CN208975351U - 一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于天然气净化预处理阶段气液分离技术领域，涉及一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，包括壳体系统和气液分离系统。其中，气液分离系统安装于壳体系统内部，包括丝网除雾垫、上支撑板、19根轴流式旋风管、下支撑板，上支撑板同轴安装于上封头与轴流式旋风管封装腔之间，下支撑板同轴安装于气液稳流腔与轴流式旋风管封装腔之间，丝网除雾垫同轴安装于上封头内部，并位于上人孔与排气管之间，并在上支撑板边缘处开设一个小圆孔，并与降液管连接。本实用新型还公开了使用上述装置进行湿天然气预脱水的工艺方法，本实用新型可实现高效、低阻、适应性强的优势。

Description

一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置

技术领域

本实用新型涉及一种天然气预脱水装置，具体涉及一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，属于天然气净化预处理阶段气液分离技术领域。

背景技术

天然气作为公认的优质高效的清洁能源，具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低的特点，其排放的二氧化碳和氮氧化物分别约为煤炭的50％和20％，二氧化硫排放量几乎为零；另外，天然气还作为宝贵的化工原料，可以生产近千种化工产品。因此，推广天然气的使用，不仅能提升人类的生活品质，也能促进工业的发展，对推动生态环境建设和城市转型升级具有重要意义。

随着技术的进步以及国际社会对天然气能源的需求，天然气开发由陆上到水下，由浅水到深水。天然气开发一般伴随有天然气凝析液和水，天然气凝析液和水在天然气的输送过程中不仅会形成水合物，引起管道系统的堵塞，降低管道输送能力，造成不必要的动力消耗。而且与天然气中二氧化碳或硫化氢等酸性气体接触易形成具有腐蚀性的酸液，引起管道设备的腐蚀，增加流动安全风险，特别是长距离回接输送或者立管回接深水平台，另一方面可能在船舶运输液化天然气的过程中固态水合物冲击高压储罐，产生静电，带来严重的安全隐患。此外，进入海上平台压缩机的天然气若含大量地层水等液体，会对压缩机的长期运行产生极大的影响。地下气藏中的矿物盐在地底高温高压的条件下会溶于地层水，气藏开发后，天然气从孔隙中不断向井筒运动，在此过程中溶解有矿物盐的高矿化度水被天然气携带出地面，若地面工艺流程设备除液效率不高，就会导致少量游离水随天然气进入了压缩机，在多级压缩过程中，气体温度升高，在高温条件下水分不断蒸发，随着水分的减少，溶有矿物盐的水溶液达到过饱和状态，最终矿物盐以结晶体析出，附着在压缩机转子的叶轮表面，形成盐垢，并呈现不规则分布，使压缩机的动平衡状态遭到破坏，发生偏心，随着盐垢越聚越多，偏心越来越严重，由于偏心产生的振动越来越高，最终导致压缩机关停，严重影响正常生产。

为提高设备的使用寿命、管道的输送能力以及整个油气集输系统的安全性，因此对天然气的高效脱水具有重要意义。目前常用的天然气脱水处理方法包括吸附分离法，冷凝分离法和油吸收法。传统的分离装置有冷凝管、涡流管、离心分离器、节流阀、静电分离装置等。以上装置存在很多不足之处，如投资高，操作复杂，而且在很多情况下分离效率不能达到要求。另外，分离装置若高度大，而海上平台是多层甲板结构，若装置高度大于其层间高度则需要在甲板上开孔，这样就会破坏平台原有的力学结构，影响整个平台的安全作业，因此，海上平台对脱水装置的高度有着非常严格的要求，较高的塔式设备难以在海上平台得到应用。

对于产水较少的气田，可以通过水下注入乙二醇等水合物抑制剂，然后输送到平台进行天然气气液分离处理。但对于高含水气田，不但水合物抑制剂需求大，费用高，而且还会大大增加输送压力，对气田的自喷开采造成压产，关井压力高甚至无法自喷开采等不利影响。因此，对于高含水气田需要进行水下分离。深水天然气气田的产气量和气液比在开发生产的过程中会不断波动，而且波动程度比较大，常规的分离器很难在天然气气田开发的整个生命周期内都能达到高效分离。当前，有的分离器适用于高含液分离，在液相比较少的情况下就会存在分离效率低的问题；有的问题适用于低含液工况高效分离，在液相比较多的情况下往往存在液相破碎、夹带等问题，从而导致分离效率低下。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术不足，提供一种高效、低阻、适应性强的一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置。

