CN113105925A - 一种天然气除砂装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种天然气除砂装置和方法，属于天然气采集领域。本申请通过集气罩侧表面改变天然气的流通路线，延长天然气在罐体内的留存时间，在重力和离心力的作用下分离天然气中的砂粒，砂粒落入出砂口后排出罐体外，大大降低了天然气除砂装置的成本。

Description

一种天然气除砂装置和方法

技术领域

本申请涉及天然气采集领域，特别涉及一种天然气除砂装置和方法。

背景技术

天然气作为目前最重要的能源之一，在生产生活中都扮演着重要的角色。天然气从地层内被采集到地表本来就会携带一些砂粒，这些含有砂粒的天然气在运输过程中对管道内壁、仪表以及阀门等部件产生冲蚀，而且可能由于流速降低导致砂粒沉降，影响设备的正常工作。

相关技术中主要通过重力除砂装置、旋流除砂装置以及过滤除砂装置分离天然气中的砂粒。其中，重力除砂装置就是利用体内一段竖直向上的通路，在重力的作用下使砂粒沉降，实现天然气和砂粒的分离；旋流除砂装置是利用体内的一段螺旋状通路，使得天然气发生旋流，在离心力的作用下使天然气中质量较大的砂粒被分离出来；过滤除砂装置就是利用不同直径的滤网或滤芯，将天然气中的砂粒分离出来。

但是，无论是哪种除砂装置，都存在一些缺点。重力除砂装置效率较低，而且只能分离质量较大的砂粒；旋流除砂装置的分离精度也不高，只能分离直径大于60μm的大砂粒，对于直径小于60μm的小砂粒并不能起到很好的分离作用；过滤除砂装置的分离精度较高，但是在使用时需要经常更换滤芯，维护成本很高。

发明内容

本申请实施例提供了一种天然气除砂装置和方法，可以解决相关技术中分离精度与成本不可兼顾的问题。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种天然气除砂装置，所述装置包括：罐体(1)，所述罐体(1)的上半部设置有用于输入天然气的进气口(2)，所述罐体(1)的下方设置有出砂口(4)，所述罐体(1)的侧下方设置有出水口(5)，所述罐体(1)用于容置对所述天然气中的砂粒进行沉积的液体；

设置于所述罐体(1)内部的集气罩，所述集气罩包括向上方伸出所述罐体(1)的出气管道(7)以及与所述出气管道(7)连通的向下方开口的罩体(6)，所述罩体(6)的侧表面与所述进气口(2)相对设置；

所述集气罩用于将从所述进气口(2)进入所述罐体(1)的天然气中的气体通过所述罩体(6)以及所述出气管道(7)导出至所述罐体(1)外部，并将所述天然气中的砂粒通过所述罩体(6)外表面的阻挡以及所述液体的作用，从所述出砂口(4)导出至所述罐体(1)外部；

所述罐体(1)，还包括：设置于所述罐体(1)内部的集砂罩(3)，所述集砂罩(3)上方和下方均设置有开口，且所述集砂罩(3)上方开口的直径大于所述集砂罩(3)下方开口的直径；所述集砂罩(3)下方开口与所述出砂口(4)相对设置；

