气波制冷天然气脱水橇装装置的制作方法

专利名称：气波制冷天然气脱水橇装装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于以降温使混合气组分凝析分离的技术领域和压力气体膨胀制冷的技术领域。
天然气中含有的少量水分在长途输送的过程中，易与天然气生成水化物和遇冷结冰，二者均会堵塞管道。为了防止，要先对天然气进行脱水处理。
观目前现有的脱水技术，均集中于吸附脱水和吸收脱水这两类方法。前者是利用硅胶或分子筛一类的吸附剂，将水分子吸附于颗粒表面和毛细管中；后者则是靠某种循环工质液体，诸如乙(撑)二醇(EG)、二甘醇(DEG)和三甘醇(TEG)等，与水的亲和能力，将水从天然气中吸除。这两类方法在J.M坎贝尔的专著“天然气预处理和加工”第二卷(石油工业出版社，1991年版)中有较集中的介绍。
吸附脱水吸附剂的吸附饱和周期很短(数小时)，需要频繁地切换操作，吸附剂再生除水时要消耗大量的热能，其使用寿命也有限，通常用于深冷空分前和深冷法从油气中冷凝分离轻烃前的深度脱水，用于天然气脱水是很不经济的。
吸收脱水法目前在国际上应用很广泛，一套甘醇吸收脱水装置包括有吸收塔、再生塔、循环泵、过滤器、缓冲罐和换热器等设备。
甘醇脱水装置虽然被普遍使用，但却仍存在着以下的几点不足1.能耗较大。
甘醇水溶液必须经过再生除水，甘醇才能循环使用。再生须消耗热能，一般用燃烧天然气供热，其消耗量约占装置处理气量的2％左右。还有当天然气的压力较高时，甘醇液增压循环泵的耗能量也相当大。
2.操作较繁。
首先必须严格控制富水甘醇液的再生温度为其常压泡点温度，即204.4℃，低则再生不足，高则发生液泛损失甘醇。其次是当天然气的含水量和气流量波动时，甘醇循环量和再生加热量都必须跟随调整。
3.成本较高。
甘醇的需用量较多，价格较高。在天然气中的一些组分的影响下和操作不当时，甘醇很容易起泡，产生液泛和降解，使其过多地损失。
4.脱水不净。
低温吸收、负压解析再生虽然能增加脱水深度，但实施困难，其经济性能和操作性能更差，故普遍采用常温吸收、常压解析再生。在此条件下，相对吸水最强的三甘醇，也只能使脱水后的天然气露点降低至-15℃(气相中水蒸汽的分压还不是很低)左右，故在气候严寒地区，脱水后的天然气仍要结冻。
5.动力供给不便。
甘醇增压循环泵须用动力电，在边远无电地区使用受限。如用气动泵，其装置复杂。
6.转场困难。
多数气井或气站的资源有限，当其气竭时，含有塔设备的装置很难搬运转场。拆散后运输到位再安装，除耗工耗时外，难免还会造成一些损坏和报废。
本实用新型的目的是提供一种不耗用其他能源，而只以天然气自身所具有的、而通常是有意降压节流而损失掉的压力能为动力，以气波制冷机进行不定常膨胀制冷降温，与若干专用设备(包括新研制的)集合组成一套具有独立实现天然气深度脱水功能的气波制冷脱水装置，并实现橇装化。该装置具有操作简便、制造和运行成本低、可靠性强、连续运转周期长、体积小易转运等性能和结构特点。
本实用新型脱水装置的技术解决方案为1.该装置由甲醇雾化喷射泵(或由微节流注醇器)，气渡制冷机，干——湿气冷交换器和气液分离器，以及甲醇贮罐、杂质过滤器等设备所组成，用管路将其连结，并在需要开闭或调节处设置阀门，具有天然气流量和注醇量的调节设施。
2.含水天然气在制冷前先通过甲醇雾化喷射泵(或微节流注醇器)，由它向气中连续均匀注入一定量的雾状甲醇，其雾沫能够迅速地与天然气中所含的水分充分结合，生成一定浓度的醇——水低共溶点物质，以保证在降温到零下温度时仍为液态，而不会冻堵制冷机与换热设备。本实用新型的特征在于甲醇雾化喷射泵实现雾状注醇的手段是利用了气体变截面等熵流动其流道轴向各点的压力和流速不一致性质(微节流注醇器则是利用微节流造成的压力差——即利用天然气自身的压力能转化的压力差和高流速实现注醇和醇液的雾化。除不耗电外，比之用高压泵注醇，其可靠性高，雾化好。
