CN209892411U - 一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，属于气体压缩技术领域，包括多级往复活塞式压缩机和温度控制系统，初级压缩缸的进气口连通至总进气口，末级压缩缸的出气口顺序连通温度控制系统和总排气口，末级压缩缸的出气口还连通有出气组件，还包括旁通控制系统、放空控制系统和可将气体从末级压缩缸的出气口逐级回流至各级压缩缸的进气口以平缓降低排气压力的分级调压系统，出气组件分别与旁通控制系统、放空控制系统和分级调压系统连通；本实用新型设置旁通控制系统、放空控制系统与分级调压系统，安全灵活调节排气压力、安全卸载放空，避免超临界二氧化碳压缩系统在运行中因温度、压力急剧变化产生相变。

Description

一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统

技术领域

本实用新型涉及气体压缩领域，更具体的是涉及一种超临界二氧化碳多级气体压缩系统。

背景技术

二氧化碳气驱强化采油技术即利用CO₂在油和水中均具有较高溶解度的特点，将CO₂注入到油层中，以增大原油的体积，降低原油的粘度，并且降低油水间的界面张力，从而有效提升原油采收率，并将CO₂永久封存地下，是真正的节能减排又高效的生产技术，这项技术不仅能满足油田开发的需求，还可以解决二氧化碳的封存问题，保护大气环境。该技术不仅适用于常规油藏，尤其对低渗、特低渗透油藏，可以明显提高原油采收率。二氧化碳驱油一般可提高原油采收率7％～15％，延长油井生产寿命15～20年。

CO₂通常状况下是一种无色、无臭、无味无毒的气体，能溶于水，在25℃溶解度为0.144g/100g水，密度约为空气的1.5倍。对于100％纯二氧化碳，当压力高于临界压力(7.38MPa)且温度高于临界温度(31.4℃)时，CO₂处于气相和液相之间的超临界状态，超临界二氧化碳的密度非常大，接近液体的密度，但是扩散系数接近气体；当压力高于临界压力(7.38MPa)，温度低于临界温度(31.4℃)时，CO₂处于密相液体状态，密相液体状态二氧化碳的腐蚀性非常强，而且随着压力降低，二氧化碳体积膨胀，温度就会降低，压力降低幅度过快则会导致二氧化碳温度急剧下降，形成干冰。

超临界CO₂注气压缩系统就是CO₂气驱采油的核心设备，它将CO₂气体从常规气态逐级压缩、控温，使其温度高于临界温度，压力高于临界压力，达到临界状态，然后注入地下提高采油率。假如液相介质进入压缩机，压缩机存在很大的腐蚀风险，且出现顶缸等异常现象，而干冰形成则会阻塞管道，至使管道冻裂。

现有的气体压缩系统应用到超临界二氧化碳压缩中时存在以下问题：终极压缩后的气体处于高压状态，气体如果经过旁通调节阀降压，则会因为降压幅度大导致气体温度急剧下降而引起二氧化碳相变，产生干冰阻塞管道，因此正常运行时旁通调节阀不能开启，所以机组无法在正常运行过程中调节排气量；同理，现有的压缩系统卸载时，由于高压气体经过卸压阀泄压时，气体温度会急剧下降而引起二氧化碳相变，造成干冰阻塞管道，因此正常停机前无法进行卸载，而是在压缩机满负荷运行下，直接停止主电机，但这样直接停机的方式会对往复压缩机主机的受力部件产生很大的冲击，致使活塞杆容易断裂；在放空操作中，常采用人工通过手动放空阀慢慢泄放，其速度非常慢，且如果操作不当致使放空过快，则也会存在降压过快的问题，同样会引起二氧化碳相变，达到三相点温度后会形成干冰，阻塞管道气体流动，最终造成管子碎裂，且高密度二氧化碳释放环境对人体存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种可以正常平稳调压的一种超临界二氧化碳多级气体压缩系统。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，包括含有从初级到末级依次串联的多个压缩缸的多级往复活塞式压缩机和用于控制每一级压缩缸压缩后气体温度的温度控制系统，多级往复活塞式压缩机的初级压缩缸的进气口通过通气管道连通至总进气口，总进气口连通有进气控制系统，多级往复活塞式压缩机的末级压缩缸的出气口通过通气管道顺序连通温度控制系统和总排气口，总排气口连通有排气控制系统，末级压缩缸的出气口还连通有含有数个气体通道的出气组件，还包括旁通控制系统、放空控制系统和可将气体从末级压缩缸的出气口逐级回流至各级压缩缸的进气口以平缓降低排气压力的分级调压系统，所述出气组件分别与旁通控制系统、放空控制系统和分级调压系统连通。

