CN116814308A - Ttpes与orc相结合的天然气组分脱除工艺系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TTPES与ORC相结合的天然气组分脱除工艺系统，包含：源气预处理单元、TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元、ORC冷能回收利用单元和电能管理单元。其特征在于，TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元包括换热器、透平膨胀机、超音速分离器、发电机和电能管理单元，源气预处理单元处理后的高压天然气经换热器通入透平膨胀机，驱动发电机转动将压力能转换成电能，并通过电能管理单元储存利用；经过透平膨胀机后压力和温度降低的天然气，通入到超音速分离器内进一步进行脱除处理，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气，通过ORC冷能回收利用单元进行处理。
Description
技术领域
本发明属于天然气组分分离工艺领域，特别涉及一种TTPES(Transonic Two-Phase Expander and Separator，跨音速两相膨胀分离)与ORC(Organic Rankine Cycle，有机朗肯循环)相结合的井口天然气组分脱除工艺系统。
背景技术
井口开采出的天然气源气是含有水分、重烃、CO2、H2S和固体颗粒物等的多组分气体，如果不及时脱除，在管道集输过程中水分与重烃容易形成水合物对管线、阀门等造成冰堵，酸性水滴会腐蚀管道，降低管道使用寿命。现有天然气组分脱除工艺系统均是以膜分离、分子筛、三甘醇等技术为核心，系统体积大、建设和运行成本较高，而且净化过程中的压力能和冷能并没有得到有效利用。基于此，结合超音速旋流分离技术，设计了一种TTPES与ORC相结合的井口天然气组分脱除工艺系统，利用TTPES实现了天然气的组分分离，同时有效利用天然气净化过程中的压力能和冷能进行发电以供系统使用，该工艺系统在降低建设运行成本的同时，实现了节能减排，提高了能源利用率。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种低成本高效能的天然气组分脱除工艺系统；目的之二是，再提供一种能够实现天然气压力能和冷能回收利用的方法；此外，本发明还提供了一种废气的重复利用实现工艺系统入口天然气的压力调节的手段。技术方案如下：
一种TTPES与ORC相结合的天然气组分脱除工艺系统，包含：源气预处理单元、TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元、ORC冷能回收利用单元和电能管理单元，其特征在于，TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元包括换热器、透平膨胀机、超音速分离器、发电机和电能管理单元，源气预处理单元处理后的高压天然气经换热器通入透平膨胀机，驱动发电机转动将压力能转换成电能，并通过电能管理单元储存利用；经过透平膨胀机后压力和温度降低的天然气，通入到超音速分离器内进一步进行脱除处理，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气，通过ORC冷能回收利用单元进行处理。
进一步地，ORC冷能回收利用单元包括低温冷凝器、泵、汽轮机、燃气加热与换热装置、发电机和电能管理单元，其中，燃气加热与换热装置通过燃烧工艺系统处理后的天然气产生热量，所产生的热量为ORC循环工质提供热源；超音速分离器出口端的低温天然气为ORC循环提供冷源，经过低温冷凝器将冷能回收利用后再利用汽轮机驱动发电机转动将压力能转换成电能，并通过电能管理单元储存利用。
进一步地，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气，部分循环至前端换热器进行入口换热。
进一步地，源气预处理单元包括重力沉降式分离器，高压天然气源气经重力沉降式分离器实现部分液态水分和固体颗粒物组分的脱除。