3.天然气的制冷降温是依靠其自身压力能(压力范围0.3～30MPa)，通过在气波制冷机中的一种近乎等熵的非定常膨胀过程实现的。天然气的能量对机上一根根末端封闭(通常装有封闭突扩腔)的管段中潴留的天然气介质做周期性非稳定膨胀功，由潴留介质将功转化成热量向外界散发，从而使其宏观和微观工作状态均不同于透平膨胀机。气渡制冷机具有结构简、转速低、寿命长、操作维护简便、变工况适应性强、小流量机效率仍高、可自转分配射流而无需外部动力带动等特点，而这些特点正是做为该实用新型装置的技术解决方案所必须的，形成了该实用新型的最主要的特征。
4.湿天然气在膨胀制冷前流过冷交换器，与分离掉水分的冷干气换热，使其预冷，以使最终的制冷温度更加降低，析出更多的水分。本实用新型脱水装置设置气——气换热器充分回收膨胀制冷并已分离掉水分后的干天然气的已经无用的冷量，将其与未经制冷的湿气进行换冷以后再外输。
5.以气液分离器对降温后有析出液的天然气进行分离脱水。在一般情况下，可以进行一次或两次分离脱水，必须的一次是在预冷以后膨胀制冷之前，以减少带入制冷机中的液量，提高其制冷效率；另一次在膨胀制冷之后的温度最低处。如果来气较脏或含有游离液珠，则设一前置分离器分离之。
为保证装置的性能，其关键设备，如气渡制冷机和甲醇雾化喷射泵等，都是为了适应脱水的要求而特别研制的。
装置的核心设备——气渡制冷机，是以设计人的原有专利89213744.4(IPC分类号F25B9/00)为基础，保留了其一些合理的形式与结构(如偏心射流使喷嘴自转而不用外功驱动、激波吸收腔消除激波反射干扰提高制冷效率等)，又在可靠性和耐久性等方面研究改进之后，研制成功的换代产品。其改进的主要结构特征为轴上布置了两组平衡式的密封转动盘，作用在两组密封盘上的气体力大小相等、方向相反，整个转子的轴向力趋于零，如此能够显著延长支承滚珠轴承的使命寿命，增加了机器也就是增加了整个脱水装置的连续运转周期。
装置的注醇防冻设备——甲醇雾化喷射泵(或微节流注醇器)，是为取代可靠性不高的高压泵和实现整个脱水装置的全无电操作而特别研制的。用高压泵注醇，高压天然气很容易通过泵的出口阀微漏入泵缸中并积累，在泵吸液时膨胀占满泵缸，泵就不能继续吸液而失效，遂使装置冻堵停车。国内某气站的试用情况是故障频繁。还有出液脉动、雾化不充分等固有不足。
为达到高雾化性、低阻力降、调节喷量简便和便于加工等要求，用于注醇的甲醇雾化喷射泵采取了如下的形式与结构特征1.采用细孔喷液嘴，有压力的醇液从中喷出就可雾化，其压力靠从喷射泵流道的高压区引出的压力作用于甲醇贮罐的液面上来保证，喷液嘴则固装于喷射泵流道喉部区的压力最低处，如此醇液的压力就会高出喷液嘴外的压力；高速天然气流从喷液嘴旁边流过，顺醇液喷出方向吹扯、剪切喷出的雾滴，使其进一步雾化。
2.与一般喷射泵不同，用于注醇的雾化喷射泵设计成通气流道不拐弯的结构，天然气纵向进和出，喉前流道渐缩、喉后渐扩(若采用圆形横截面则形状类似于文丘里管)，其扩张角小于10°且壁面光滑，使流过喉部的压力已降的高速气流能等熵地重新恢复压力，其恢复率达96％以上，使喷射泵的气体阻力降很低，耗压力能微少。
