CN216878639U - 涡流式超临界高压饱和气体脱水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种涡流式超临界高压饱和气体脱水器，涉及天然气输配管网技术领域。本实用新型首尾相接的拉瓦尔喷管和扩径分离器，还包括旋风筒、起旋总成、涡流管阀体和端盖，所述扩径分离器、拉瓦尔喷管、旋风筒、起旋总成、涡流管阀体和端盖共轴装配；第一段利用涡流管效应降温，低温气体再通过拉瓦尔喷管降低饱和气体压力的方式同时产生焦耳汤姆逊效应，进一步降低气体的露点及温度，让析出的饱和水处于游离的液态形态，在管内旋流的作用下分离沉降下来，低露点的气体向下游输送。本实用新型经两段降温，天然气中水分析出效果好，离心分离效果好。

Description

涡流式超临界高压饱和气体脱水器

技术领域

本实用新型涉及天然气输配管网技术领域，更具体的说涉及一种涡流式超临界高压饱和气体脱水器。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展，天然气应用日益广泛；天然气在采集过程中，伴随着高温、高压、含水含烃的气体从井口采集出来，混合的气体随着管道向下游输气，在其输送的过程中由于压力变化、温度变化导致饱和气体的露点降低，低露点下饱和气体中的液相会析出处于游离状态。

随着管道输送距离的加长，高压气体中携带的游离液态越积越多，会严重影响气体的输送。特别是含硫及含二氧化碳的气体会在游离水中形成酸性物质，对管道造成不可预见的腐蚀。因此需要对采集出来的气液混合气体在第一时间内进行初步气液分离、分别输送，分离后的气体处于饱和状态，一般需要对气体进行注醇或者整体加热提高气体的输送温度从而降低输送过程中液体析出。

公开号为CN204400937U，公开日为2015年6月17日，名称为“天然气超音速膨胀脱水装置”的实用新型专利文件，公开了一种天然气超音速膨胀脱水装置，包括串接在天然气输送管道中首尾相接的拉法尔喷管和扩压管，所述拉法尔喷管的尾部设置由旋流器，扩压管的前端设置由阻涡器，扩压管的末端设置由出口导叶，位于阻涡器和出口导叶之间的扩压管下部侧壁上设置由排液管。该现有技术利用拉法尔喷管使天然气膨胀降温至天然气中水分凝结，再利用旋流器将凝结的水分离心至扩压管的管壁表面经排液管脱除。

上述现有技术仅利用拉法尔喷管进行膨胀降温，气体膨胀降温效果不明显；同时，气流经阻涡器之后停止旋转，旋转的气体在旋流器与阻涡器之间的通道中，无法得到有效的离心分离，影响气体中液相离心分离效果。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提供了一种涡流式临界高压饱和气体脱水器，本实用新型的发明目的在于解决上述现有技术中脱水装置降温效果不明显，天然气中水分析出效果差，液相离心分离效果差的问题。本实用新型的涡流式临界高压饱和气体脱水器，第一段利用涡流管效应降温，低温气体再通过拉瓦尔喷管降低饱和气体压力的方式同时产生焦耳汤姆逊效应，进一步降低气体的露点及温度，让析出的饱和水处于游离的液态形态，在管内旋流的作用下分离沉降下来，低露点的气体向下游输送。本实用新型的脱水器可用于高压力的含水烃井口输送；或用于井口气液分离器分离后高压气体出口段，脱水后向处理长输送；或用于高压压缩机后饱和气体远程输送前的脱水。本实用新型经两段降温，天然气中水分析出效果好，离心分离效果好。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型是通过下述技术方案实现的。

涡流式超临界高压饱和气体脱水器，包括首尾相接的拉瓦尔喷管和扩径分离器，还包括旋风筒、起旋总成、涡流管阀体和端盖，所述扩径分离器、拉瓦尔喷管、旋风筒、起旋总成、涡流管阀体和端盖共轴装配；旋风筒装配在拉瓦尔喷管前端，旋风筒内腔与拉瓦尔喷管内腔连通，且旋风筒内设置有起旋器；起旋总成尾端出口与旋风筒前端装配在一起，起旋总成前端与所述涡流管阀体一端装配在一起，所述端盖装配在涡流管阀体另一端；起旋总成的内腔中设置有导气锥，导气锥朝向涡流管阀体方向设置，起旋总成侧壁设置有进气口，气体经进气口沿起旋总成内腔切线方向进入起旋总成内腔，并在导气锥的作用下进入涡流管阀体内腔；所述端盖上装配有温度调节块，温度调节块对应深入涡流管阀体内腔中；端盖上开设有加热气体出口。

