天然气超音速深冷液化实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种天然气超音速深冷液化实验装置，包括依次串联的供气瓶、储气罐、增压泵、超音速分离管,超音速分离管的出气口与储气罐连接，超音速分离管的出液口连接一个两相分离器，两相分离器的出液口连接一LNG低温钢瓶，两相分离器的出气口连接于超音速分离管的出气口与储气罐之间，形成三岔口；所述供气瓶、储气罐之间设置流量调节阀；所述增压泵、超音速分离管进气口之间设置天然气处理装置。它为研究天然气的旋转超音速液化流动过程、气体自旋及其他因素对甲烷液化的影响规律提供实验平台，以实现预测天然气流动和液化行为、提高系统液化性能、实现天然气超音速液化技术规模化应用。
【专利说明】天然气超音速深冷液化实验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及天然气分离领域，特别是涉及一种天然气超音速深冷液化实验装置。
【背景技术】
[0002]近年来，出现了一种新的混合气体分离技术-超音速旋流分离技术。该项技术利用超音速流动条件下气体的低温凝结效应结合旋流分离技术实现多组分气体中凝点较高组分的冷凝分离，其热力过程类似于以透平膨胀机为制冷机的膨胀、冷凝与分离过程，具有如下优点:系统集制冷、冷凝和分离过程于一体、结构简单、占地面积小；过程的制冷单元无转动件，完全是利用气体在超音速旋流分离系统中的高速流动产生低温；气体在超音速段的最低压力低于出气口压力，温度低于在同一压比下透平膨胀机所能达到的制冷温度，等熵效率高。
[0003]因为超音速分离技术的以上优点，它从首次提出就受到研宄者的极大关注。目前国外针对该技术的研宄报道很少，国内的研宄主要停留在气体超音速流动过程中的流动特性、系统结构和该过程中水的相变行为及水相变和天然气流动的相互作用上，而超音速分离技术应用于天然气液化领域，甲烷复杂的液化行为及甲烷液化和天然气流动的相互作用方面的研宄还未见报道。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于基于超音速分离管提供一种天然气超音速深冷液化实验装置，它为研宄天然气的旋转超音速液化流动过程、气体自旋及其他因素对甲烷液化的影响规律提供实验平台，以实现预测天然气流动和液化行为、提高系统液化性能、实现天然气超音速液化技术规模化应用。
[0005]本实用新型的目的是采用如下技术方案实现的:
[0006]一种天然气超音速深冷液化实验装置，包括通过管道依次串联的供气瓶、储气罐、增压泵、超音速分离管，超音速分离管的出气口与储气罐连接，超音速分离管的出液口连接一个两相分离器，两相分离器的出液口连接一低温钢瓶，两相分离器的出气口连接于超音速分离管的出气口与储气罐之间，形成一个三岔口 ；
[0007]所述供气瓶、储气罐之间设置流量调节阀；
[0008]所述增压泵、超音速分离管进气口之间设置天然气处理装置，所述天然气处理装置包括通过管道串联的缓冲罐、空气加湿罐、制冷器以及杂质过滤装置，所述缓冲罐的出气口、超音速分离管进气口之间设置第一调压阀，所述三岔口与储气罐之间设置第二调压阀，所述增压泵、超音速分离管进气口之间还设有第一截止阀与空气加湿罐并联，空气加湿罐的进气口端、出气口端分别设置第二截止阀与第一截止阀并联；
[0009]所述超音速分离管的出气口与三叉口之间，以及超音速分离管的进气口与天然气处理装置之间分别串联一组变送器，各组变速器分别包括流量变送器、压力变送器、温湿度变送器，各变送器均与一数据采集装置连接。
[0010]所述缓冲罐、空气加湿罐、制冷器沿天然气的气流方向依次设置。
[0011]所述杂质过滤装置包括若干相互串联的过滤器，沿天然气的气流方向排列的过滤器的过滤能力依次增强。
[0012]所述过滤器的数量为六个，每两个过滤器为一组分为共三组，第一组过滤器位于增压泵与缓冲罐之间，第二组过滤器位于缓冲罐与空气加湿罐之间，第三组过滤器位于空气加湿罐与制冷器之间。
[0013]所述第一组过滤器分别通过球阀与增压泵、缓冲罐连接，所述第二组过滤器通过第一调压阀与缓冲罐连接，并通过球阀与空气加湿罐连接，第三组过滤器通过球阀与制冷器连接。
