CN113623904A - 油田伴生气回收液环压缩机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油田伴生气回收液环压缩机系统，包括第一温度变送器、控制模块、冷凝器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、液环压缩机、气水分离器、气体回流管路、排气管、第二压力变送器、气水分离器阀门、回水管路、换热器、液环压缩机排出管、液环压缩机进气管路、冷却水自动调节阀、第三温度变送器、冷凝器进口管路、第四温度变送器和液位计、冷却水进水管和冷却水出水管。本发明以液环压缩机系统替代油田伴生气回收系统中的螺杆压缩机系统，避免了因压缩后的气体含水量大而影响后续工序的问题，节省了冷却水的用量，降低了设备的维护成本，大幅度提高了生产过程的可靠性、安全性和设备的可调节性与调节的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于油田伴生气回收技术领域，具体涉及一种油田伴生气回收液环压缩机系统。
背景技术
油田伴生气，亦即油田在开采的过程中伴随出现或产生的低压天然气，以前都是直接排放或者燃烧处理，这种处理方式无疑会造成环境污染和能源浪费。近年来，本领域技术人员针对油田伴生气的回收利用研发了多种技术方案，其中不少技术方案以申请专利或者发表学术论文的形式公开，或者公开应用于油田的生产实践中。
例如，申请号201710756645.1的发明专利申请公开了一种基于水合物法的油田伴生气回收和采出污水处理装置，包括油气水三相分离器，气液固三相分离器，原油储罐，沉降罐，冷凝塔，过滤器，污水罐，气体缓冲罐，螺杆泵，浆液泵，气液两相泵，压缩机，压力表，流量计，水合物生成分解单元，单向阀，截止阀，两相分离器，蓄水罐。该发明通过装置的回收和分级处理，使得采出水能够进一步处理，并回注油田，伴生气分级处理，重烃冷凝回收进入原油储罐，甲烷和乙烷气体得到提纯再利用，从而实现污水处理再注和轻烃回收再用一体化，能量相互利用，节省投资，回收效率高。
又如，中国石油大学(华东)研究生范原博的硕士论文——《长庆油田放空伴生气回收技术研究》，对长庆油田(我国目前最大的油气田)在油田伴生气回收方面所综合运用的定压阀混输工艺、同步回转油气混输工艺、单螺杆泵油气混输工艺、压缩机增压分输工艺等主要的工艺技术进行了系统的分析，并指出定压阀、同步回转、单螺杆泵、油气分输等工艺技术也在现场的实际工程建设中得到了良好的应用。
总的说来，现有的油田伴生气回收技术在保护环境和提高资源利用率方面发挥了积极的作用，然而，现有的油田伴生气回收技术也存在不足，其原因在于，在处理油田伴生气的过程中，现有技术是通过螺杆压缩机系统(油田伴生气回收系统的子系统)来输送和增压，再经其他工序后实现对田伴生气的回收利用。一方面，由于油田伴生气的温度通常高达140℃，而且流量变化较大，最小流量值可能为零，因此经常需要调节回流一些排出的气体到螺杆压缩机的进气口来稳定设备的工作压力；另一方面，螺杆压缩机压缩气体的过程中也会造成较大的温升(一般达到90℃以上)，从而造成螺杆压缩机的排气温升显著加大，导致螺杆压缩机热胀卡死或油滴结焦卡死的故障率增大，致使螺杆压缩机进口气体流量下降明显。而螺杆压缩机进口气体流量下降明显，则会造成气流失速、排压无法上升乃至气体倒流，致使螺杆压缩机产生大幅喘振的现象，严重时，会造成螺杆压缩机零件脱落或损坏。此外，低压天然气中含有较多的水滴，螺杆压缩机前的冷凝器中的冷凝水会随气体吸入到螺杆压缩机中。吸入气体含水量过多时可能造成螺杆压缩机流道堵塞、磨损加剧、振动变大、润滑油乳化和零件生锈等问题。由此可见，螺杆压缩机系统在使用过程存在较多的问题，为保证螺杆压缩机在工作过程温度不会过高，现有技术需要在螺杆压缩机吸入口和排出口都设置冷凝器冷却气体，这种结构设计不仅耗费能量而且后续降温会析出大量液体，对油田伴生气回收系统的后续流程造成较大的负面影响。总之，在油田伴生气回收系统中，通过使用螺杆压缩机系统这一子系统来实现输送和增压的技术方案，其技术效果并不理想。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有的油田伴生气回收系统中的螺杆压缩机系统所存在的故障率高、回流调节范围窄和冷却水损耗大的技术缺陷。该目的是通过下述技术方案实现的：