本实用新型解决其技术问题所采取的方案是一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置包括：壳体系统和气液分离系统。

所述壳体系统包括排气管、上封头、上人孔盖、上人孔、轴流式旋风管封装腔、稳流格栅、气液稳流腔、下人孔、下人孔盖、下封头、3根支撑柱、排液管、抽气泵、降液管出口、湿天然气入口管、降液管、阀门、防涡板，上封头、轴流式旋风管封装腔、气液稳流腔和下封头依次通过法兰同轴相连；排气管焊接于上封头中心位置；上人孔置于上封头圆柱体侧面，并用上人孔盖密封；防涡板焊接于排液管管口处，排液管焊接于下封头中心位置；下人孔置于下封头圆柱体侧面，并用下人孔盖密封；3根支撑柱周向均匀布置在下封头椭圆面外侧，中心轴线与下封头中心轴线平行；湿天然气入口管从气液稳流腔侧面进入到中心位置，稳流格栅置于湿天然气入口管上方，并同轴安装于气液稳流腔内；降液管从轴流式旋风管封装腔侧面引出，与抽气泵之间通过阀门控制开合程度，降液管出口与抽气泵连接并引入至下封头内。

所述轴流式旋风管的内径在100～150mm，高度在1000～2000mm，包括侧缝排液段、主分离段、2 个导叶段、二级导叶、级间段、一级导叶、入口段，侧缝排液段、主分离段、导叶段、级间段、导叶段和入口段依次连接，一级导叶同轴安装于下部导叶段中间位置，二级导叶安装于上部导叶段中间位置，侧缝排液段上部呈倒圆台形壁面设计，侧缝排液段下部呈倒圆柱形壁面设计，侧缝与侧缝排液段内圆柱壁面相切。当液膜流至侧缝排液段时，可沿侧缝迅速排出，且在侧缝排液段上部呈倒圆台形壁面的阻挡作用下不至从侧缝排液段管口喷射，避免液膜的破碎行为降低分离效率。

所述气液分离系统安装于壳体系统内部，包括丝网除雾垫、上支撑板、19根轴流式旋风管、下支撑板，上支撑板同轴安装于上封头与轴流式旋风管封装腔之间，并用螺栓固定；下支撑板同轴安装于气液稳流腔与轴流式旋风管封装腔之间，并用螺栓固定；丝网除雾垫同轴安装于上封头内部，并位于上人孔与排气管之间；上支撑板由中心向外侧均匀开设19个圆孔，圆孔大小与轴流式旋风管外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形；下支撑板由中心向外侧均匀开设19个圆孔，圆孔带有凸台，凸台宽度与轴流式旋风管管壁厚度一致，凸台外圆大小与轴流式旋风管外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形，最大限度实现每根轴流式旋风管的入口气量差异性在10％以下；入口段分别置于下支撑板的19个圆孔中，主分离段分别置于上支撑板的19个圆孔中；另外，在上支撑板边缘处开设一个小圆孔，并与降液管连接。

本实用新型还提供了一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置的工艺方法，包括以下步骤：

(1)高含液的湿天然气经湿天然气入口管进入壳体系统，在经过湿天然气入口管弯头处，利用惯性分离原理，湿天然气中一部分粒径较大的液滴依靠自身惯性撞向湿天然气入口管弯头处管壁，被捕集下来，实现分离；液滴不断聚集，在湿天然气入口管弯头处管壁形成液膜沿壁面流入下封头底部。

(2)经步骤(1)后，湿天然气进入壳体系统，在湿天然气入口管出口利用重力沉降分离原理进一步分离掉湿天然气中的液滴，此时液滴直接汇入下封头底部。

(3)经步骤(2)后，湿天然气在气液稳流腔和稳流格栅的作用下，流动特性趋于均匀，保证湿天然气进入根轴流式旋风管的入口气量差异性在10％以下，根据总进气量不同，轴流式旋风管运行的表观气速可在4～18m/s之间，湿天然气进入轴流式旋风管以后，首先在一级导叶的造旋作用下，利用离心分离原理可分离掉粒径大于17μm的液滴，旋转上升的湿天然气经过二级导叶，二级导叶充分利用一级导叶产生的旋流场的残余强度继续形成更加强烈的旋流场，在主分离段中实现对粒径5μm的微米级液滴的分离，在此过程中不会产生较大压力损失。