还包括集液筒，集液筒装配在扩径分离器尾端，集液筒侧壁开设有沉降介质出口，尾端装配有盲板，盲板上装配有中心管道。

所述加热气体出口通过连接管线连通中心管道，且该连接管线上依次装配有截止阀、球阀和止回阀。

所述涡流管阀体内腔靠近起旋总成的一端呈锥型内腔，该锥形内腔的大直径端与起旋总成内腔连通，锥形内腔的小直径端相涡流管阀体内腔延伸。

所述温度调节块朝向涡流管阀体的一端呈锥形，温度调节块的锥形部一部分插入所述涡流管阀体内腔中，温度调节块的锥形部的锥面与涡流管阀体的管口之间形成高温气体通过间隙，通过调节该间隙的大小，进行温度的调节。

所述拉瓦尔喷管的渐缩段型线以及扩径分离器的渐扩段型线均采用曲线结构。

与现有技术相比，本实用新型所带来的有益的技术效果表现在：

1、本实用新型第一段利用涡流管效应降温，低温气体再通过拉瓦尔喷管降低饱和气体压力的方式同时产生焦耳汤姆逊效应，进一步降低气体的露点及温度，让析出的饱和水处于游离的液态形态，在管内旋流的作用下分离沉降下来，低露点的气体向下游输送。本实用新型的脱水器可用于高压力的含水烃井口输送；或用于井口气液分离器分离后高压气体出口段，脱水后向处理长输送；或用于高压压缩机后饱和气体远程输送前的脱水。本实用新型经两段降温，天然气中水分析出效果好，离心分离效果好。

2、本实用新型将起旋器设置在拉瓦尔喷管前端，为后端分离提供离心力，同时进入拉瓦尔喷管的螺旋气体经拉瓦尔喷管加速后，离心分离效果得到有效提高，同时也可获得更大的压力降和更大的温降，有利于水分析出和离心分离。

附图说明

图1为本实用新型脱水器的剖面图；

附图标记：1、旋风筒，2、起旋器，3、拉瓦尔喷管，4、扩径分离器，5、沉降介质出口，6、集液筒，7、盲板，8、中心管道，9、起旋总成，10、进气口，11、涡流管阀体，12、加热气体出口，13、温度调节块，14、连接管线，15、截止阀，16、球阀，17、止回阀，18、导气锥。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实施例，对本实用新型的技术方案做出进一步详细地阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。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。

作为本实施例的一种实施方式，参照说明书附图1所示，本实施方式公开了一种涡流式超临界高压饱和气体脱水器，包括首尾相接的拉瓦尔喷管3和扩径分离器4，还包括旋风筒1、起旋总成9、涡流管阀体11和端盖，所述扩径分离器4、拉瓦尔喷管3、旋风筒1、起旋总成9、涡流管阀体11和端盖共轴装配；旋风筒1装配在拉瓦尔喷管3前端，旋风筒1内腔与拉瓦尔喷管3内腔连通，且旋风筒1内设置有起旋器2；起旋总成9尾端出口与旋风筒1前端装配在一起，起旋总成9前端与所述涡流管阀体11一端装配在一起，所述端盖装配在涡流管阀体11另一端；起旋总成9的内腔中设置有导气锥18，导气锥18朝向涡流管阀体11方向设置，起旋总成9侧壁设置有进气口10，气体经进气口10沿起旋总成9内腔切线方向进入起旋总成9内腔，并在导气锥18的作用下进入涡流管阀体11内腔；所述端盖上装配有温度调节块13，温度调节块13对应深入涡流管阀体11内腔中；端盖上开设有加热气体出口12。

作为本实施例的又一种实施方式，涡流式超临界高压饱和气体脱水器，还包括集液筒6，集液筒6装配在扩径分离器4尾端，集液筒6侧壁开设有沉降介质出口5，尾端装配有盲板7，盲板7上装配有中心管道8。

作为本实施例的又一种实施方式，所述加热气体出口12通过连接管线14连通中心管道8，且该连接管线14上依次装配有截止阀15、球阀16和止回阀17。

作为本实施例的又一种实施方式，所述涡流管阀体11内腔靠近起旋总成9的一端呈锥型内腔，该锥形内腔的大直径端与起旋总成9内腔连通，锥形内腔的小直径端相涡流管阀体11内腔延伸。

