CN110408445A - 一种井口天然气脱水除湿装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井口天然气脱水除湿装置和方法，属于天然气技术领域。该装置包括气液预分离器、换热器、一级气液分离器、节流管、末级气液分离器和各管道上的控制阀门。含水高压井口天然气在气液预分离器中脱除其中的自由水，得到初步脱湿的含湿天然气，之后相继进入换热器和一级气液分离器进行降温和分离除湿，除湿后的气体经节流管降压和降温，之后进入末级气液分离器，分离得到的气体为满足含湿要求的天然气，其中，全部或部分天然气经换热器进行回收后汇入外输天然气管网。该装置无运动部件，结构简单，可靠性高，运行过程不需要外部能量输入，仅利用天然气自身能量转换，实现降温凝汽和除水分离有机结合，达到井口天然气脱水除湿的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气技术领域，特别是指一种井口天然气脱水除湿装置和方法。
背景技术
天然气是一种优质的绿色清洁能源，伴随着原油的开采，现场开采出的天然气井气资源不仅压力高，还携带大量的自由水和饱和水蒸汽。而通常输送的外输天然气不仅要确保输送压力安全，还要使天然气在外输过程中，不因环境温度波动而产生水蒸汽凝结、水合物形成或结冰等现象，致使下游工序的管道和阀门堵塞。对于酸性天然气，若内部含有大量的湿蒸汽，会导致二氧化碳、硫化氢等酸性气体与水蒸汽相溶，形成弱酸，从而加重对下游管道和阀门的腐蚀，影响整个天然气输送系统的安全和使用寿命。因此，选择合适的井口天然气脱水除湿方法和技术，对天然气的开采和绿色清洁能源的大范围应用具有重要意义。
目前，常用的井口天然气脱水除湿方法主要有溶剂吸收法、分子筛吸附法和低温冷却法等。溶剂吸收法是利用水分和天然气在液体溶剂中的溶解度差异而进行的气水分离过程。该方法存在的问题是再生过程需要大量的外部能量输入，且较高的再生温度可能导致溶剂自身发生分解，致使吸收溶剂失效，影响脱水效果。分子筛吸附法是指含湿天然气流经多孔分子筛吸附剂表面时，水分子与固体表面分子之间产生相互作用，并结合孔结构的毛细特性，使水分子吸附在分子筛多孔结构内部和固体表面，达到气水分离的效果。但分子筛再生过程同样需要额外的能量输入，运行过程能耗较大。低温冷却法是在高压天然气中添加水合物抑制剂，然后通过外加冷源、膨胀或节流等制冷方式使天然气温度降低，并将其中的饱和水以自由水的形式凝结出来而进行分离的过程。目前，该过程在国内应用较为广泛，但需要外加冷源，并配套水合物抑制剂和抑制剂再生系统，工艺较为复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种井口天然气脱水除湿装置和方法，该装置及方法对天然气开采现场空间范围受限、井口天然气参数波动宽泛，以及维持下游系统生产稳定具有很好的适应性和融合性。为了降低井口天然气节流过程中因自由水和冷凝水的降温放热和部分蒸发吸热对温降效果的显著影响，选择在节流前对除沙后的井口天然气进行脱水预分离，并利用换热器对降温脱湿后的天然气进行全部或部分回收，以降低节流前含湿天然气的温度，从而提高末级气液分离器的除湿能力，得到露点温度不低于天然气水合物形成温度，且满足外送含湿要求的天然气产品。
该装置包括气液预分离器、换热器、一级气液分离器、节流管、末级气液分离器和各管道上的控制阀门；
气液预分离器的输入端连接于井口天然气管道，气液预分离器的气体输出端与换热器的热流体输入端相连，气液预分离器的液体输出端连接排液管道；换热器的热流体输出端与一级气液分离器的输入端相连，换热器的冷流体输入端与末级气液分离器的气体输出端通过管道相连，换热器的冷流体输出端与外输天然气管道相连；一级气液分离器的液体输出端连接排液管道，一级气液分离器的气体输出端连接节流管，节流管后接末级气液分离器的输入端；末级气液分离器的液体输出端连接排液管道。
气液预分离器的液体输出端与排液管道之间设置控制阀门二；气液预分离器和换热器之间设置控制阀门一；换热器和一级气液分离器之间设置控制阀门三；一级气液分离器的液体输出端和排液管之间设置控制阀门四。
末级气液分离器的气体输出端连接外输天然气管道，且末级气液分离器的气体输出端与外输天然气管道之间设置控制阀门六，连接换热器的冷流体输入端与末级气液分离器的气体输出端的管道上设置控制阀门七；末级气液分离器的液体输出端和排液管之间设置控制阀门五。
井口天然气管道内的含水高压天然气首先经除沙器进行除沙处理。
气液预分离器为高压气液分离器，对设备材质的要求较高。气液预分离器可对井口天然气中携带的大量自由水进行初步分离，避免带水天然气通过节流管时因压力大幅度下降导致自由水的降温放热和部分自由水的蒸发吸热，影响节流温降效果。
换热器为高压换热器，对设备材质的要求较高。换热器与一级气液分离器配套设置后，不需要设置专门的制冷系统提供冷量，仅通过对节流管后井口天然气的冷量进行回收，即可实现天然气节流前的降温和脱湿过程。