(4)经步骤(3)后绝大部分液滴从湿天然气中分离，被轴流式旋风管捕集，在轴流式旋风管壁面形成液膜，液膜沿轴流式旋风管壁面向下流入下封头，最终经排液管排出。

(5)当经过轴流式旋风管内的表观气速较大时，在轴流式旋风管壁面形成液膜可能无法全部沿轴流式旋风管壁面向下流入下封头，这时液膜可从侧缝排液段中的侧缝排出轴流式旋风管流入上支撑板，积累到一定程度后经降液管排入下封头，最终经排液管排出，洁净的干天然气经排气管流入下游工艺设备。

(6)当工艺处理量小时，导致经过轴流式旋风管内的表观气速较小，形成的旋流场强度较弱，此时可利用降液管和抽气泵进行抽气操作，增加湿天然气在轴流式旋风管中的流通量，进而增大轴流式旋风管内的表观气速，形成较强的旋流场，实现高效分离。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

(1)本实用新型采用轴流式旋风管为主要的气液分离元件，以流体自身能量为动力源，大大降低了湿天然气气液分离过程中的设备运行能耗，而且分离性能显著增强，实验数据表明，可分离掉5μm的微米级液滴，压力损失在几百帕之内，轴流式旋风管运行的表观气速在4～18m/s之间，真正实现宽口径的操作弹性，工况适应性极强，轴流式旋风管的内径在100～150mm，高度在1000～2000mm，加工方便，造价低。

(2)本实用新型壳体系统采用分段法兰连接，便于安装拆卸，方便整个装置的维护，降低维护成本，缩短工期。

(3)本实用新型采用降液管与抽气泵，可实现轴流式旋风管运行的表观气速不受油气田湿天然气产出量的限制，实现根据含湿量人为调整轴流式旋风管运行的表观气速，同时又不至产生较大能耗。

(4)本实用新型采用上支撑板和下支撑板固定轴流式旋风管，可实现对损坏的轴流式旋风管进行无损更换，大大增强了整个装置的机动性和灵活性，采用正六边形的布管方式最大限度实现每根轴流式旋风管的入口气量差异性在10％以下。

(5)整个装置具有运行平稳可靠、工况适应性强、高效低阻的优越分离性能。无运动构件，结构简单，无需动力装置长周期运行，该紧凑式的结构设计起到了在空间狭小的海上平台上对天然气进行在线处理，快速脱除杂质及液体的作用能够满足海上平台等空间受限场合天然气的预处理要求，运行过程中无需添加任何化学药品，可高效地从天然气中分离出水分和烃类液体，节能环保，减少了运行成本，可实现无人自动化运行，免维护，能够在偏远或环境恶劣的陆地或海上平台使用。

附图说明

图1是一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置等轴测试图

图2是一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置剖视图

图3是下封头俯视图

图4是稳流格栅俯视图

图5是下支撑板俯视图

图6是图5中A-A剖面示意图

图7是上支撑板俯视图

图8是轴流式旋风管剖视图

图9是轴流式旋风管俯视图

图10是侧缝排液段剖视图

图11是图9中B-B剖面示意图

图12是导叶段剖视图

图13是级间段剖视图

图14是主分离段剖视图

图15是入口段

图16是一级导叶等轴测试图

图17是二级导叶等轴测视图

图中，1、排气管，2、上封头，3、丝网除雾垫，4、上人孔盖，5、上人孔，6、上支撑板，7、轴流式旋风管封装腔，8、轴流式旋风管，9、下支撑板，10、稳流格栅，11、气液稳流腔，12、下人孔，13、下人孔盖，14、下封头，15、支撑柱，16、排液管，17、抽气泵，18、降液管出口，19、湿天然气入口管， 20、降液管，21、阀门，22、防涡板，23、侧缝排液段，24、主分离段，25、导叶段，26、二级导叶，27、级间段，28、一级导叶，29、入口段，30、侧缝。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1～17是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1～16对本实用新型做进一步说明。