3.由于注醇量很少，因此靠用醇液节流来调其喷醇量是很难控制的。采取的调醇量方式是在喷射泵流道的不同压力部位钻数个取压孔，各接上一个调节阀，然后互连，使其独自开闭或处于不同的气体分流节流程度下的互通状态而产生压力混合，最后在互连端输出一个连续可变的、比喷射泵的喉部高一些的气体压力通至承压甲醇贮罐的液面上，从而改变了去喷液嘴的醇液压力即改变了注醇压差(喷嘴外喉部处的压力最低且不变)，达到随意连续调节喷醇量的目的。如果是采用微节流的注醇器(其流道无需渐缩和渐扩)注醇，则可在其前、后各接上一个调节阀，然后互连，其他同于上述。
为使甲醇贮罐在补充加料时装置不断醇，可设两个贮罐，以阀门开闭实现切换运行和脱离高压，在常压下补加料液。
本实用新型脱水装置的干湿气冷交换器可采用列管式、U型管式，或板式、板翅式等高效式，为特殊需要和一旦有冻堵时能及时溶解，在冷干气的入、出口管路上设置了开关和旁路阀门，以使冷交换器无冷量输入，在常温来气作用下能迅速升温。对气液分离器无特殊要求。
由于组成冷析脱水装置的各个设备的尺寸和重量都不大，因此就为整个装置的橇装化提供了充分的条件，可将大部分或全部设备、阀门和管路等预装在一块或几块由型钢制成的底座上，整体运至现场，很快投入运行。
从原理上讲，本实用新型是利用天然气本身的压力能，通过在气波制冷机内的非定常流动、做功，产生激渡并与外界进行能量交换，使天然气自身变冷而析出所含有的水分，达到脱水目的的。本实用新型以独特的工艺流程处理步骤，配以诸个新研制成的、有特点的专用设备，组合成为一套完善的、具有独立功能的集装装置——橇装式气波制冷天然气脱水装置，实现了一种全新的、具有显著优点的天然气脱水方式。
本实用新型气波制冷脱水橇装装置的优点是可以同时克服前述现有甘醇脱水装置的6点不足，其具体体现为1.能耗低本实用新型脱水装置以天然气自身的压力能膨胀实现制冷，不耗其他能量。由于研究改进的换代气波制冷机的效率高、温降大，在膨胀比只有2时便可降温至-20℃以下，甲醇雾化喷射泵的阻力降也很小，故外输的天然气干气仍可以保持足够大的输气压力。而一般气井或气站的来气压力要远高于外输压力，现有技术一般都采用节流降压，使这部分压力能白白地丧失。而且，还得在节流前用加热炉加热天然气，以使其节流降温后的温度高于零度，避免冻堵节流阀。本发明正好利用了尚不被利用的天然气的充足的压力能，又节省了原节流前加热天然气的能耗。
2.操作简便。
本实用新型装置中的动设备只有气波制冷机，为自转式，无需监控。只要保持来气和输气压力、流量不发生大的波动，甲醇贮罐中有醇，运行过程中就不需任何调节操作。装置的起动与补加甲醇的操作也很简单，只开闭阀门和手起动气波制冷机即可。
3.运行成本低。
只耗用很少量的甲醇，而且分离出来的水——醇混合液可以蒸馏甲醇反复使用。气波制冷机每周注润滑脂一次，耗用量极少。
4.深度脱水。
气波制冷机效率提高，温降增大，在中等膨胀比和较好的冷交换器条件下，制冷温度很容易就达到-40℃以下，对应低温度下水的饱和蒸汽压极低，即天然气中更多的水分被冷析分离出来。即使在高寒地区，外输也能保持不凝析不冻。而现有技术甘醇吸收脱水，外输干气在降温到-15℃以下时仍要结冻。
5.不耗电能。
由于其制冷设备气波制冷机和喷醇防冻设备甲醇雾化喷射泵都不依靠电能工作，其他静设备也不需要电，因而可实现全装置的无电化运行。这不仅增加了安全性，也给在偏远油气田、气井的应用提供了很大的方便。
6.随时可移。
可制成整体橇装式或分体橇装式，当所在气站或气井的气源枯竭时，可以迅速地将全套装置整体转移到新的现场，不需建基础和安装，卸车后连好管路即可再次投入使用。
以下结合附图对本实用新型装置的实施例做进一步详细的描述。


图1和图2是本实用新型装置所依赖的核心设备——新型气波制冷机的密封转动盘在轴上的平衡式布置结构的两种具体形式及相对应的气波制冷机结构简图。