进一步地，所述分级调压系统包括末级旁通阀，末级旁通阀的进气端与出气组件连通，末级旁通阀的出气端与末级压缩缸的上一级压缩缸的进气口连通，除末级压缩缸和初级压缩缸外的其他每级压缩缸的进气口与其上一级压缩缸的进气口之间均通过回流管道连通有一个分级旁通阀。

进一步地，所述旁通控制系统包括旁通开关阀，旁通开关阀的进气端与出气组件连通，旁通开关阀的出气端与初级压缩缸的进气口连通。

进一步地，所述放空控制系统包括放空阀和放空管道，放空阀的进气端与出气组件连通，放空阀的出气端与放空管道联通。

进一步地，每级压缩缸与其进气口之间沿进气方向通过通气管道依次连通有进气分离器和进气缓冲罐，每级压缩缸与其出气口之间通过通气管道连通有排气缓冲罐。

进一步地，进气控制系统包括与总进气口串联的进气阀和与进气阀并联的进气清洗阀，所述排气控制系统包括沿排气方向顺序串联在总排气口的排气止回阀和排气阀。

进一步地，多级往复活塞式压缩机的级数为三级。

本实用新型的有益效果如下：

1.本实用新型的超临界二氧化碳多级气体压缩系统设置分级调压系统，所以在正常输气过程中，如果末级排气压力高于设定值，就可通过分级调压系统将末级压缩后的高温高压气体，回流至上一级进气管路，上一级进气管路的气体再回流至更上一级进气管路，依次递推直至初级进气管路，逐级降压，相邻级之间压差小，避免降压过快导致气体温度急剧下降至三相点形成干冰，且每一级的气体温度通过温度控制系统降低，但又维持在维持在临界温度值以上，所以也不会产生液相流体，从而可以在正常供气过程中调节供气压力，实现超临界二氧化碳多级气体压缩系统的排气压力的可调化；

2.本实用新型设置分级调压系统与放空装置结合，在卸载前先经过分级调压系统进行卸压，将末级的高温高压气体稳定降低后，再通过旁通开关阀卸载，此时，末级的气体压力已经大幅度降低，泄压时压力小幅度降低不会再造成温度过多降低，从而也不会形成干冰，这样，将系统内的气体安全泄压后再停机，其电机的负荷已经接近空载，有效避免了压缩机主机的受力部件受大力冲击；

3.本实用新型设置放空控制系统，在卸载完成后通过放空控制系统对超临界二氧化碳多级气体压缩系统内进行放空，代替传统的人工放空，一方面，卸载后气压已降低至低值，为常态气体，再经过放空控制系统放空时气压变化幅度微弱，不会因为降压产生相变；另一方面，代替人工放空可有效避免CO₂释放到环境后产生的高浓度窒息风险及噪声危害；

4.本实用新型的超临界二氧化碳多级气体压缩系统在每级压缩后，均通过温度控制系统对温度升高的二氧化碳进行相应控温处理，使每级压缩后的气体温度维持在高于临界温度的稳定值，一方面，避免各级温度高低变化导致气流脉动增加，从而形成突然的振动影响系统稳定性，另一方面，气体温度保持高于临界温度的状态，避免气体发生液化，出现“顶缸”现象，损坏压缩机；