一种油田伴生气回收液环压缩机系统，包括第一温度变送器、控制模块、冷凝器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、液环压缩机、气水分离器、气体回流管路、排气管、第二压力变送器、气水分离器阀门、回水管路、换热器、液环压缩机排出管、液环压缩机进气管路、冷却水回流气自动调节阀、第三温度变送器、冷凝器进口管路、第四温度变送器、液位计、冷却水进水管和冷却水出水管；
冷凝器进口管路依次与冷凝器、液环压缩机进气管路、液环压缩机、液环压缩机排出管和气水分离器连通；冷却水进水管依次与冷凝器和冷却水出水管连通，冷却水回流气自动调节阀设置在冷却水进水管或者冷却水出水管上；
气水分离器的上部与排气管的一端连通，排气管的另一端设有排气口，排气管的侧面设有与气体回流管路连通的开口，回流气自动调节阀设置在气体回流管路上；气水分离器的下部依次与回水管路、换热器和液环压缩机连通；第二压力变送器、气水分离器阀门、液位计分别与气水分离器连通；
第一温度变送器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、第二压力变送器、气水分离器阀门、冷却水回流气自动调节阀、第三温度变送器、第四温度变送器与控制模块通讯连接。
上述技术方案的基本发明构思是，在油田伴生气回收系统中，以液环压缩机系统这一子系统替代螺杆压缩机系统，在克服螺杆压缩机系统所固有的技术缺陷——就油田伴生气回收这一特定的技术任务而言——的同时，从总体上改善油田伴生气回收系统的技术效果。
在上述技术方案中，所述控制模块优选单片机、工控机或者PLC。
另需说明的是，实施本发明的技术方案时，所述各压力变送器可以用相应的压力传感器替代，所述各温度变送器可以用相应的温度传感器替代，亦即以第一压力传感器、第二压力传感器分别替代上述技术方案中的第一压力变送器、第二压力变送器，以第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器分别替代上述技术方案中的第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、第四温度变送器。
本发明的主要有益效果如下：
(1)液环压缩机压缩气体时接近等温压缩，不会因温度上升造成内部零件卡死或磨损，排出气体温度较低，也避免了因压缩后的气体含水量大而影响后续工序的问题，同时还可以省去排出口的冷凝器(亦即无需在液环压缩机的排出口设置冷凝器)，既节省了冷却水的用量，又降低了设备的维护成本。
(2)液环压缩机本身需要水作为工作液，故可以吸入大量的水滴，因此，低压天然气含水滴的问题，不会对液环压缩机造成任何影响，反而可以起到减少工作液补充量的积极作用，有效避免螺杆压缩机因吸入水量过大而产生故障的情况，从而大幅度提高了生产过程的可靠性和安全性。
(3)由于液环压缩机是靠工作水形成的液环来压缩气体，液环并非刚性零件，自身有较大的可调节性，对于吸入压力值允许有较大的偏差，因此，与采用螺杆压缩机的系统相比，本发明可调节性要高出很多，调节时的稳定性也更好，不会出现喘振等问题。
附图说明
图1为本发明的基本结构与工作原理框图；
图2为本发明的一个实施例的结构与工作原理示意图；
图3为图2中的进气系统的局部放大图；
图4为图2中的冷却水系统的局部放大图。
图中：
1——第一温度变送器； 2——控制模块；
3——冷凝器； 4——第一压力变送器；
5——回流气自动调节阀； 6——第二温度变送器；
7——液环压缩机； 8——气水分离器；
9——气体回流管路； 10——排气管；
11——第二压力变送器 12——气水分离器阀门；
13——回水管路； 14——换热器；
15——液环压缩机排出管； 16——液环压缩机进气管路；
17——冷却水自动调节阀； 18——第三温度变送器；
19——冷凝器进口管路； 20——第四温度变送器；
21——液位计； 22——冷却水进水管；
23——冷却水出水管。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图介绍本发明的一个实施例：
如图1并结合图2、图3和图4所示，一种油田伴生气回收液环压缩机系统，包括第一温度变送器1、控制模块2、冷凝器3、第一压力变送器4、回流气自动调节阀5、第二温度变送器6、液环压缩机7、气水分离器8、气体回流管路9、排气管10、第二压力变送器11、气水分离器阀门12、回水管路13、换热器14、液环压缩机排出管15、液环压缩机进气管路16、冷却水自动调节阀17、第三温度变送器18、冷凝器进口管路19、第四温度变送器20、液位计21、冷却水进水管22和冷却水出水管23；
