CN114106898B - 一种除砂分离器及其除砂分离方法 - Google Patents

一种除砂分离器及其除砂分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种除砂分离器，包括分离罐体，分离罐体上端的内壁上设置有隔板，隔板上方的分离罐体上设置有天然气出口，隔板下方的分离罐体上设置有原料气进口；原料气进口下方的内壁上设置有支撑板，隔板与支撑板之间设置有旋风子，旋风子的下端伸入放大接管内；旋风子的侧面开设有进料口，放大接管的上端固定在支撑板上，分离罐体上设置有第一液位计口、第二液位计口和排液口，分离罐体底部的外表面设置有外贴式液位传感器，分离罐体的底部设置有排砂口。除砂分离的方法包括步骤S1‑S8。本发明的除砂分离器的沙砾分离效率10μm及以上≥99％，气液夹带少，通过设置合理的排液口排液逻辑，使得分离罐体底部的液面保持稳定，提高旋流分离效果。

Description

一种除砂分离器及其除砂分离方法
技术领域
本发明涉及能源生产技术领域，具体涉及一种除砂分离器及其除砂分离方法。
背景技术
现有技术中在页岩气开采的过程中，普遍采用高压除砂流程。高高压除砂流程需要在井口安装高压的除砂设备，这就造成了地面设备的涉及压力大，除砂流程复杂，开发投资和运行的成本高。高压设备在安全上也不可靠，除砂的效率低，除砂后的页岩气中含有大量的细小砂粒，对下游设备造成刺坏。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种安全可靠、除砂效率高的除砂分离器及其除砂分离方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种除砂分离器，其包括分离罐体，分离罐体上端的内壁上设置有隔板，隔板上方的分离罐体上设置有天然气出口，隔板下方的分离罐体上设置有原料气进口；
原料气进口下方的内壁上设置有支撑板，隔板与支撑板之间设置有旋风子，旋风子的上端伸入隔板的上方，旋风子的下端伸入放大接管内；
旋风子的侧面开设有进料口，进料口位于隔板的下方，放大接管的上端固定在支撑板上，支撑板下方的分离罐体上设置有第一液位计口、第二液位计口和排液口，支撑板的下端安装有朝向分离罐体底部的超声测距传感器，第一液位计口和第二液位计口的高度不等；分离罐体的底部设置有排砂口。
进一步地，分离罐体的上端设置有快开门。
进一步地，旋风子包括竖直的旋风管，进料口开设在旋风管的侧面，旋风管的上端设置有旋风头，旋风管的下端设置有锥形的收口，收口的下端插入放大接管内，旋风管和旋风头均为陶瓷材质。
进一步地，旋风头为漏斗状结构，旋风头上设置有与旋风管连通的通孔，旋风头插入旋风管内，旋风头的上端与旋风管的端部通过锁紧机构连接。
进一步地，旋风头的上端设置有限位环，旋风管的上端设置有限位凸台，限位环放置在限位凸台上，限位环的上端设置有第一固定环，且第一固定环扣合在限位环上；限位凸台的下端设置有第二固定环，且第二固定环与限位凸台配合限位，第一固定环与第二固定环之间通过螺栓连接。
进一步地，限位环的下表面与限位凸台的上表面之间设置有第一密封圈。
进一步地，放大接管为上小下大的锥形结构，放大接管的下端开口，收口插入放大接管的上端，且收口与放大接管之间设置有若干第二密封圈，第二密封圈套在收口的环形槽内。
进一步地，分离罐体内壁上的原料气进口处设置有向上开口形的导向槽。
提供一种利用上述除砂分离器进行除砂分离的方法，其包括以下步骤：
S1：含砂原料气通过原料气进口排入分离罐体内，原料气进口上的两相流量计检测原料进入的流量Q1；
S2：含砂原料气经过导向槽进行导向，使含砂原料气通过进料口进入旋风子内；
S3：含砂原料气在旋风子内进行气相和含砂液相的分离，分离后的含砂液相排入放大接管，气相通过旋风子的上端排入天然气出口；
S4：天然气出口上的气相流量计检测页岩气排出的流量Q2；
S5：含砂液相通过放大接管排入分离罐体的下端，含砂液相中的砂砾沉降在分离罐体底部，液相封堵放大接管的下端口；
S6：利用液位传感器通过第一液位计口和第二液位计口检测液相的液位h；