5.本实用新型在每级压缩缸之前设置进气分离器和进气缓冲罐，每级压缩缸之后设置排气缓冲罐，避免液体进入压缩缸，且有效消除产生的震动，进一步保护压缩机；

6.本实用新型设置进气控制系统使压缩机组在通气时先通过进气清洗阀进行进气置换，置换时系统内气体压力维持在低压水平，因此启机时，电机的负荷已经接近空载，电流的变化有效减小，有效保护压缩机主机的受力部件。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1的分级调压流程图；

图3是本实用新型实施例2的分级调压流程图。

附图标记：1-主机、2-膜片联轴器,3-电动机、4-温度控制系统、5-控制柜、9-总进气口、10-总排气口、11-进气阀、12-进气清洗阀、13-初级进气分离器、14-初级进气缓冲罐、15-初级压缩缸、16-初级排气缓冲罐、17-初级冷却管束、18-二级进气分离器、19-二级进气缓冲罐、20-二级压缩缸、21-二级排气缓冲罐、22-二级冷却管束、23-末级进气分离器、24-末级进气缓冲罐、25-末级压缩缸、26-末级排气缓冲罐、27-末级冷却管束、28-排气止回阀、29-排气阀、30-末级旁通阀、31-二回一旁通阀、32-旁通开关阀、33-放空阀、34-放空管道、35-底座

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，包括底座35和安装在底座35上的多级往复活塞式压缩机，本实施例以多级往复活塞式压缩机的级数为三级(按进气气流方向分别为初级、二级和末级)为例，三级往复活塞式压缩机包括主机1以及分别与主机1连通的三级压缩缸，主机1通过膜片联轴器2与电动机3连接，电动机3将旋转运动通过膜片联轴器2传递至主机1，主机1将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，活塞的往复运动对压缩缸内的二氧化碳进行压缩，以使二氧化碳的压力升高，还设有控制每一级压缩缸压缩后气体温度的温度控制系统4，在本实施例，温度控制系统4使用现有公开技术的空气压缩机的空冷器(其构造不再详述)，空冷器的作用是对每级压缩过后的温度及压力升高的二氧化碳进行控温，使每级压缩后的气体温度维持在高于临界温度的稳定值，使气体的温度不会产生大的变化，从而避免气体的密度产生大的波动，进而避免产生大的脉动和震动；同时也避免温度低于临界值产生液化；空冷器上设有三组热交换管件，分别为初级冷却管束17、二级冷却管束22和末级冷却管束27，可对每一级压缩后的气体进行控温，底座35上设有用于对主机1进行润滑的润滑系统(润滑系统为现有公开技术，其构造不再赘述)，初级压缩缸15的进气口通过通气管道连通至总进气口9，总进气口9连通有用于控制系统进气的进气控制系统，初压缩缸15的出气口通过通气管道连通至初级冷却管束17的进气端，初级冷却管束17的出气端与二级压缩缸20的进气口连通，二级压缩缸20的出气口通过通气管道连通至二级冷却管束22进气端，二级冷却管束22的出气端与末级压缩缸25的进气口连通，末级压缩缸25的出气口通过通气管道连通至末级冷却管束27的进气端，末级冷却管束27的出气端连通至总排气口10，总排气口10连通有用于控制系统排气的排气控制系统；末级压缩缸25的出气口除了连通至末级冷却管束27，还分出通路连通有含有数个气体通道的出气组件，出气组件可使用含有多条通路的多通管道，出气组件分别连通有旁通控制系统、放空控制系统和可将气体从末级压缩缸25的出气口逐级回流至各级压缩缸的进气口以平缓降低排气压力的分级调压系统。

其中，分级调压系统包括末级旁通阀30，末级旁通阀30连通在出气组件与二级压缩缸20的进气口之间，末级旁通阀30的进气端与出气组件对接连通，末级旁通阀30的出气口与二级压缩缸20的进气口对接连通，即经过末级压缩缸25压缩后的高温高压二氧化碳气体回流至二级压缩缸20的进气管道；而二级压缩缸20的进气口和初级压缩缸15的进气口之间连通有一个分级旁通阀(即二回一旁通阀31)，二回一旁通阀31的进气口与二级压缩缸20的进气口对接连通，二回一旁通阀31的出气口与初级压缩缸15的进气口对接连通，可使二级压缩缸20的进气管道的气体通过二回一旁通阀31回流至初级压缩缸15的进气管道，这样可以降低压差，避免气体因压力大幅度降低造成温度大幅度降低，从而形成干冰，防止压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞。