所述集砂罩(3)用于将从天然气中分离的砂粒聚集并导向所述出砂口(4)。

在一种可能的设计中，所述集砂罩(3)为圆锥形。

在一种可能的设计中，所述集砂罩(3)上方开口的边沿均与所述罐体(1)的内壁接触且没有空隙。

在一种可能的设计中，所述天然气进气口(2)，包括：设置于所述天然气进气口(2)内部的进水口。

在一种可能的设计中，所述进水口上设置有第一阀门；所述第一阀门用于控制所述进水口输入液体。

在一种可能的设计中，所述出水口(5)上设置有第二阀门；所述第二阀门用于控制所述出水口(5)排出液体。

在一种可能的设计中，所述罩体(6)为圆锥形。

在一种可能的设计中，所述罩体(6)下方开口的边沿与所述罐体(1)内壁之间留有第一空隙。

在一种可能的设计中，所述集气罩下边沿设置有波形结构；

所述液体的液面与所述波形结构的波峰相切。

在一种可能的设计中，所述出砂口(4)上设置有定时开启阀门；所述定时开启阀门用于在预定时间开启出砂口(4)，排出砂粒。

另一方面，提供了一种天然气除砂方法，所述方法包括：

控制天然气从进气口(2)进入罐体(1)，所述天然气与集气罩的侧壁碰触后发生旋流，将第一沙粒从所述天然气中分离；

所述天然气与所述罐体(1)中的液体接触，在所述液体的粘附作用下，将第二沙粒从所述天然气中分离；

所述天然气进入集气罩，在所述集气罩内发生旋流，将第三沙粒从所述天然气中分离，所述天然气通过所述罐体(1)顶部的出气管道(7)离开所述罐体(1)。

在一种可能的实施方式中，所述天然气与所述罐体(1)中的液体接触，在所述液体的作用下，将第二沙粒从所述天然气中分离之前。所述方法还包括：

控制所述罐体(1)中的液体的液位处于预设高度。

在一种可能的实施方式中，所述方法还包括：

所述第一沙粒、第二沙粒以及第三沙粒落入所述液体后经由出砂口(4)离开所述罐体(1)。

综上所述，本申请实施例提供的天然气除砂装置，以罐体1为基础，在内部设置罩体6改变了天然气的流通路线，延长了天然气在罐体1内的留存时间。各个结构相互配合，利用旋流分离，水相过滤以及重力分离的原理分别对天然气中的第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒进行处理，提高了天然气除砂装置的除砂率。而且在分离过程中没有用到滤芯，降低了成本。排出液体、输入液体以及排出砂粒都是自动完成的，操作简便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种天然气除砂装置结构示意图。

附图中的各个标号说明如下：

1-罐体；

2-进气口；

3-集砂罩；

4-出砂口；

5-出水口；

6-罩体；

7-出气管道。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

图1是本申请实施例提供的一种天然气除砂装置结构示意图，参见图1，

装置包括：罐体1，罐体1的上半部设置有用于输入天然气的进气口2，罐体1的下方设置有出砂口4，罐体1的侧下方设置有出水口5，罐体1用于容置对天然气中的砂粒进行沉积的液体；设置于罐体1内部的集气罩，集气罩具有向上方伸出罐体1的出气管道7以及与出气管道7连通的向下方开口的罩体6，罩体6的侧表面与进气口2相对设置；集气罩用于将从进气口2进入罐体1的天然气中的气体通过罩体6以及出气管道7导出至罐体1外部，并将天然气中的砂粒通过罩体6外表面的阻挡以及液体的作用，从出砂口4导出至罐体1外部。

其中，罐体1可以为球形结构，这样可以承受较大的压力，不至于由于天然气气压过高导致罐体1破裂。

进气口2可以为一段圆柱形管道，管道的一端伸入罐体内，另一端与天然气管线(图中未示出)相连，用以将天然气导入到罐体内。进气口2的方向可以包括但不限于与罩体6侧表面垂直或者平行于罐体1的水平轴线，进一步地，只要天然气通过进气口2进入罐体1后能够直接触碰罩体6的侧表面即可，本申请实施例对此不做限定。进气口2的数量可以为一个或多个，可以根据处理的天然气种类以及天然气处理量的不同自行设置，本申请实施例对此不做限定。

下面对本申请实施例提供的一种天然气除砂装置的工作原理进行详述：

在使用时，天然气从进气口2进入罐体1后，会触碰罩体6侧表面，由于该侧表面的阻挡，天然气在碰触后会改变其气流的运行方向，不会直接从出气管道7离开罐体，从而使得天然气在罐体1内的留存时间增长。而在触碰了侧表面之后，天然气会分为多股，各自发生旋流，在罐体1内的上半部运动。旋流过程中天然气中体积较大的第一砂粒在离心力和重力的作用下从天然气中分离，第一砂粒分离后落入罐体1下部的液体中，随后沉降至出砂口4中，最终从出砂口4导出至罐体1外部。随着天然气的不断流入，旋流的天然气会向与液体表面接触，与液体表面接触时由于液体表面的表面张力较大，天然气中体积较小的第二砂粒被液体包裹而留在液体中，在液体的粘附作用下，第二砂粒发生团聚，团聚后的第二砂粒在重力的作用下缓慢沉入液体中，随后沉降至出砂口4中，最终从出砂口4导出至罐体1外部；当天然气从集气罩底部进入集气罩内部后，还有一段向上的通路，由于之前的作用，天然气的流通速度已经被降低，在上升过程中还会在重力的作用下将第三砂粒从天然气中分离出来，第三砂粒落入液体中，在重力的作用下缓慢沉入液体中，随后沉降至出砂口4中，最终从出砂口4导出至罐体1外部。最后，天然气从出气管道7离开罐体，完成天然气中砂粒的分离的过程。