S7：若液位h＞H1，则完全打开排液口进行排液，其中H1为第一液位计口距离分离罐体底部的高度；若液位h＜H2，则关闭排液口进行储液，其中H2为第二液位计口距离分离罐体底部的高度；
S8：若液位H2≤h≤H1，则根据气相和含砂液相的分离量计算排液口的排液流量Q3。
进一步地，步骤S8包括：
S81：采用流量Q1计算设定时间段t内排入的含砂原料气的量S1＝Q1×t；
S82：采用流量Q2计算设定时间段t内排出页岩气的量S2＝Q2×t；
S83：采用含砂原料气的量S1和页岩气的量S2计算在时间段t内分离出的含砂液相的量S3＝S1-S2；
S84：外贴式液位传感器测量在时间段t内外贴式液位传感器的安装位置距离液相底部的竖直高度H3，利用高度H3计算分离罐体底部堆积的砂砾的高度L：L＝H4-H3，并利用高度L计算在时间段t内堆积的砂砾的量S4，H4为外贴式液位传感器的安装位置距离分离罐体底部的高度；
S85：利用砂砾的量S4和含砂液相的量S3计算在时间段t内分离出的液相量S5＝S3-S4；
S86：根据时间段t内分离出的液相量S5计算排液流量Q3：Q3＝S5/t，当液位h在H2≤h≤H1之间时，控制排液口的排液流量为Q3。
本发明的有益效果为：本发明的除砂分离器的沙砾分离效率10μm及以上≥99％，气液夹带少。采用旋风子进行合理分流再旋流，保证各旋流器负荷均匀，保证了旋流分离效果；旋流管为陶瓷内件，耐冲刷和腐蚀，使用寿命长，在顺时大流量情况下，具备一定缓冲能力。本发明能有效减少除砂分离器的原料气进口处沉砂、沉液，避免封堵，在不影响除砂分离器连续工作的情况下正常排砂，通过设置合理的排液口排液逻辑，使得分离罐体底部的液面保持稳定，提高旋流分离效果。
陶瓷材质的旋风子硬度大，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。其耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。并且，其密度为3.15-3.26g/cmC0/3；，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。可确保陶瓷在酸性环境不发生化学反应，长期稳定使用。
附图说明
图1为除砂分离器的结构图。
图2为旋风子的结构图。
其中，1、快开门，2、第一液位计口，3、隔板，4、旋风头，5、天然气出口，6、进料口，7、旋风管，8、导向槽，9、原料气进口，10、第二液位计口，11、排砂口，12、排液口，13、放大接管，14、限位凸台，15、通孔，16、第二固定环，17、第一固定环，18、支撑板，19、收口，20、环形槽，21、超声测距传感器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，本方案的除砂分离器，其包括分离罐体，分离罐体上端的内壁上设置有隔板3，隔板3上方的分离罐体上设置有天然气出口5，隔板3下方的分离罐体上设置有原料气进口9。
原料气进口9下方的内壁上设置有支撑板18，隔板3与支撑板18之间设置有旋风子，旋风子的上端伸入隔板3的上方，旋风子的下端伸入放大接管13内。
旋风子的侧面开设有进料口6，进料口6位于隔板3的下方，放大接管13的上端固定在支撑板18上，支撑板18下方的分离罐体上设置有第一液位计口2、第二液位计口10和排液口12，支撑板18的下端安装有朝向分离罐体底部的超声测距传感器21，第一液位计口2和第二液位计口10的高度不等；分离罐体的底部设置有排砂口11。
分离罐体的上端设置有快开门1，方便打开分离罐体，对其内部进行检修和清理。
旋风子包括竖直的旋风管7，进料口6开设在旋风管7的侧面，旋风管7的上端设置有旋风头4，旋风管7的下端设置有锥形的收口19，收口19的下端插入放大接管13内，旋风管7和旋风头4均为陶瓷材质。
旋风头4为漏斗状结构，旋风头4上设置有与旋风管7连通的通孔15，旋风头4插入旋风管7内，旋风头4的上端与旋风管7的端部通过锁紧机构连接。
旋风头4的上端设置有限位环，旋风管7的上端设置有限位凸台14，限位环放置在限位凸台14上，限位环的上端设置有第一固定环17，且第一固定环17扣合在限位环上；限位凸台14的下端设置有第二固定环16，且第二固定环16与限位凸台14配合限位，第一固定环17与第二固定环16之间通过螺栓连接。通过第一固定环17和第二固定环16实现旋风头4和旋风管7的紧固连接，并可实现快拆和安装。