冷凝器进口管路19依次与冷凝器3、液环压缩机进气管路16、液环压缩机7、液环压缩机排出管15和气水分离器8连通，其中，冷凝器进口管路19、冷凝器3内部的通气管路、液环压缩机进气管路16、液环压缩机7和液环压缩机排出管15构成本发明中的进气系统(参见图3)；冷凝器3内部的通水管路，与冷凝器3连通的冷却水进水管22和冷却水出水管23，以及设置在冷却水进水管22上的冷却水自动调节阀17(冷却水自动调节阀17也可以设置在冷却水出水管22上)，共同构成本发明中的冷却水系统(参见图4)；
气水分离器8的一侧与排气管10的一端连通，排气管10的另一端设有排气口，排气管10的侧面设有与气体回流管路9连通的开口，回流气自动调节阀5设置在气体回流管路9上；气水分离器8的另一侧依次与回水管路13、换热器14和液环压缩机7连通；第二压力变送器11、气水分离器阀门12和液位计21分别与气水分离器8连通；
第一温度变送器1、第一压力变送器4、回流气自动调节阀5、第二温度变送器6、第二压力变送器11、气水分离器阀门12、冷却水自动调节阀17、第三温度变送器18、第四温度变送器20、液位计21与控制模块2通讯连接。
需要强调的是，为了表述问题的准确和简便，本说明书在部分装置或零部件的名称之前加上了序数词，例如第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器等，不同的序数词仅表明相应的装置或零部件在本发明油田伴生气回收液环压缩机系统中所处的位置和所控制的对象不同，除此以外，序数词并不必然具有其他限定作用。另需说明的是，在实际实施本发明的技术方案时，本实施例中的各温度变送器可以使用相应的温度传感器替代，同样，本实施例中的各压力变送器也可以使用相应的压力传感器替代。此外，本实施例中的控制模块2可以是现有技术中具有相应控制功能的单片机、PLC(可编程序控制器)或者工控机等。
以上，结合附图描述了本发明的一个实施例的结构特征，以下进一步介绍其工作过程：
工作时，先通过气水分离器阀门12给气水分离器8供水至一定的液位，工作水经过回水管路13和换热器14流入至液环压缩机7中，此时，可启动液环压缩机7开始抽吸油田伴生气。被抽吸的油田伴生气经冷凝器进口管路19进入到冷凝器3中，冷却水经过冷却水进水管22和冷却水自动调节阀17进入到冷凝器3中与油田伴生气进行换热冷却，然后经冷却水出水管23排出。冷却后的油田伴生气(挟带着部分水分)经液环压缩机进气管路16进入到液环压缩机7中，经压缩后排出到气水分离器8中。挟带着水分的油田伴生气在气水分离器8中分离，分离出来的液态水汇入到工作水中，从气水分离器8的底部流到回水管路13中，经换热器14降温后进入到液环压缩机7中循环使用，而分离出来的气体则经排气管10排出气水分离器8之外，然后通往下一道工序流程中(视具体情况，或者经后续处理程序回收利用，或者经气体回流管路9回到冷凝器3中)。
上述工作过程是在控制模块2的控制下完成的，例如，控制模块2根据第一压力变送器4检测到液环压缩机进气管路16中的油田伴生气的压力值p1(亦即液环压缩机7的进气口压力值)，并将p1和预设的压力值p0比对，来确认是否需要开启回流气自动调节阀5来实现气体回流。
又如，控制模块2根据第一温度变送器1检测到的热交换前的油田伴生气温度值t1，第二温度变送器6检测到的热交换后的油田伴生气温度值t2，温度变送器18检测到的热交换前的冷却水温度值T3，温度变送器20检测到冷却水热交换后的温度值T4，以及液环压缩机7的抽气量来计算所需要的冷却水的流量，从而确定回流气自动调节阀17的开度。
总的说来，所述油田伴生气回收液环压缩机系统的控制分为回流气体的控制和冷却水流量的控制，这是两个同时进行，但相对独立的过程。以下，分别介绍回流气体的控制方法和冷却水流量的控制方法。
一、回流气体的控制方法
回流气体的控制方法包括以下步骤：
步骤1，在控制模块2中预设好油田伴生气的吸入压力值p0和大幅调整的允许偏差范围率dp；
步骤2，第一压力变送器4检测到液环压缩机7的进口压力值p1，第二压力变送器11检测到液环压缩机7的出口压力值p2，反馈到控制模块2；