进一步地，还包括膜分离深度净化单元，所述膜分离深度净化单元包括膜分离器和输气管道，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气在经过入口换热或ORC冷能回收利用单元的低温冷凝器利用后，通入至膜分离器，实现天然气的深度净化，获得纯净的天然气进行集输。
进一步地，经过膜分离深度净化单元所获得的部分纯净天然气通入至ORC循环内的燃气加热与换热装置进行利用，为ORC循环提供所需热能。
进一步地，还包括废气再循环调压单元，从超音速分离器湿气出口端排出的废气通入至废气再循环调压单元；所述废气再循环调压单元包括气液分离器、压缩机和调压阀，经超音速分离器处理得到的废气通入至气液分离器进行二次处理，进而利用压缩机将二次处理后的废气再循环至透平膨胀机入口端与换热后的天然气汇合，调压阀用于控制和稳定透平膨胀机入口天然气源气压力。
进一步地，利用发电机所获得的电能储存在电能管理单元中，为工艺系统内的耗电单元提供电能。
本发明的天然气组分脱除工艺系统，具有低成本高效能的优点，能有效脱除井口天然气中所含的颗粒状杂质，利用TTPES实现了天然气中水分、重烃、酸性气体等组分的深度脱除，通过透平膨胀机对管道内的压力能进行回收利用产生电能，通过ORC循环对超音速分离后天然气的冷能进行回收利用产生电能，所产生电能可供工艺系统的压缩机、泵和传感系统使用。此外，通过废气的重复利用对入口天然气压力进行调节，实现高效组分脱除的同时保证了工艺系统的可靠运行。
附图说明
图1：工艺系统图
图2：分析模型图
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示天然气组分脱除工艺系统图，包含：源气预处理单元、TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元、ORC冷能回收利用单元、废气再循环调压单元和膜分离深度净化单元，各单元之间均通过天然气管道可靠连接。
井口开采出的高压源气经过控制阀门1后通入至重力沉降式分离器3，利用重力沉降技术对源气内的液态水和固体颗粒物等组分进行预脱除，保证后续工艺流程的处理效果和使用寿命，重力沉降式分离器3开设有排污口，将分离物排出进行后续处理。
源气预处理单元预处理后的天然气通过换热器4后进入透平膨胀机5中，天然气在透平膨胀机5内降压降温，并将压力能转化为透平膨胀机5的机械能，进而驱动发电机13进行发电，电能通过电能管理单元14储存以供系统使用或外输他用。透平膨胀机入口天然气压力由压力传感器2进行实时监测，并反馈至控制系统，当压力传感器检测到压力增大时，系统通过控制阀门1的开度调节工艺系统的源气压力。经透平膨胀机5降压降温后的天然气进一步通入至超音速分离器6的入口端，利用超音速分离器6内凝结分离作用，天然气中所含有的水蒸气、重烃、CO2和H2S等组分会被凝结成液滴，经透平膨胀机5的降温效果能够为超音速分离器6内的凝结分离提供更为优质的低温环境，加深脱除深度。
从湿气出口端排出并通入至气液分离器7内。此外，因超音速分离器6的组分脱除过程中Joule-Thomson效应，处理后的天然气温度显著降低，拥有一定的可用冷能，打开阀门9可将该部分天然气通入至入口换热器4与预处理后的天然气进行换热，进一步降低处理天然气温度，提高组分脱除深度；也可通过打开阀门8将其通入至ORC循环内的低温冷凝器18，为ORC循环提供所需冷能。
当打开阀门9关闭阀门8时，天然气通入至入口换热器4与预处理后的天然气进行换热后，进一步通入至末端膜分离器12，实现水蒸气、重烃、CO2和H2S等组分的深度脱除，得到更为纯净的天然气，进行集输，部分纯净天然气通入至ORC循环内的燃气加热与换热装置16进行利用，为ORC循环提供所需热能。膜分离器12设置有排污口，将分离物排出进行后续处理。燃气加热与换热装置包含有天然气加热炉和换热器两部分，天然气加热炉通过燃烧工艺系统处理后的天然气产生热量，并通过换热器与ORC循环工质进行换热，