换热器不仅能对节流降温后的气体进行冷量回收，还可利用末级气液分离器气体输出端到换热器冷流体输入端管道上的控制阀门七，来调节外输天然气的温度和含湿量，确保外输天然气中不含水合物，为下游系统提供安全、稳定的生产环境，同时可减小季节和气温变化对外输天然气品质的影响。
节流管与相邻管道之间由法兰连接，便于维修和更换。
末级气液分离器的除湿能力主要由节流管的节流温降效果决定，适用温度、压力范围宽。
应用该装置的方法，具体为：去除沙粒和机械杂质的含水高压井口天然气，在气液预分离器中脱除所携带的自由水，得到初步脱湿的含湿天然气；含湿天然气进入换热器进行初步降温后，进入一级气液分离器去除其中的冷凝水，气体部分则通过节流管进行降压和降温处理，降温后的天然气被送入末级气液分离器进行除湿，所得到的气体即为满足外送含湿要求的天然气产品。
出末级气液分离器的天然气全部或部分通过换热器进行回收，之后汇入外输天然气管网。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该装置及方法通过采用多级气液分离、节流降温和外输天然气冷量回收等关键技术，将井口天然气的降温、水蒸汽冷凝和脱水除湿过程有机结合，既能实现井口天然气中水分的有效脱除，又可确保整个工艺过程无任何外部能量输入，即能耗为零。该装置及方法工艺集成度高，占地面积小，设备结构简单，无运动部件，对开采现场受限的空间范围有较强的适应性，运行成本低。除此之外，该装置及方法对井口天然气温度、压力等参数适用范围宽泛，应用性强，运行过程中外输天然气温度和露点温度具有可控性，操作灵活，不易受季节和气温波动影响。
附图说明
图1为本发明实施例中650000Nm3/d井口天然气脱水除湿装置结构示意图。
其中：1-气液预分离器；2-控制阀门一；3-控制阀门二；4-换热器；5-控制阀门三；6-一级气液分离器；7-控制阀门四；8-节流管；9-末级气液分离器；10-控制阀门五；11-控制阀门六；12-控制阀门七。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明为解决现有井口天然气脱水除湿过程面临的工艺流程复杂、设备投资成本高、运行过程能耗大等问题，提供一种井口天然气脱水除湿装置和方法。
该装置包括气液预分离器1、换热器4、一级气液分离器6、节流管8、末级气液分离器9和各管道上的控制阀门；
气液预分离器1的输入端连接于井口天然气管道，气液预分离器1的气体输出端与换热器4的热流体输入端相连，气液预分离器1的液体输出端连接排液管道；换热器4的热流体输出端与一级气液分离器6的输入端相连，换热器4的冷流体输入端与末级气液分离器9的气体输出端通过管道相连，换热器4的冷流体输出端与外输天然气管道相连；一级气液分离器6的液体输出端连接排液管道，一级气液分离器6的气体输出端连接节流管8，节流管8后接末级气液分离器9的输入端；末级气液分离器9的液体输出端连接排液管道。
气液预分离器1的液体输出端与排液管道之间设置控制阀门二3；气液预分离器1和换热器4之间设置控制阀门一2；换热器4和一级气液分离器6之间设置控制阀门三5；一级气液分离器6的液体输出端和排液管之间设置控制阀门四7。
末级气液分离器9的气体输出端连接外输天然气管道，且末级气液分离器9的气体输出端与外输天然气管道之间设置控制阀门六11，连接换热器4的冷流体输入端与末级气液分离器9的气体输出端的管道上设置控制阀门七12；末级气液分离器9的液体输出端和排液管之间设置控制阀门五10。
下面结合具体实施例予以说明。
图1为650000Nm3/d井口天然气脱水除湿装置工艺流程示意图。该过程中，经除沙处理后的含水高压井口天然气进入气液预分离器1。在气液预分离器1中，基于旋流原理，分离得到的液体经控制阀门二3控制的排液管排出。分离得到的含湿天然气作为热流体，由气液预分离器1的气体输出端经控制阀门一2进入换热器4的热流体输入端。在换热器4内，含湿天然气被冷流体冷却后温度降低，其中的部分水蒸汽冷凝，由天然气携带通过连接管道和控制阀门三5进入一级气液分离器6。在一级气液分离器6中，凝结水由排水管通过控制阀门四7排出，气体则通过节流管8降压、降温后进入末级气液分离器9，分离所得到的冷凝水通过排水管经控制阀门五10排出，气体可分为两部分：一部分通过控制阀门六11，作为外输天然气直接送出；另一部分作为冷流体，通过管道和控制阀门七12，进入换热器的冷流体输入端，为来自一级气液分离器6的含湿天然气提供冷量，达到冷量自回收和节流前含湿天然气降温的目的，复热后的天然气通过换热器4的冷流体输出端，直接汇入外输天然气管网。
本方法通过在上述工艺的末级气液分离器9的气体输出管道上设置连通换热器4的冷量回收管道，并在管道上设置调节控制阀门七12，达到调节末级气液分离器9的分离能力和合理调控外输天然气温度的目的，避免外输天然气在输运过程中，因环境温度降低导致外输管网内形成冷凝水或天然气水合物，影响下游设备的安全和使用寿命。