旁通控制系统包括旁通开关阀32，旁通开关阀32的进气端与出气组件连通，旁通开关阀32的出气端与初级压缩缸15的进气口连通，便于在系统卸载降压的后期，三级气体回流至一级，放空控制系统包括放空阀33和放空管道34，放空阀33的进气端与出气组件连通，放空阀33的出气端与放空管道34连通，系统卸载后，可经过放空阀33将系统内的气体放空至放空管道34。

为了系统整体自动、统一控制，设有控制柜5，控制柜5内设有控制器，控制器可选用PLC控制器，PLC控制器的选用参照现有市场产品已有规格，实现控制功能即可，不对具体型号进行约束，上述电动机3、温度控制系统4、旁通开关阀32、进气控制系统、排气控制系统、放空阀33、末级旁通阀30和二回一旁通阀31均电性连接至控制器。

工作原理：

在本实施例中，二氧化碳气体从供气端依次流经总进气口9，经过进气控制系统进入一级压缩缸15，经压缩后压力升高，温度升高，再流经温度控制系统4进入二级压缩缸20，经压缩后压力再次升高，再流经温度控制系统4进入三级压缩缸25，经压缩后压力达到要求值，最后流经温度控制系统4控温后，流经排气控制系统从总排气口10排出输给用户。

输气过程中，如果末级排气压力高于需求值，则通过分级调压系统进行调压，调压时，打开末级旁通阀30使二氧化碳气体从末级回流进入二级进气管道，二氧化碳气体从二级进气管道流经二回一旁通阀31进入一级进气管道，末级排气压力和二级进气压力均为超临界状态，此时气体从高温状态逐级降压，最后温度降低为常温状态，但是不会低于露点，因此没有液化和干冰风险，避免了压缩机运行过程中旁通调节管路产生阻塞。

系统进行卸载停机时，先通过分级调压系统泄压，打开末级旁通阀30和二回一旁通阀31，气体从末级流向二级进气，再从二级进气进入初级进气，当末级排气压力稳定下降到设定值后，再打开旁通开关阀32让气体从末级流向一级，此时，末级的气体压力已经大幅度降低，泄压时压力小幅度降低不会再造成温度过多降低，从而也不会形成干冰，这样，将系统内的气体安全泄压后再停机，其电机的负荷已经接近空载，有效避免了压缩机主机的受力部件受大力冲击；

而放空在卸载过后进行，卸载后再通过放空阀33进行放空，一方面，卸载后气压已降低至低值，为常态气体，再经过放空控制系统放空时气压变化幅度微弱，不会因为降压产生相变；另一方面，代替人工放空可有效避免CO₂释放到环境后产生的高浓度窒息风险及噪声危害。

实施例2

如图1和图3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步优化，主要区别在于：

初级压缩缸15与其进气口之间沿进气方向通过通气管道依次连通有初级进气分离器13和初级进气缓冲罐14，初级压缩缸15与其出气口之间通过通气管道连通有初级排气缓冲罐16；二级压缩缸20与其进气口之间沿进气方向通过通气管道依次连通有二级进气分离器18和二级进气缓冲罐19，二级压缩缸20与其出气口之间通过通气管道连通有二级排气缓冲罐21；末级压缩缸25与其进气口之间沿进气方向通过通气管道依次连通有末级进气分离器23和末级进气缓冲罐24，末级压缩缸25与其出气口之间通过通气管道连通有末级排气缓冲罐26。像这样在气体压缩系统的每一级设置进气分离器可以在气体进入压缩缸之前进行一次分离，如果气体里有液体就会被分离出来，避免液滴进入压缩缸影响压缩缸正常使用，而进气缓冲罐和排气缓冲罐可以消除气体的压力的脉动，可以有效减少气体在传输与压缩过程中产生的震动。