当打开阀门8关闭阀门9时，天然气通入至ORC循环的冷凝器18，与ORC循环工质进行换热，将气态有机工质转化为液态有机工质，饱和液态工质在泵中近似等熵压缩，变为低温高压液态工质，进而利用泵17将该液态工质注入至燃气加热与换热装置16中高压吸热成为高温高压蒸汽工质，并进入汽轮机15中等熵膨胀，推动汽轮机15的叶片转动并驱动发电机13发电，电能通过电能管理单元储存14以供系统使用或外输他用。做工后的蒸汽工质通入至冷凝器18中，与低温天然气进行换热，实现等压放热，重新冷凝为低温低压饱和液态工质，进入下一个循环。
从超音速分离器湿气出口端排出的气液混合物经过气液分离器7进行气液分离后，利用压缩机10将其增压存储至调压罐20中，当前端压力传感器2监测到透平膨胀机入口压力降低时，打开调压阀11，将调压罐20存储的具有一定压力的废气再循环与入口源气汇合，增加透平膨胀机入口压力至设定值，不仅能够提高天然气的组分脱除效率，也很好地保证了系统地可靠运行。气液分离器7设置有排污口，将分离物排出进行后续处理。
基于评价方法，建立了如图2所示的TTPES与ORC相结合的天然气组分脱除工艺系统的/>分析模型，通过/>指标评价工艺系统的总/>损失。
重力沉降式分离器3的分析模型如式(1)所示：
Ei3＝Eloss3+Eo3+Es3 (1)
其中，Ei3表示重力沉降式分离器3的入口Eo3和Es3为重力沉降式分离器3的出口Eloss3为重力沉降式分离器3的/>损失。
换热器4的分析性模型如式(2)所示：
Ei4＝Eo9+Eo3＝Eloss4+Eo4+Ex4 (2)
其中，Ei4表示换热器4的入口Eo4和Ex4为重力换热器4的出口/>Eloss4为换热器4的/>损失，Eo9为阀门9出口/>当阀门9关闭时为0，当阀门9开启阀门8关闭时值为Eo6。
透平膨胀机5的分析性模型如式(3)所示：
Ei5＝Eo4+Eo10＝Eloss5+Eo5+W5 (3)
其中，Ei5表示透平膨胀机5的入口Eo5为透平膨胀机5的出口/>Eloss5为透平膨胀机5的/>损失，W5为膨胀机5产生的机械能/>
超音速分离器6的分析性模型如式(4)所示：
Ei6＝Eo5＝Eloss6+Eo6+Ex6 (4)
其中，Ei6表示超音速分离器6的入口Eo6和Ex6为超音速分离器6的出口/>Eloss6为超音速分离器6的/>损失。
气液分离器7的分析性模型如式(5)所示：
Ei7＝Ex6＝Eloss7+Eo7+Es7 (5)
其中，Ei7表示气液分离器7的入口Eo7和Es7为气液分离器7的出口/>Eloss7为气液分离器7的/>损失。
压缩机10的分析性模型如式(6)所示：
Ei10＝Eo7+Ee10＝Eloss10+Eo10 (6)
其中，Ei10表示压缩机10的入口Eo10为压缩机10的出口/>Eloss10为压缩机10的损失，Ee10为压缩机消耗电/>
膜分离器12的分析性模型如式(7)所示：
Ei12＝Eo18+Ex4＝Eloss12+Eo12+Es12 (7)其中，Ei12表示膜分离器12的入口Eo12和Es12为膜分离器12的出口/>Eloss12为膜分离器12的/>损失。
发电机13的分析性模型如式(8)所示：
Ei13＝W5+W15＝Eloss13+Eoe13 (8)
其中，Ei13表示发电机13的入口Eoe13为发电机13产生的电/>Eloss13为发电机13的/>损失。
汽轮机15的分析性模型如式(9)所示：
Ei15＝Eo16＝Eloss15+Eo15+W15 (9)
其中，Ei15表示汽轮机15的入口Eo15为汽轮机15的出口/>Eloss15为汽轮机15的损失，W15为汽轮机15产生的机械能/>
燃气加热与换热装置16的分析性模型如式(10)所示：
Ei16＝Eo17+Eo19＝Eloss16+Eo16+Es16 (10)
其中，Ei16表示燃气加热与换热装置16的入口Eo16和Es16为燃气加热与换热装置16的出口/>Eloss16为燃气加热与换热装置1的/>损失，Eo19为加热装置消耗的天然气燃料
泵17的分析性模型如式(11)所示：
Ei17＝Ee17+Ex18＝Eloss17+Eo17 (11)
其中，Ei17表示泵17的入口Eo17为泵17的出口/>Eloss17为泵17的/>损失，Ee17为泵消耗电/>
换热器18的分析性模型如式(12)所示：