参照附图1～17：一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，包括：壳体系统和气液分离系统。

所述壳体系统包括排气管1、上封头2、上人孔盖4、上人孔5、轴流式旋风管封装腔7、稳流格栅10、气液稳流腔11、下人孔12、下人孔盖13、下封头14、3根支撑柱15、排液管16、抽气泵17、降液管出口18、湿天然气入口管19、降液管20、阀门21、防涡板22，上封头2、轴流式旋风管封装腔7、气液稳流腔11和下封头14依次通过法兰同轴相连；排气管1焊接于上封头2中心位置；上人孔5置于上封头2圆柱体侧面，并用上人孔盖4密封；防涡板22焊接于排液管16管口处，排液管16焊接于下封头 14中心位置；下人孔12置于下封头14圆柱体侧面，并用下人孔盖4密封；3根支撑柱15周向均匀布置在下封头14椭圆面外侧，中心轴线与下封头14中心轴线平行；湿天然气入口管19从气液稳流腔11侧面进入到中心位置，稳流格栅10置于湿天然气入口管19上方，并同轴安装于气液稳流腔11内；降液管20 从轴流式旋风管封装腔7侧面引出，与抽气泵17之间通过阀门21控制开合程度，降液管出口18与抽气泵17连接并引入至下封头14内。

所述轴流式旋风管8包括侧缝排液段23、主分离段24、2个导叶段25、二级导叶26、级间段27、一级导叶28、入口段29，侧缝排液段23、主分离段24、导叶段25、级间段27、导叶段25和入口段29 依次连接，一级导叶28同轴安装于下部导叶段25中间位置，二级导叶26安装于上部导叶段25中间位置。侧缝排液段23上部呈倒圆台形壁面设计，侧缝排液段23下部呈倒圆柱形壁面设计，侧缝30与侧缝排液段23内圆柱壁面相切，当液膜流至侧缝排液段23时，可沿侧缝30迅速排出，且在侧缝排液段23上部呈倒圆台形壁面的阻挡作用下不至从侧缝排液段23管口喷射，避免液膜的破碎行为降低分离效率。

所述气液分离系统安装于壳体系统内部，包括丝网除雾垫3、上支撑板6、19根轴流式旋风管8、下支撑板9，上支撑板6同轴安装于上封头2与轴流式旋风管封装腔7之间，并用螺栓固定；下支撑板9 同轴安装于气液稳流腔11与轴流式旋风管封装腔7之间，并用螺栓固定；丝网除雾垫3同轴安装于上封头2内部，并位于上人孔5与排气管1之间；上支撑板6由中心向外侧均匀开设19个圆孔，圆孔大小与轴流式旋风管8外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形；下支撑板9由中心向外侧均匀开设19 个圆孔，圆孔带有凸台，凸台宽度与轴流式旋风管8管壁厚度一致，凸台外圆大小与轴流式旋风管8外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形，最大限度实现每根轴流式旋风管的入口气量差异性在10％以下；入口段29分别置于下支撑板9的19个圆孔中，主分离段24分别置于上支撑板6的19个圆孔中；另外，在上支撑板6边缘处开设一个小圆孔，并与降液管20连接。

基于上述实施例中提供的一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，本实用新型还提供了一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置的工艺方法，包括以下步骤：

(1)高含液的湿天然气经湿天然气入口管19进入壳体系统，在经过湿天然气入口管19弯头处，利用惯性分离原理，湿天然气中一部分粒径较大的液滴依靠自身惯性撞向湿天然气入口管19弯头处管壁，被捕集下来，实现分离；液滴不断聚集，在湿天然气入口管19弯头处管壁形成液膜沿壁面流入下封头14 底部。

(2)经步骤(1)后，湿天然气进入壳体系统，在湿天然气入口管19出口利用重力沉降分离原理进一步分离掉湿天然气中的液滴，此时液滴直接汇入下封头14底部。

(3)经步骤(2)后，湿天然气在气液稳流腔11和稳流格栅10的作用下，流动特性趋于均匀，保证湿天然气进入19根轴流式旋风管8的入口气量差异性在10％以下，根据总进气量不同，轴流式旋风管8运行的表观气速可在4～18m/s之间，湿天然气进入轴流式旋风管8以后，首先在一级导叶28的造旋作用下，利用离心分离原理可分离掉粒径大于17μm的液滴，旋转上升的湿天然气经过二级导叶26，二级导叶26充分利用一级导叶28产生的旋流场的残余强度继续形成更加强烈的旋流场，在主分离段24中实现对粒径5μm的微米级液滴的分离，在此过程中不会产生较大压力损失。