本申请不对罐体尺寸和材料做出限定，比如罐体1的直径为600mm；罐体1可以使用碳钢、不锈钢等材料制成，保证罐体的耐压强度不小于1MPa即可。

在一种可能的设计中，罐体1，还包括：设置于罐体1内部的集砂罩3，集砂罩3上方和下方均设置有开口，且集砂罩3上方开口的直径大于集砂罩3下方开口的直径；集砂罩3下方开口与出砂口4相对设置；集砂罩3用于将从天然气中分离的砂粒聚集并导向出砂口4。

具体的，第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒落入液体中后，在重力的作用下缓慢下沉，由于集砂罩的上方开口直径大于下方开口的直径，所以第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒在接触集砂罩3的内壁后会顺着集砂罩3的内壁向下滑动；又由于集砂罩3下方开口与出砂口4相对，砂粒最终落入出砂口，起到砂粒聚集和导向的作用。

在一种可能的设计中，集砂罩3为圆锥形。需要说明的是，这里的圆锥形不是完整的圆锥形，而是将圆锥的锥角切除的圆锥形，切除后留下一个开口，也即是，该集砂罩3可以为上下开口的具有锥度的桶状结构，在一种可能设计中，在上述开口处焊接一个直径与开口匹配的延长管，将圆锥形倒置，使得延长管正对出砂口4，这样可以利用圆锥更加陡峭的侧表面，加快砂粒的聚集和沉降。可以显著缓解第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒由于液体被搅动而长时间悬浮的现象，除砂效果更好。

在一种可能的设计中，集砂罩3上方开口的边沿均与罐体1的内壁接触且没有空隙，也即是，集砂罩3上方开口的边沿与罐体内表面紧密配合，这样就可以将落入液体中的第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒完整的收集至出砂口4，减少砂粒在罐体1底部的沉积，延长罐体的清洁周期。

在一种可能的设计中，天然气进气口2，包括：设置于天然气进气口2内部的进水口。具体的，进水口可以安装在天然气进气口2内，通过这种结构，液体可以通过进水口加入到罐体内。

在一种可能的设计中，进水口上设置有第一阀门；第一阀门用于控制进水口输入液体。

具体的，第一阀门可以是电动阀门，在接收到液位调节单元发出的第一开启信号后第一阀门可以自动开启，将液体加入到罐体内；在接收到液位调节单元发出的第一关闭信号后第一阀门可以自动关闭，停止将液体加入到罐体内。

在一种可能的设计中，出水口5上设置有第二阀门；第二阀门用于控制出水口5排出液体。

具体的，第二阀门可以是电动阀门，在接收到液位调节单元发出的第二开启信号后第二阀门可以自动开启，将液体排出到罐体外；在接收到液位调节单元发出的第二关闭信号后第二阀门可以自动关闭，停止将液体排出到罐体外。

在一种可能的设计中，罩体6为圆锥形。

具体的，将罩体6设计为圆锥形，需要说明的是，这里的圆锥形也不是完整的圆锥形，而是将圆锥的锥角切除的圆锥形，切除后留下一个开口，也即是，该集砂罩3可以为上下开口的具有锥度的桶状结构，这样可以在罐体1内的上部给天然气留有更大的旋流空间，将第一砂粒从天然气中分离出来；此外，在分离第三砂粒的过程中，由于罩体6下部宽，上部窄，天然气可以在上升过程中在罩体6内自发旋流，利用重力和离心力分离第三砂粒，分离效果更好。

除此之外，罩体6为圆锥形的情况下，罩体6的顶角可以为大于90°，这样天然气在碰触罩体6的侧表面后流速更低，有利于砂粒的分离。

在一种可能的设计中，罩体6为圆锥形的情况下，罩体6的顶角可以为120°。相应的，罩体6的母线可以为320mm，圆锥形罩体的主视图是一个等腰三角形，上述罩体6的母线是指上述等腰三角形的一条腰，(如图1中L)。

在一种可能的设计中，罩体6下方开口的边沿与罐体1内壁之间留有第一空隙。该第一空隙的设计，可以为天然气提供进入集气罩内部的通道，天然气可以通过第一空隙进入罩体6的内部。