陶瓷材质的旋风子硬度大，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。其耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。并且，其密度为3.15-3.26g/cmC0/3；，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。可确保陶瓷在酸性环境不发生化学反应，长期稳定使用。
限位环的下表面与限位凸台14的上表面之间设置有第一密封圈，确保密封性。
放大接管13为上小下大的锥形结构，放大接管13的下端开口，收口19插入放大接管13的上端，且收口19与放大接管13之间设置有若干第二密封圈，第二密封圈套在收口19的环形槽20内。通过放大接管13使分离出的含砂液相分离扩散，时砂砾分布均匀，第二密封圈避免分离出的含砂液相泄露。
分离罐体内壁上的原料气进口9处设置有向上开口形的导向槽8，用于对排入的含砂原料气进行导流，使得含砂原料气快速进入进料口6。
利用上述除砂分离器进行除砂分离的方法，其包括以下步骤：
S1：含砂原料气通过原料气进口9排入分离罐体内，原料气进口9上的气相流量计检测原料进入的流量Q1；
S2：含砂原料气经过导向槽8进行导向，使含砂原料气通过进料口6进入旋风子内；
S3：含砂原料气在旋风子内进行气相和含砂液相的分离，分离后的含砂液相排入放大接管13，气相通过旋风子的上端排入天然气出口5；
S4：天然气出口5上的气相流量计检测页岩气排出的流量Q2；
S5：含砂液相通过放大接管13排入分离罐体的下端，含砂液相中的砂砾沉降在分离罐体底部，液相封堵放大接管13的下端口；
S6：利用液位传感器通过第一液位计口2和第二液位计口10检测液相的液位h；
S7：若液位h＞H1，则完全打开排液口12进行排液，其中H1为第一液位计口2距离分离罐体底部的高度；若液位h＜H2，则关闭排液口12进行储液，其中H2为第二液位计口10距离分离罐体底部的高度；
S8：若液位H2≤h≤H1，则根据气相和含砂液相的分离量计算排液口12的排液流量Q3。包括：
S81：采用流量Q1计算设定时间段t内排入的含砂原料气的量S1＝Q1×t；
S82：采用流量Q2计算设定时间段t内排出页岩气的量S2＝Q2×t；
S83：采用含砂原料气的量S1和页岩气的量S2计算在时间段t内分离出的含砂液相的量S3＝S1-S2；
S84：外贴式液位传感器测量在时间段t内外贴式液位传感器的安装位置距离液相底部的竖直高度H3，利用高度H3计算分离罐体底部堆积的砂砾的高度L：L＝H4-H3，并利用高度L计算在时间段t内堆积的砂砾的量S4，H4为外贴式液位传感器的安装位置距离分离罐体底部的高度；砂砾堆积在离罐体底部，可通过砂砾堆积的高度L与分离罐体底部的尺寸进行计算，砂砾堆积的量就是堆积所占的分离罐体的体积；
S85：利用砂砾的量S4和含砂液相的量S3计算在时间段t内分离出的液相量S5＝S3-S4；
S86：根据时间段t内分离出的液相量S5计算排液流量Q3：Q3＝S5/t，当液位h在H2≤h≤H1之间时，控制排液口12的排液流量为Q3。
本发明的除砂分离器的沙砾分离效率10μm及以上≥99％，气液夹带少。采用旋风子进行合理分流再旋流，保证各旋流器负荷均匀，保证了旋流分离效果；旋流管为陶瓷内件，耐冲刷和腐蚀，使用寿命长，在顺时大流量情况下，具备一定缓冲能力。本发明能有效减少除砂分离器的原料气进口9处沉砂、沉液，避免封堵，在不影响除砂分离器连续工作的情况下正常排砂，通过设置合理的排液口12排液逻辑，使得分离罐体底部的液面保持稳定，提高旋流分离效果。

Claims (10)

1.一种除砂分离器，其特征在于，包括分离罐体，所述分离罐体上端的内壁上设置有隔板，所述隔板上方的分离罐体上设置有天然气出口，所述隔板下方的分离罐体上设置有原料气进口；
