩系统进行分级调压，包括以下步骤：
(1)监控检测超临界二氧化碳压缩系统的总排气压力，如果总排气压力不高于设定排气压力，则不启动调压；如果总排气压力超过设定排气压力，则启动调压系统进行调压操作；
(2)调压：
以每秒开度10％的速度开启末级旁通阀进行末级调压，末级气体回流至上一级压缩系统进气口，末级排气压力减少，将末级排气压力限制在设定值内；
重复以上操作，监控检测每一级进气压力，如果当前级进气压力高于设定进气压力，则以每秒开度10％的速度开启此级的分级旁通阀，此级气体回流至此级的上一级压缩系统进气口，此级进气压力减少，将此级进气压力限制在设定值内；
这样，末级压缩后的工艺气不经过冷却，回流至上一级进气管路，上一级进气管路的气体回流至再上一级进气管路，依次回流直至初级进气管路，这样可以减少阀的前后压差，控制阀后的气体温度不会低于临界温度，也就不会产生液相流体，避免压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞，可以在供气过程中灵活安全的调节供气压力。
Claims (5)
1.一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，其特征在于：包括连通在多级超临界二氧化碳压缩系统的末级压缩系统的出气口的末级旁通阀(30)，末级旁通阀(30)的进气口与末级压缩系统的出气口对接连通，末级旁通阀(30)的出气口与末级压缩系统的上一级压缩系统的进气口连通，超临界二氧化碳压缩系统除末级压缩系统和初级压缩系统外的其他每级压缩系统的进气口与其上一级压缩系统的进气口之间均通过回流管道连通有一个分级旁通阀。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，其特征在于：所述末级压缩系统的出气口与初级压缩系统的进气口之间还通过回流管道(34)连通有旁通开关阀(32)，所述旁通开关阀(32)的出气口与初级压缩系统的进气口对接连通。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，其特征在于：所述末级旁通阀(30)、旁通开关阀(32)和每个分级旁通阀均为气动阀。
4.一种超临界二氧化碳多级压缩系统的排量调节方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩系统的分级调压系统，包括以下步骤：
(1)监控检测超临界二氧化碳压缩系统的总排气压力，如果总排气压力不高于设定排气压力，则不启动调压；如果末级排气压力超过设定排气压力，则启动调压系统进行调压操作；
(2)调压：
以额定速度开启末级旁通阀进行末级调压，末级气体回流至上一级压缩系统进气口，末级排气压力减少，将末级排气压力限制在设定值内；
重复以上操作，监控检测每一级进气压力，如果当前级进气压力高于设定进气压力，则以额定速度开启此级的分级旁通阀，此级气体回流至此级的上一级压缩系统进气口，此级进气压力减少，将此级进气压力限制在设定值内。
5.根据权利要求4所述的一种超临界二氧化碳多级压缩系统的排量调节方法，其特征在于：所述末级旁通阀和各分级旁通阀的额定开启速度为每秒10％。
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