图3是本实用新型装置所需要的注醇防冻设备——甲醇雾化喷射泵的一种适用结构形式，其喷液嘴在流道中的位置图。
图4是本实用新型气波制冷天然气脱水装置的设备连接流程图。
由图4可知，带压天然气先经预分离器(1)除去游离液滴和杂质，进入甲醇雾化喷射泵(2)，与喷射泵中喷液嘴喷出的雾滴态甲醇充分掺合，气中的水分与醇结合生成不冻物质；混醇后的天然气进入冷气交换器(3)中预冷，温度降至10～-20℃，再经中分离器(4)除去降温后的析出液；然后天然气通过过滤器5(a)或5(b)进入气波制冷机(6)中膨胀制冷到-15～-60℃(视膨胀比而定)，再析出液由后分离器(7)分离脱除；冷干气则返回至冷交换器(3)中，利用其冷量给来气预冷，其自身升温后外输。外输过程中，只要温度不再低于装置中的最冷值，就绝不会再有液相水——醇液析出积存于管道，更不会结冻。
从甲醇喷射泵(2)的流道不同部位处取压孔取出的压力经过阀门组的互连并流调节后通至承压甲醇贮罐8(a)或8(b)的液面上部气室，由于其压力比喷液嘴外的流道喉部区的压力高，故醇液在其压差的推动下，由贮罐下部的出液管出来，经过滤器去杂质后，进入喷射泵，由喷液嘴喷出。
为防止通过装置的气流量大幅度增加而使喷射泵喉部的气流壅塞(达到音速)，产生波阻压降损失和尖啸噪音，在喷射泵的入、出口并联一阀门，随流量超额而开大之。当来气较干而需醇少时，还可通过开大此阀来大幅度地减少注醇量，以节省甲醇。具体用醇量可通过查醇——水浓度与对应的凝固点温度图表算出，取其凝固点温度低于最低制冷温度。
本实用新型脱水装置所用的新型气波制冷机的密封转动盘在轴上的两种无轴向力的布置结构如
图1和图2所示。其中(4)为旋转射流分配器(也称喷嘴盘)，(2)和(5)为两组动密封(包括静止盘和转动盘)，其转动盘固装于轴上。
图1的旋转射流分配器(4)居中，两组密封转动盘(2、5)置于分配器的两侧，密封转动盘的内侧端面，处于制冷机内膨胀制冷后通至出口的低压区，两端的外侧端面则处于由轴纵孔连通来气的机内高压区；图2则相反，射流分配器(4)居于轴的一端，两组相临的密封转动盘(2、5)相对临，其对临侧端面处于来气高压区，外侧端面处于机外连通的机内低压区。由于两组密封转动盘所受的压差气体力的大小几乎相等、方向相反，从而抵消，故轴承几乎不受轴向力。
对新型气波制冷机的结构和制冷过程描述如下压力气体由机身入口(
图1或图2中的(1)进入机内，从转轴(7)空心段的端部(见
图1)或圆周壁开孔(见图2)进到空心轴段而导入旋转射流分配器(4)中，从其上的喷嘴口喷出的高速气流依次轮流入射到按圆周排列的各接受管(6)中，按顺序对各管内的潴流气体做不定常膨胀功，通过在潴流气中产生压缩波和激波将功转化成热量，并通过管壁向外界散发；其后射流分配器喷嘴依次转离各个管口，膨胀做功制冷后的气体便依次从各接受管口返出到机内空腔，再从机身出口(3)流出。各接受管末端的激波吸收腔使接受管内的激波不返回到管口，提高制冷效率。
为本实用新型脱水装置所研制的甲醇雾化喷射泵，其中一种适用的结构形式的喷液嘴(装于喷嘴座)在流道中的安放位置和形状如图3居中对称于流道轴线，气流从其两侧流过，以使喷雾均匀；喷液嘴座的顺气流横向剖面形状为平键形，以减少气流阻力和为相同形状固定槽孔的加工提供方便。
本实用新型装置的工作压力由来流天然气而定，应使来气与输气压力之比(绝压比)大于1.7，以取得较低的制冷温度，提高脱水净度。当其比值远大于4时，可考虑在装置前节流降压，以使装置设备的耐压等级降低，减少制造成本。