作为本实施例的又一种实施方式，所述温度调节块13朝向涡流管阀体11的一端呈锥形，温度调节块13的锥形部一部分插入所述涡流管阀体11内腔中，温度调节块13的锥形部的锥面与涡流管阀体11的管口之间形成高温气体通过间隙，通过调节该间隙的大小，进行温度的调节。

作为本实施例的又一种实施方式，所述拉瓦尔喷管3的渐缩段型线以及扩径分离器4的渐扩段型线均采用曲线结构。

更进一步的，本实用新型的脱水器分为三级，第一级将气体能量分离提供冷热流体，通过起旋总成9、涡流管阀体11、端盖和端盖内的温度调节块13实现；第二级利用管道内起旋器2获得螺旋气体，通过旋风筒1和旋风筒1内的起旋器2实现；第三级进一步获得更高的压力降和温度降，通过拉瓦尔喷管3和扩径分离器4实现。

湿天然气的露点规律：按天然气相关文献及工程手册等资料获得，天然气的水含量主要取决于整个体系的温度及压力；由工程手册及相关软件可以查得天然气在各个温度及压力下的水含量及露点趋势为露点随着压力的升高而增大；所以降低压力后水露点就会降低，高压下的饱和水就会在低压下析出成为游离水，在一定的低温及压力下形成的接近于冰点的水合物。

第一级 采用涡流管分离能量效应获得初步低温气体，第一次低温预分离。

涡流管降温原理：采用兰克-赫尔胥效应-由于工艺气体在管子轴线附近的涡流中心部分，气流的角速度最大，而在管壁附近的涡流边缘部分，气流的角速度最小，由于气流层之间的摩擦，使动能从涡流的中心部分向边缘部分传输，涡流中心部分因能量输出而温度降低，其边缘部分则因能量输入而温度升高；如图1所示。

气体通过管道接入进气口10从而进入起旋总成9内腔，进气口10与起旋总成9内腔为切向相切，切向总成内腔中部制造了一个导气锥18，进入的气体在入口处形成一个旋流；在导气锥18的作用下让沿圆周运动的气流产生一个强制的向前的运动趋势，从而进入涡流管阀体11内腔。

涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，进入涡流管阀体11内腔的气流在涡流管阀体11内腔内高速旋转时，经过涡流变换后分离成温度不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，根据应用实例的需要，通过温度调节块13可以调节冷热流比例，从而得到最佳制冷效应，处于中心的低温气流从涡流管的中心向后通过起旋总成9的通孔流出，处于外层的气流从涡流管的管壁向前通过温度调节块13与涡流管阀体11内腔形成的扩口间隙流出至密闭的气腔后通过与下游连接的连接管线14流出，流出的热气流通过截止阀15、球阀16和止回阀17进入脱完水后的中心管道8。

第二级螺旋起旋为后端分离提供离心力，游离状态固液颗粒切向分离原理：如图1所示，经过涡流管阀体11的低温天然气进入到旋风筒1的入口区，当气体在高压下通过旋风筒1内的起旋器2后，处于紊流流态的气体强制产生强烈气旋，气流沿管内壁呈螺旋形向后进入后端，前端低温下冷凝出来的密度大的尘粒和游离的液滴在离心力的作用下抛向内壁，并在重力的作用下，沿管内壁滑落，旋转的气流从中收缩向中心流动，经导管从设备中心部位流出，从而实现气液分离。

第三级使通过第二级的螺旋气体进一步突破临界状态获得更大的压力降，更大的温度降；饱和气流如图1所示，从涡流管阀体11来的低温气进入旋风筒1，流经起旋器2，饱和气体在起旋器2的强制作用下改变流动方向强制作螺旋运动；螺旋气体进入拉瓦尔喷管3，螺旋气体出了拉瓦尔喷管3后进入扩径分离器4，在扩径分离器4中受离心力的作用气体中夹带的游离物质、水合物等，在旋流的作用下与筒壁摩擦组合作用下将游离态的水、烃、水合物、其他固体颗粒等全部阻挡下来通过沉降介质出口5流出，低露点气体通过中心管道8向下游输气。