在一种可能的设计中，集气罩下边沿设置有波形结构；液体的液面与波形结构的波峰相切。其中，波形结构可以是具有规则形状的三角波、正弦波或者方波。天然气从进气口2中进入罐体1，与罩体6侧壁发生触碰，天然气中部分携带砂粒的液体会顺着罩体6侧壁流下，到达底部后，会因为特殊的波形结构将这些携带砂粒的液体聚集在波峰处，形成质量更大的液滴，天然气通过罩体6底部时不会再次将这些携带砂粒的液体带走。

具体的，将液体的液面控制在与波形结构的波峰相切，可以将本身广阔的进入罩体6内部的通道切割成一个一个的小通道，天然气从罩体6底部的四周进入罩体6内，防止天然气仅通过一个方向进入罩体6而导致罐体1下部液体发生涡流，导致部分第二砂粒无法在静电力的作用下发生团聚的情况，分离效果更好。液面过高和过低都不利于天然气的中砂粒的分离过程，所以必须严格控制罐体的液体的液面高度，具体控制方法如下：

罐体内可以设置有液位调节单元，液位调节单元同时与第一阀门和第二阀门电性相连。液位调节单元可以实时监控装置内的液位，液位低于第一目标液位时调节单元向第一阀门发送第一开启信息，控制第一阀门开启，向罐体1内输入液体，液位到达预设高度时，液位调节单元向第一阀门发送第一关闭信息，控制第一阀门关闭，停止想罐体1内输入液体；液位高于第一目标液位时调节单元向第二阀门发送第二开启信息，控制第二阀门开启，向罐体1外排出液体，液位到达预设高度时，液位调节单元向第二阀门发送第二关闭信息，控制第二阀门关闭，停止想罐体1外排出液体。

具体的，液位调节单元可以与设置在罐体1底部一个或多个液体压强测量单元电性相连。液体压强测量单元根据公式h＝p/ρg(h，液体表面到液体压强测量单元的深度；p，pressure压强；ρ，液体密度；g，gravitational acceleration重力加速度)来计算液体压强测量单元在液体中的深度h，由于液体压强测量单元位于罐体1底部，可以用深度h来表示液体的液面高度，当h小于预设高度时，液体压强测量单元向液位控制单元发送液体缺失信息，液位控制单元向第一阀门发送第一开启信号，第一阀门开启，向罐体1内加入液体；当h达到预设高度时，液体压强测量单元向液位控制单元发送液面到达指定位置信息，液位控制单元向第一阀门发送第一关闭信号，第一阀门关闭，停止加入液体；当h大于预设高度时，液体压强测量单元向液位控制单元发送液体过量信息，液位控制单元向第二阀门发送第二开启信号，第二阀门开启，液体经由出水口5从罐体1内排出；当h达到预设高度时，液体压强测量单元向液位控制单元发送液面到达指定位置信息，液位控制单元向第二阀门发送第二关闭信号，第二阀门关闭，停止排出液体。

在一种可能的设计中，出砂口4上设置有定时开启阀门；定时开启阀门用于在预定时间开启出砂口4，排出砂粒。

具体的，定时开启阀门可以是安装有定时单元的电动阀门，该电动阀门可以间隔一段时间自动开启，将出砂口内沉积的第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒排出，无需手动操作，减少了工作量。需要说明的是，间隔时间可以根据处理的天然气种类不同而自行设置，本申请实施例对此不做限定。

综上所述，本申请实施例提供的天然气除砂装置，以球形罐体1为基础，在内部设置罩体6改变了天然气的流通路线，延长了天然气在罐体1内的留存时间。各个结构相互配合，利用旋流分离，水相过滤以及重力分离的原理分别对天然气中的第一砂粒、第二砂粒以及第三砂粒进行处理，提高了天然气除砂装置的除砂率。而且在分离过程中没有用到滤芯，降低了成本。

进一步地，该天然气除砂装置上液位调节单元、第一阀门、第二阀门以及定时开启阀门的设置，使得排出液体、输入液体以及排出砂粒都是自动完成的，操作简便。

下面是使用本申请实施例提供天然气除砂装置进行对比实验的实验情况：

实验组(本申请实施例提供天然气除砂装置)：

实验材料、条件以及设备：用空气模拟天然气，把水、空气、砂粒按一定比例混配，其中选取的砂粒直径范围为20～400μm。具体的，砂粒通过一个螺杆泵加入进气口2，水通过计量泵加入进气口2，空气通过风机引入进气口2，并把加入的砂粒和水带入罐体1中，风机的风速可调控，实验时间1h。