本实用新型装置的天然气处理量即流量的调节设施之一是在装置的前处或者是在气波制冷机(6)的入口处设置调节减压阀，流过气波制冷机的天然气的体积流量基本恒定，但其质量流量几乎随入口压力的降低而成比例减少。
装置若实行橇装化，其底座宽度不要超过2.5米，以便于运输；设备排布要考虑连管和配重的要求，阀门位置应易于操作。
权利要求1.一种用于天然气冷析脱水的气波制冷脱水装置，该装置由靠气体压力能非定常膨胀制冷的气波制冷机、靠气体流动压差而工作的甲醇雾化喷射泵或是微节流注醇器、干——湿气冷交换器和气液分离器、以及甲醇贮罐、杂质过滤器等设备、还有控制阀门等所组成，其特征在于装置中的气波制冷机的转轴上采用了轴向力平衡式密封转动盘布置结构，装置中的甲醇雾化喷射泵内有喷液嘴装于其流道喉部区，装置具有天然气流量和注醇量的调节设施，装置的结构为橇装式。
2.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置中的气波制冷机的转轴上的轴向力平衡式密封转动盘布置结构的一种具体形式是旋转射流分配器即喷嘴盘居中，两侧置两组密封转动盘，其内侧端面处于机中的低压区。
3.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置中的气波制冷机的转轴上的轴向力平衡式密封转动盘布置结构的另一种具体形式是旋转射流分配器即喷嘴盘居于轴的一端，两组密封转动盘相对临，其对临侧端面处于机中的高压区。
4.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置中用于注醇的甲醇雾化喷射泵内喷液嘴所处的流道喉部区，其喉前流道渐缩、喉后流道渐扩。
5.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置中用于注醇的甲醇雾化喷射泵的一种适用结构为喷液嘴连同喷嘴座的位置处于流道喉部稍前，居中对称于流道轴线，气流从其两侧流过，喷嘴座的顺气流横向剖面形状为平键形。
6.根据权利要求1所迷的天然气脱水装置，其特征在于典型实施例中在甲醇雾化喷射泵(2)的入、出口管路上并接了一个防壅塞阀门。
7.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置向天然气中注醇的量的调节设施是在甲醇雾化喷射泵通气流道的不同压力部位处钻数个取压孔，各接上一个调节阀然后互连，若是用微节流注醇器注醇则在其入、出口各接上一个调节阀然后互连，其互连端通至承压甲醇贮罐的液面上。
8.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置的天然气流量即处理量的调节设施之一是在装置的前处或者是在气波制冷机的入口处设置调节减压阀。
9.根据权利要求1所述的天然气脱水装置，其特征在于装置的结构为橇装式，将大部分或全部设备、阀门和管路固装于一块或几块由型钢制成的底座上。
专利摘要一种用于天然气冷析脱水的气波制冷脱水橇装式装置,由气波制冷机、甲醇雾化喷射泵或是微节流注醇器、干—湿气冷交换器、气液分离器等设备所组成。装置中主要设备的工作原理和结构特点,使该装置可实现无电运行和深度脱水,能使天然气露点温度降低至－30℃以下而便于长途管路输送。该装置能够克服使用现有脱水方法的装置的一些不足。
文档编号F25B9/08GK2274743SQ96225110
公开日1998年2月18日 申请日期1996年1月12日 优先权日1996年1月12日
发明者方曜奇, 李洪安, 邹久朋, 朱彻, 胡大鹏 申请人:大连理工大学