这样，二氧化碳气体从气井依次流经总进气口9，经过进气控制系统、初级进气分离器13、初级进气缓冲罐14进入初级压缩缸15，经压缩后压力升高，温度升高，再依次流经初级排气缓冲罐16、温度控制系统4、二级进气分离器18和二级进气缓冲罐19，进入二级压缩缸20，经压缩后压力再次升高，再依次流经二级排气缓冲罐21、温度控制系统4、末级进气分离器23和末级进气缓冲罐24，进入末级压缩缸25，经压缩后压力达到要求值，再依次流经末级排气缓冲罐26、温度控制系统4和排气控制系统，经总排气口10排出输给用户。

而通过分级调压系统进行调压时，二氧化碳气体则从出气组件流经末级旁通阀30进入二级进气分离器18，二氧化碳气体从二级进气分离器18流经二回一旁通阀31进入初级进气分离器13对气体进行气液分离，避免出现异常、相变时液体进入压缩缸。

实施例3

如图1所示，本实施例在实施例1和实施例2的基础上进一步优化，具体的为：

进气控制系统包括与总进气口9串联的进气阀11和与进气阀11并联的进气清洗阀12，进气清洗阀12与进气阀11并联，进气清洗阀12流量远小于进气阀11，在启动阶段可以通过控制进气清洗阀12将系统内的气压维持在较低的压力值并进行系统内空气置换，系统启动加载后再关闭进气清洗阀12开启进气阀11进行正常供气，排气控制系统包括沿排气方向串联在总排气口10的排气止回阀28和排气阀29，排气止回阀28防止压力变化气体回流，通过控制排气阀29的开闭控制系统排气的状态；当然，如前所述，为了更加方便自动控制，优选地，进气阀11、进气清洗阀12、排气阀29均电性连接至控制器由控制器统一控制。

Claims (7)

1.一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，包括含有从初级到末级依次串联的多个压缩缸的多级往复活塞式压缩机和用于控制每一级压缩缸压缩后气体温度的温度控制系统(4)，多级往复活塞式压缩机的初级压缩缸(15)的进气口通过通气管道连通至总进气口(9)，总进气口(9)连通有进气控制系统，多级往复活塞式压缩机的末级压缩缸(25)的出气口通过通气管道顺序连通温度控制系统(4)和总排气口(10)，总排气口(10)连通有排气控制系统，其特征在于，末级压缩缸(25)的出气口还连通有含有数个气体通道的出气组件，还包括旁通控制系统、放空控制系统和可将气体从末级压缩缸(25)的出气口逐级回流至各级压缩缸的进气口以平缓降低排气压力的分级调压系统，所述出气组件分别与旁通控制系统、放空控制系统和分级调压系统连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，所述分级调压系统包括末级旁通阀(30)，末级旁通阀(30)的进气端与出气组件连通，末级旁通阀(30)的出气端与末级压缩缸(25)的上一级压缩缸的进气口连通，除末级压缩缸和初级压缩缸外的其他每级压缩缸的进气口与其上一级压缩缸的进气口之间均通过回流管道连通有一个分级旁通阀。

3.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，所述旁通控制系统包括旁通开关阀(32)，旁通开关阀(32)的进气端与出气组件连通，旁通开关阀(32)的出气端与初级压缩缸(15)的进气口连通。

4.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，所述放空控制系统包括放空阀(33)和放空管道(34)，放空阀(33)的进气端与出气组件连通，放空阀(33)的出气端与放空管道(34)联通。

5.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，每级压缩缸与其进气口之间沿进气方向通过通气管道依次连通有进气分离器和进气缓冲罐，每级压缩缸与其出气口之间通过通气管道连通有排气缓冲罐。

6.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，进气控制系统包括与总进气口(9)串联的进气阀(11)和与进气阀(11)并联的进气清洗阀(12)，所述排气控制系统包括沿排气方向顺序串联在总排气口(10)的排气止回阀(28)和排气阀(29)。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种用于超临界二氧化碳的多级气体压缩系统，其特征在于，多级往复活塞式压缩机的级数为三级。

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