原料气进入拉瓦尔喷管3的变化简述：

一定的原料气在一定的压力温度下进入拉瓦尔喷管3喉颈阶段，在亚临界状态下饱和高压气体运动遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，因此气流不断加速。当到达拉瓦尔喷管3窄喉时，流速已经超过了音速此时进入超临界状态。而跨音速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。在拉瓦尔喷管3扩孔段饱和高压气体流的速度被进一步加速，达到超音速状态，由能量守恒定律可知，流过管道的超音速的气体这样就产生了巨大能量转换；表现为进口压力为P1、温度t1通过拉瓦尔喷管3后出气压力为P2、温度t2；通过喉管后的压力产生极大的下降即p1＞P2，由焦耳-汤姆逊理论可以知产生压力降的时候气体温度会下降即t1＞t2；

所以通过拉瓦尔喷管3的原料气产生了巨大的压降同时也产生较大的温度降，较大的压降由上述第二点可知原料气的露点温度变低，原料气的露点在P1-P2的过程中降低了，导致原饱和气体的水分析出；在较大的压力降下温度进一步的降低，出口的温度低于p2压力下的露点温度，导致气体内的液体进一步析出成为游离状态；低温下可能还会进一步产生水合物游离而出；析出的液体及烃类混合物及水合物比重远大于气体，故在旋流的作用下随着气体作离心运动被甩出气流中心与管壁摩擦二停留下来-即是气液分离状态；分离后的游离物在旋流作用下在扩径分离器4中沉降下来后汇聚在一起通过排出管排出，脱水后的高速气体进入中心管道8向下游输气。

Claims (6)

1.涡流式超临界高压饱和气体脱水器，包括首尾相接的拉瓦尔喷管(3)和扩径分离器(4)，其特征在于：还包括旋风筒(1)、起旋总成(9)、涡流管阀体(11)和端盖，所述扩径分离器(4)、拉瓦尔喷管(3)、旋风筒(1)、起旋总成(9)、涡流管阀体(11)和端盖共轴装配；旋风筒(1)装配在拉瓦尔喷管(3)前端，旋风筒(1)内腔与拉瓦尔喷管(3)内腔连通，且旋风筒(1)内设置有起旋器(2)；起旋总成(9)尾端出口与旋风筒(1)前端装配在一起，起旋总成(9)前端与所述涡流管阀体(11)一端装配在一起，所述端盖装配在涡流管阀体(11)另一端；起旋总成(9)的内腔中设置有导气锥(18)，导气锥(18)朝向涡流管阀体(11)方向设置，起旋总成(9)侧壁设置有进气口(10)，气体经进气口(10)沿起旋总成(9)内腔切线方向进入起旋总成(9)内腔，并在导气锥(18)的作用下进入涡流管阀体(11)内腔；所述端盖上装配有温度调节块(13)，温度调节块(13)对应伸入涡流管阀体(11)内腔中；端盖上开设有加热气体出口(12)。

2.如权利要求1所述的涡流式超临界高压饱和气体脱水器，其特征在于：还包括集液筒(6)，集液筒(6)装配在扩径分离器(4)尾端，集液筒(6)侧壁开设有沉降介质出口(5)，尾端装配有盲板(7)，盲板(7)上装配有中心管道(8)。

3.如权利要求2所述的涡流式超临界高压饱和气体脱水器，其特征在于：所述加热气体出口(12)通过连接管线(14)连通中心管道(8)，且该连接管线(14)上依次装配有截止阀(15)、球阀(16)和止回阀(17)。

4.如权利要求1-3任意一项所述的涡流式超临界高压饱和气体脱水器，其特征在于：所述涡流管阀体(11)内腔靠近起旋总成(9)的一端呈锥形内腔，该锥形内腔的大直径端与起旋总成(9)内腔连通，锥形内腔的小直径端向涡流管阀体(11)内腔延伸。

5.如权利要求1-3任意一项所述的涡流式超临界高压饱和气体脱水器，其特征在于：所述温度调节块(13)朝向涡流管阀体(11)的一端呈锥形，温度调节块(13)的锥形部一部分插入所述涡流管阀体(11)内腔中，温度调节块(13)的锥形部的锥面与涡流管阀体(11)的管口之间形成高温气体通过间隙，通过调节该间隙的大小，进行温度的调节。

6.如权利要求1-3任意一项所述的涡流式超临界高压饱和气体脱水器，其特征在于：所述拉瓦尔喷管(3)的渐缩段型线以及扩径分离器(4)的渐扩段型线均采用曲线结构。

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