步骤3-1，当︱(p0-p1)/p0︱>dp时，气体回流管路9上的回流气自动调节阀5的开度需大幅调整，如果此时p0<p1，而且回流气自动调节阀5的开度为0，则控制模块2发出警报，提示操作人员检查进气系统是否有故障；如果没有以上情况，则由控制模块2计算出回流气自动调节阀5的开度调整量；
回流气自动调节阀5的开度调整量可以通过经验公式计算如下：
Kq2＝V0*(p0-p1)/(S1*p2*d2)；
式中，p0：控制模块2预设好的油田伴生气的吸入绝对压力值，单位：MPa；
p1：第一压力变送器4检测到的进口绝对压力值，单位：MPa；
p2：第二压力变送器11检测到的出口绝对压力值，单位：MPa；
V0：液环压缩机的额定抽气量，单位：m3/min；
d：回流气自动调节阀5的阀门通径，单位：m；
S1：回流气自动调节阀5的开度计算经验系数，通常取值范围为：1000～3000；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤3-2，当︱(p0-p1)/p0︱<dp时，回流气自动调节阀5的开度只需小幅度调整，可根据以下经验公式计算出调整量：
Kq2＝V0*(p0-p1)/(S2*p2*d2)；
式中，S2：回流气自动调节阀5的开度计算经验系数，通常取值范围为：200～1000；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤4，确定回流气自动调节阀5现有的开度值Kq1＝Kq，Kq为重新调整开度前的开度值；
步骤5，计算需调整的回流气自动调节阀5的开度值Kq＝Kq1+Kq2，然后重新调整回流气自动调节阀5的开度；
步骤6，调整好回流气自动调节阀5的开度后，再回到步骤2，从而实现回流气体的循环控制。
以下，代入某次实验中的具体数值，进一步说明回流气体的控制方法：
在该实验中，液环压缩机7的额定抽气量V0＝12m3/min，预设吸入压值p0＝0.11MPa，大幅调整的允许偏差范围率设定为dp＝15％，所使用的回流气自动调节阀5的阀门通径为d＝50mm＝0.05m，第一压力变送器4检测到的进口压力值p1＝0.09MPa，压力变送器11检测到的出口压力值p2＝0.6MPa，S1取值1413；
此时，︱(p0-p1)/p0︱＝(0.11-0.09)/0.11≈0.18>dp，回流气自动调节阀5的开度需大幅调整：
Kq2＝V0*(p0-p1)/(1413*p2*d2)；
＝12*(0.11-0.09)/(1413*0.6*0.052)
≈0.113＝11.3％；
此时，Kq1＝Kq＝0；
计算需调整的开度值Kq＝Kq1+Kq2＝11.3％，重新调整回流气自动调节阀5的开度后，再回到步骤2，从而实现回流气体的循环控制。
二、冷却水流量控制方法
步骤1，在控制模块2中预设好冷凝后的气体温度值t0和大幅调整的允许偏差范围率dt；
步骤2，第一温度变送器1检测到热交换前的油田伴生气的温度值t1，第二温度变送器6检测到热交换后的油田伴生气的温度值t2，第三温度变送器18检测到热交换前的冷却水温度值T3，第四温度变送器20检测到冷却水热交换后的温度值T4，反馈到控制模块2；
步骤3-1，当︱(t2-t0)/t0︱>dt时，冷却水自动调节阀17的开度需大幅调整，如果此时t0<t2，而且冷却水自动调节阀17的开度为100％，则控制模块2发出警报，提示操作人员检查冷却水系统是否有故障，如果没有以上情况，则由控制模块2计算出冷却水自动调节阀17的开度调整量；
冷却水自动调节阀17的开度调整量可以通过经验公式计算如下：
Ks2＝S3*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，V0：液环压缩机的额定抽气量，单位：m3/min；
t1：第一温度变送器1检测到的进气温度(亦即热交换前的油田伴生气温度)，单位：℃；
t2：第二温度变送器6检测到的排气温度(亦即热交换后的油田伴生气温度)，单位：℃；
T3：第三温度变送器18检测到的冷却水进水温度(亦即热交换前的冷却水温度)，单位：℃；
T4：第四温度变送器20检测到的冷却水出水温度(亦即冷却水热交换之后的温度)，单位：℃；
d：冷却水自动调节阀17的通径，单位：m；
S3：冷却水自动调节阀17的开度计算经验系数，通常取值范围：1～10E-5；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤3-2，当︱(t2-t0)/t0︱<dt时，冷却水自动调节阀17的开度只需小幅调整，开度的调整量可以通过经验公式计算如下：