由于不同压力下，天然气水合物形成的温度条件各有差异。当外输天然气所需的压力一定时，需确保节流管8节流后的含湿天然气温度高于该条件下水合物的形成温度。此外，外输天然气的露点温度也要满足下游工艺的含湿要求标准。该指标可通过调节末级气液分离器9的气体输出端到换热器4的冷流体输入端连接管道上的控制阀门七12完成。
以650000Nm3/d井口天然气脱水除湿装置工艺流程为例，假设井口天然气压力为400bar，温度为80℃，携带自由水量为650t/d，外输天然气所需压力为60bar，基于图1工艺流程，计算可得各流股主要参数变化见表1。注意以下表中各流股的温度、压力和天然气中含湿量变化情况。
表1.井口天然气处理量为650000Nm3/d工艺流程的各流股参数值
基于表1数据可以看出，对于携带自由水量650t/d，井口天然气处理量为650000Nm3/d的脱水除湿工艺。当外输天然气压力为60bar，换热器内天然气回收量为313732Nm3/d时，节流后的含湿天然气温度为20.02℃，高于该压力下水合物的形成温度(17℃)，其中的水蒸汽含量为265Nm3/d。而出换热器的冷流体汇入外输天然气管网后，外输天然气的温度可达32.79℃，其露点温度仍为20.02℃，低于常规天然气开采现场对外输天然气露点温度(30℃)的要求标准。在实际生产过程中，也可根据需求，通过改变外输天然气的回收冷量来调节外输天然气的露点温度和输出温度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：包括气液预分离器(1)、换热器(4)、一级气液分离器(6)、节流管(8)、末级气液分离器(9)和各管道上的控制阀门；
气液预分离器(1)的输入端连接于井口天然气管道，气液预分离器(1)的气体输出端与换热器(4)的热流体输入端相连，气液预分离器(1)的液体输出端连接排液管道；换热器(4)的热流体输出端与一级气液分离器(6)的输入端相连，换热器(4)的冷流体输入端与末级气液分离器(9)的气体输出端通过管道相连，换热器(4)的冷流体输出端与外输天然气管道相连；一级气液分离器(6)的液体输出端连接排液管道，一级气液分离器(6)的气体输出端连接节流管(8)，节流管(8)后接末级气液分离器(9)的输入端；末级气液分离器(9)的液体输出端连接排液管道。
2.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述气液预分离器(1)的液体输出端与排液管道之间设置控制阀门二(3)；气液预分离器(1)和换热器(4)之间设置控制阀门一(2)；换热器(4)和一级气液分离器(6)之间设置控制阀门三(5)；一级气液分离器(6)的液体输出端和排液管之间设置控制阀门四(7)。
3.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述末级气液分离器(9)的气体输出端连接外输天然气管道，且末级气液分离器(9)的气体输出端与外输天然气管道之间设置控制阀门六(11)，连接换热器(4)的冷流体输入端与末级气液分离器(9)的气体输出端的管道上设置控制阀门七(12)；末级气液分离器(9)的液体输出端和排液管之间设置控制阀门五(10)。
4.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述井口天然气管道内的天然气为含水高压天然气，含水高压天然气经除沙处理。
5.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述换热器(4)不需要设置专门的制冷系统提供冷量。
6.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述节流管(8)与相邻管道之间由法兰连接。
7.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置，其特征在于：所述控制阀门七(12)能够调节外输管道内天然气的温度和含湿量。
8.应用权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置的方法，其特征在于：去除沙粒和机械杂质的含湿高压井口天然气，在气液预分离器(1)中脱除所携带的自由水，得到初步脱湿的含湿天然气；含湿天然气进入换热器(4)进行初步降温后，进入一级气液分离器(6)去除其中的冷凝水，气体部分则通过节流管(8)进行降压和降温处理，降温后的天然气被送入末级气液分离器(9)进行除湿，所得到的气体即为满足外送含湿要求的天然气产品。
9.根据权利要求1所述的井口天然气脱水除湿装置的应用方法，其特征在于：所述出末级气液分离器的天然气全部或部分通过换热器(4)进行回收，之后汇入外输天然气管网。
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