(4)经步骤(3)后绝大部分液滴从湿天然气中分离，被轴流式旋风管8捕集，在轴流式旋风管 8壁面形成液膜，液膜沿轴流式旋风管8壁面向下流入下封头14，最终经排液管16排出。

(5)当经过轴流式旋风管8内的表观气速较大时，在轴流式旋风管8壁面形成液膜可能无法全部沿轴流式旋风管8壁面向下流入下封头14，这时液膜可从侧缝排液段23中的侧缝30排出轴流式旋风管流入上支撑板6，积累到一定程度后经降液管20排入下封头14，最终经排液管16排出，洁净的干天然气经排气管1流入下游工艺设备。

(6)当工艺处理量小时，导致经过轴流式旋风管8内的表观气速较小，形成的旋流场强度较弱，此时可利用降液管20和抽气泵17进行抽气操作，增加湿天然气在轴流式旋风管8中的流通量，进而增大轴流式旋风管8内的表观气速，形成较强的旋流场，实现高效分离。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (3)

1.一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，其特征在于：包括壳体系统和气液分离系统，壳体系统包括排气管、上封头、上人孔盖、上人孔、轴流式旋风管封装腔、稳流格栅、气液稳流腔、下人孔、下人孔盖、下封头、3根支撑柱、排液管、抽气泵、降液管出口、湿天然气入口管、降液管、阀门、防涡板，上封头、轴流式旋风管封装腔、气液稳流腔和下封头依次通过法兰同轴相连；排气管焊接于上封头中心位置；上人孔置于上封头圆柱体侧面，并用上人孔盖密封；防涡板焊接于排液管管口处，排液管焊接于下封头中心位置；下人孔置于下封头圆柱体侧面，并用下人孔盖密封；3根支撑柱周向均匀布置在下封头椭圆面外侧，中心轴线与下封头中心轴线平行；湿天然气入口管从气液稳流腔侧面进入到中心位置，稳流格栅置于湿天然气入口管上方，并同轴安装于气液稳流腔内；降液管从轴流式旋风管封装腔侧面引出，与抽气泵之间通过阀门控制开合程度，降液管出口与抽气泵连接并引入至下封头内。

2.根据权利要求1所述的一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，其特征在于：轴流式旋风管的内径在100～150mm，高度在1000～2000mm，包括侧缝排液段、主分离段、2个导叶段、二级导叶、级间段、一级导叶、入口段，侧缝排液段、主分离段、导叶段、级间段、导叶段和入口段依次连接，一级导叶同轴安装于下部导叶段中间位置，二级导叶安装于上部导叶段中间位置，侧缝排液段上部呈倒圆台形壁面设计，侧缝排液段下部呈倒圆柱形壁面设计，侧缝与侧缝排液段内圆柱壁面相切；当液膜流至侧缝排液段时，可沿侧缝迅速排出，且在侧缝排液段上部呈倒圆台形壁面的阻挡作用下不至从侧缝排液段管口喷射，避免液膜的破碎行为降低分离效率。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于轴流式旋风管的天然气气液分离装置，其特征在于：所述气液分离系统安装于壳体系统内部，包括丝网除雾垫、上支撑板、19根轴流式旋风管、下支撑板，上支撑板同轴安装于上封头与轴流式旋风管封装腔之间，并用螺栓固定；下支撑板同轴安装于气液稳流腔与轴流式旋风管封装腔之间，并用螺栓固定；丝网除雾垫同轴安装于上封头内部，并位于上人孔与排气管之间；上支撑板由中心向外侧均匀开设19个圆孔，圆孔大小与轴流式旋风管外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形；下支撑板由中心向外侧均匀开设19个圆孔，圆孔带有凸台，凸台宽度与轴流式旋风管管壁厚度一致，凸台外圆大小与轴流式旋风管外径一致，19个圆孔的整体排列外形呈正六边形，最大限度实现每根轴流式旋风管的入口气量差异性在10％以下；入口段分别置于下支撑板的19个圆孔中，主分离段分别置于上支撑板的19个圆孔中；另外，在上支撑板边缘处开设一个小圆孔，并与降液管连接。