Ei18＝Eo8+Eo15＝Eloss18+Eo18+Ex18 (12)
其中，Ei4表示换热器18的入口Eo4和Ex4为重力换热器18的出口/>Eloss4为换热器18的/>损失，Eo8为阀门8出口/>当阀门8关闭时为0，当阀门8开启阀门9关闭时值为Eo6。
系统的总损为：
Eloss＝Eloss3+Eloss4+Eloss5+Eloss6+Eloss7+Eloss10+Eloss12+Eloss13+Eloss15+Eloss16+Eloss17+Eloss18。
Claims (8)
1.一种TTPES与ORC相结合的天然气组分脱除工艺系统，包含：源气预处理单元、TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元、ORC冷能回收利用单元和电能管理单元。其特征在于，TTPES天然气组分脱除与压力能回收利用单元包括换热器、透平膨胀机、超音速分离器、发电机和电能管理单元，源气预处理单元处理后的高压天然气经换热器通入透平膨胀机，驱动发电机转动将压力能转换成电能，并通过电能管理单元储存利用；经过透平膨胀机后压力和温度降低的天然气，通入到超音速分离器内进一步进行脱除处理，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气，通过ORC冷能回收利用单元进行处理。
2.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，ORC冷能回收利用单元包括低温冷凝器、泵、汽轮机、燃气加热与换热装置、发电机和电能管理单元，其中，燃气加热与换热装置通过燃烧工艺系统处理后的天然气产生热量，所产生的热量为ORC循环工质提供热源；超音速分离器出口端的低温天然气为ORC循环提供冷源，经过低温冷凝器将冷能回收利用后再利用汽轮机驱动发电机转动将压力能转换成电能，并通过电能管理单元储存利用。
3.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气，部分循环至前端换热器进行入口换热。
4.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，源气预处理单元包括重力沉降式分离器，高压天然气源气经重力沉降式分离器实现部分液态水分和固体颗粒物组分的脱除。
5.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，还包括膜分离深度净化单元，所述膜分离深度净化单元包括膜分离器和输气管道，经过超音速分离器凝结分离后的低温天然气在经过入口换热或ORC冷能回收利用单元的低温冷凝器利用后，通入至膜分离器，实现天然气的深度净化，获得纯净的天然气进行集输。
6.根据权利要求5所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，经过膜分离深度净化单元所获得的部分纯净天然气通入至ORC循环内的燃气加热与换热装置进行利用，为ORC循环提供所需热能。
7.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，还包括废气再循环调压单元，从超音速分离器湿气出口端排出的废气通入至废气再循环调压单元；所述废气再循环调压单元包括气液分离器、压缩机和调压阀，经超音速分离器处理得到的废气通入至气液分离器进行二次处理，进而利用压缩机将二次处理后的废气再循环至透平膨胀机入口端与换热后的天然气汇合，调压阀用于控制和稳定透平膨胀机入口天然气源气压力。
8.根据权利要求1所述的天然气组分脱除工艺系统，其特征在于，利用发电机所获得的电能储存在电能管理单元中，为工艺系统内的耗电单元提供电能。
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2023
- 2023-04-24 CN CN202310448159.9A patent/CN116814308A/zh active Pending
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