所述原料气进口下方的内壁上设置有支撑板，所述隔板与支撑板之间设置有旋风子，所述旋风子的上端伸入隔板的上方，所述旋风子的下端伸入放大接管内；
所述旋风子的侧面开设有进料口，所述进料口位于隔板的下方，所述放大接管的上端固定在支撑板上，所述支撑板下方的分离罐体上设置有第一液位计口、第二液位计口和排液口，所述分离罐体底部的外表面设置有外贴式液位传感器，所述第一液位计口和第二液位计口的高度不等；所述分离罐体的底部设置有排砂口。
2.根据权利要求1所述的除砂分离器，其特征在于，所述分离罐体的上端设置有快开门。
3.根据权利要求1所述的除砂分离器，其特征在于，所述旋风子包括竖直的旋风管，所述进料口开设在旋风管的侧面，所述旋风管的上端设置有旋风头，所述旋风管的下端设置有锥形的收口，所述收口的下端插入放大接管内，所述旋风管和旋风头均为陶瓷材质。
4.根据权利要求3所述的除砂分离器，其特征在于，所述旋风头为漏斗状结构，所述旋风头上设置有与旋风管连通的通孔，所述旋风头插入旋风管内，所述旋风头的上端与旋风管的端部通过锁紧机构连接。
5.根据权利要求4所述的除砂分离器，其特征在于，所述旋风头的上端设置有限位环，所述旋风管的上端设置有限位凸台，所述限位环放置在限位凸台上，所述限位环的上端设置有第一固定环，且第一固定环扣合在限位环上；所述限位凸台的下端设置有第二固定环，且第二固定环与限位凸台配合限位，所述第一固定环与第二固定环之间通过螺栓连接。
6.根据权利要求5所述的除砂分离器，其特征在于，所述限位环的下表面与限位凸台的上表面之间设置有第一密封圈。
7.根据权利要求3所述的除砂分离器，其特征在于，所述放大接管为上小下大的锥形结构，所述放大接管的下端开口，所述收口插入放大接管的上端，且收口与放大接管之间设置有若干第二密封圈，所述第二密封圈套在收口的环形槽内。
8.根据权利要求1所述的除砂分离器，其特征在于，所述分离罐体内壁上的原料气进口处设置有向上开口形的导向槽。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的除砂分离器进行除砂分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：含砂原料气通过原料气进口排入分离罐体内，原料气进口上的两相流量计检测原料气进入的流量Q1；
S2：含砂原料气经过导向槽进行导向，通过进料口进入旋风子内；
S3：含砂原料气在旋风子内进行气相和含砂液相的分离，分离后的含砂液相排入放大接管，气相通过旋风子的上端进入天然气出口；
S4：天然气出口上的气相流量计检测页岩气排出的流量Q2；
S5：含砂液相通过放大接管排入分离罐体的下端，含砂液相中的砂砾沉降在分离罐体底部，液相封堵放大接管的下端口；
S6：利用液位传感器通过第一液位计口和第二液位计口检测液相的液位h；
S7：若液位h＞H1，则完全打开排液口进行排液，其中H1为第一液位计口距离分离罐体底部的高度；若液位h＜H2，则关闭排液口进行储液，其中H2为第二液位计口距离分离罐体底部的高度；
S8：若液位H2≤h≤H1，则根据气相和含砂液相的分离量计算排液口的排液流量Q3。
10.根据权利要求9所述的除砂分离器进行除砂分离的方法，其特征在于，所述步骤S8包括：
S81：采用流量Q1计算设定时间段t内排入的含砂原料气的量S1＝Q1×t；
S82：采用流量Q2计算设定时间段t内排出页岩气的量S2＝Q2×t；
S83：采用含砂原料气的量S1和页岩气的量S2计算在时间段t内分离出的含砂液相的量S3＝S1-S2；
S84：外贴式液位传感器测量在时间段t内外贴式液位传感器的安装位置距离液相底部的竖直高度H3，利用高度H3计算分离罐体底部堆积的砂砾的高度L：L＝H4-H3，并利用高度L计算在时间段t内堆积的砂砾的量S4，H4为外贴式液位传感器的安装位置距离分离罐体底部的高度；
S85：利用砂砾的量S4和含砂液相的量S3计算在时间段t内分离出的液相量S5＝S3-S4；
S86：根据时间段t内分离出的液相量S5计算排液流量Q3：Q3＝S5/t，当液位h在H2≤h≤H1之间时，控制排液口的排液流量为Q3。
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