Ks2＝S4*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，S4：冷却水自动调节阀17的开度计算经验系数，通常取值范围为：0.5～6E-5；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤四，确定冷却水自动调节阀17现有的开度值Ks1＝Ks，Ks为重新调整开度前的开度值；
步骤五，计算冷却水自动调节阀17需调整的新开度值Ks＝Ks1+Ks2，然后重新调整其开度；
步骤六，调整好冷却水自动调节阀17的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水流量的循环控制。
以下，代入实验中的具体数值，进一步说明冷却水流量控制方法：
在该实验中，液环压缩机7的额定抽气量V0＝12m3/min；预设好冷凝后的气体温度值t0＝45℃和大幅调整的允许偏差范围率dt＝10％，所使用的冷却水自动调节阀17的阀门通径为d＝80mm＝0.08m，第一温度变送器1检测到的温度值t1＝80℃，第二温度变送器6检测到的温度值t2＝50℃，第三温度变送器18检测到的温度值T3＝25℃，第四温度变送器20检测到的温度值T4＝40℃S3取值8E-5；
此时，︱(t2-t0)/t0︱＝(50-45)/45≈0.11>dt，冷却水自动调节阀17的开度需大幅调整：
Ks2＝0.00008*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2
＝0.00008*12*(80-50)/(40-25)/0.082＝0.3＝30％；
此时，Ks1＝Ks＝0；
计算需调整的冷却水自动调节阀17的开度值Ks＝Ks1+Ks2＝30％，重新调整冷却水自动调节阀17的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水的循坏控制。
Claims (4)
1.一种油田伴生气回收液环压缩机系统，包括第一温度变送器(1)、控制模块(2)、冷凝器(3)、第一压力变送器(4)、回流气自动调节阀(5)、第二温度变送器(6)、液环压缩机(7)、气水分离器(8)、气体回流管路(9)、排气管(10)、第二压力变送器(11)、气水分离器阀门(12)、回水管路(13)、换热器(14)、液环压缩机排出管(15)、液环压缩机进气管路(16)、冷却水自动调节阀(17)、第三温度变送器(18)、冷凝器进口管路(19)、第四温度变送器(20)、液位计(21)、冷却水进水管(22)和冷却水出水管(23)；
冷凝器进口管路(19)依次与冷凝器(3)、液环压缩机进气管路(16)、液环压缩机(7)、液环压缩机排出管(15)和气水分离器(8)连通；冷却水进水管(22)依次与冷凝器(3)和冷却水出水管(23)连通，冷却水自动调节阀(17)设置在冷却水进水管(22)或者冷却水出水管(23)上；
气水分离器(8)的上部与排气管(10)的一端连通，排气管(10)的另一端设有排气口，排气管的侧面设有与气体回流管路(9)连通的开口，回流气自动调节阀(5)设置在气体回流管路(9)上；气水分离器(8)的下部依次与回水管路(13)、换热器(14)和液环压缩机(7)连通；第二压力变送器(11)、气水分离器阀门(12)、液位计(21)分别与气水分离器(8)连通；
第一温度变送器(1)、第一压力变送器(4)、回流气自动调节阀(5)、第二温度变送器(6)、第二压力变送器(11)、气水分离器阀门(12)、冷却水自动调节阀(17)、第三温度变送器(18)、第四温度变送器(20)与控制模块(2)通讯连接。
2.如权利要求1所述的油田伴生气回收液环压缩机系统，其特征在于：所述控制模块为单片机、工控机或者PLC。
3.如权利要求1或2所述的油田伴生气回收液环压缩机系统，其特征在于：以第一压力传感器、第二压力传感器分别替代所述第一压力变送器、第二压力变送器。
4.如权利要求1或2所述的油田伴生气回收液环压缩机系统，其特征在于：以第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器分别替代所述第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、第四温度变送器。
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