实验步骤：预先在罐体1内加入水，并将液面控制在预设位置，即将液面控制在与波形结构的波峰相切的位置，启动风机引入含水和砂粒的空气至罐体1内，通过旋流分离、水相过滤以及重力分离的作用，空气中的砂粒被分离出来，实验过程中通过液位控制单元维持液位，通过定时开启阀门不断排出砂粒。在出气管道7处设置小孔径滤网，收集砂粒，将收集到的砂粒称重，根据收集到的砂粒质量和实验开始时放置在进气口2处砂粒的质量计算出除砂装置的除砂率，其结果见表1。

对照组1：

采用本申请实施例提供的天然气除砂装置，但实验过程中不控制除砂装置内液体的液面高度，除砂率的结果见表1。

对照组2：

采用本申请实施例提供的天然气除砂装置，但未设置锥形集气罩，实验步骤与实验组相同，除砂率的结果见表1。

对照组3：

采用本申请实施例提供的天然气除砂装置，但未设置锥形集砂罩，实验步骤与实验组相同，除砂率的结果见表1。

对照组4：

采用本申请实施例提供的天然气除砂装置，但锥形集气罩的下边沿未设置波形结构，实验步骤与实验组相同，除砂率的结果见表1。

表1

	实验组	对照组1	对照组2	对照组3	对照组4
						除砂率(％)	99.8	85.1	75.2	90.1	92.5

通过上述表1所提供的实验结果可以看出，采用本申请实施例提供天然气除砂装置可以显著提高天然气除砂装置的除砂率。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气除砂装置，其特征在于，所述装置包括：

罐体(1)，所述罐体(1)的上半部设置有用于输入天然气的进气口(2)，所述罐体(1)的下方设置有出砂口(4)，所述罐体(1)的侧下方设置有出水口(5)，所述罐体(1)用于容置对所述天然气中的砂粒进行沉积的液体；

设置于所述罐体(1)内部的集气罩，所述集气罩包括向上方伸出所述罐体(1)的出气管道(7)以及与所述出气管道(7)连通的向下方开口的罩体(6)，所述罩体(6)的侧表面与所述进气口(2)相对设置；

所述集气罩用于将从所述进气口(2)进入所述罐体(1)的天然气中的气体通过所述罩体(6)以及所述出气管道(7)导出至所述罐体(1)外部，并将所述天然气中的砂粒通过所述罩体(6)外表面的阻挡以及所述液体的作用，从所述出砂口(4)导出至所述罐体(1)外部；

所述罐体(1)，还包括：设置于所述罐体(1)内部的集砂罩(3)，所述集砂罩(3)上方和下方均设置有开口，且所述集砂罩(3)上方开口的直径大于所述集砂罩(3)下方开口的直径；所述集砂罩(3)下方开口与所述出砂口(4)相对设置；

所述集砂罩(3)用于将从天然气中分离的砂粒聚集并导向所述出砂口(4)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集砂罩(3)为圆锥形。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述集砂罩(3)上方开口的边沿均与所述罐体(1)的内壁接触且没有空隙。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天然气进气口(2)，包括：

设置于所述天然气进气口(2)内部的进水口。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述罩体(6)为圆锥形。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述罩体(6)下方开口的边沿与所述罐体(1)内壁之间留有第一空隙。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述集气罩下边沿设置有波形结构；

所述液体的液面与所述波形结构的波峰相切。

8.一种天然气除砂方法，其特征在于，所述方法适用于权利要求1-7中任一天然气除砂装置，所述方法包括：

控制天然气从进气口(2)进入罐体(1)，所述天然气与集气罩的侧壁碰触后发生旋流，将第一沙粒从所述天然气中分离；

所述天然气与所述罐体(1)中的液体接触，在所述液体的粘附作用下，将第二沙粒从所述天然气中分离；

所述天然气进入集气罩，在所述集气罩内发生旋流，将第三沙粒从所述天然气中分离，所述天然气通过所述罐体(1)顶部的出气管道(7)离开所述罐体(1)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述天然气与所述罐体(1)中的液体接触，在所述液体的作用下，将第二沙粒从所述天然气中分离之前，所述方法还包括：

控制所述罐体(1)中的液体的液位处于预设高度。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述第一沙粒、第二沙粒以及第三沙粒落入所述液体后经由出砂口(4)离开所述罐体(1)。

Images