[0014]所述每组过滤器的两个过滤器之间通过球阀连接。
[0015]所述超音速分离管进气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器沿天然气的气流方向依次设置，超音速分离管出气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器相对于超音速分离管进气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器对称设置。
[0016]所述超音速分离管包括外套管，外套管的管孔中插入一内管，内管的进气口、出气口均呈喇叭口状，内管的进气口、出气口之间为内管孔径较小的喉部，内管喉部的内壁上设置超音速翼，内管的出气口端设有一扩压管，扩压管的进气口呈喇叭口状，扩压管的进气口的外壁与内管的出气口的内壁之间形成一喇叭状的液体收集空间，内管的壁上设有一径向延伸的出液口与液体收集空间连通。
[0017]所述超音速分离管的出液口与低温钢瓶之间的管道均为低温管道。
[0018]所述数据采集装置包括粒子成像测速场仪、计算机系统，以及用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器，用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器与粒子成像测速场仪电连接。
[0019]由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下技术效果:
[0020]系统中没有制冷剂循环，使得工艺流程大大简化，从而为天然气液化系统尺寸小型化、撬装化创造了条件，便于安装，移动灵活；充分利用气体原有压力能制冷，无外部动力消耗、经济效益显著并且系统整体调节灵活、运转安全性和可靠性高。
[0021]超音速分离管进出气口均安装流量变送器、压力变送器、温湿度变送器，方便深入研宄进气口气体参数对超音速分离管液化性能的影响；并且采用粒子成像测速场仪对超音速分离管内部流动进行观察，能够深入研宄天然气在超音速分离管内高速流动和液滴凝聚过程。
[0022]它为研宄天然气的旋转超音速液化流动过程、气体自旋及其他因素对甲烷液化的影响规律提供实验平台，以实现预测天然气流动和液化行为、提高系统液化性能、实现天然气超音速液化技术规模化应用。
[0023]本套液化系统不仅可以用于天然气超音速液化流动规律的研宄，而且可以作为天然气超音速脱水的实验平台。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的结构示意图；
[0025]图2为图1中超音速分离管的结构示意图。
[0026]附图标记，图1中:1 一供气瓶；2—流量调节阀；3—储气罐；4一增压泵；5—过滤器；6—缓冲鍾；7一第一调压阀；8—空气加湿鍾；9一制冷器；10—流量变送器；11 一压力变送器；12—温湿度变送器；13—超音速分离管；14一数据采集装置；15—两相分离器；16-1^6低温钢瓶，17为第二调压阀，18为第一截止阀，19为第二截止阀；
[0027]图2中:133—内管；136—液体收集空间；13(3—径向延伸的出液口 “3(1—外套管；136—超音速翼；13？—扩压管。
【具体实施方式】
[0028]参见图1，为天然气超音速深冷液化实验装置的一种实施例，包括通过管道依次串联的供气瓶1、储气罐3、增压泵4、超音速分离管13，超音速分离管13的出气口与储气罐3连接，形成回路。其中，供气瓶1用于对实验供气，储气罐3用于将新供天然气与回流的天然气混合，再次进行深冷液化。超音速分离管13的出液口连接一个两相分离器15，用于气液分离，本实施例中，储气罐3的出气口通过球阀与增压泵4连接，超音速分离管13的出液口通过球阀与两相分离器15连接。两相分离器15的出液口连接一低温钢瓶16，用于收集分离出的液体，本实施例中，两相分离器15的出液口通过球阀与低温钢瓶16连接。两相分离器15的出气口连接于超音速分离管13的出气口与储气罐3之间，形成一个三岔口，进而使分离出的气体进入储气罐3内，本实施例中，两相分离器15的出气口与三岔口之间设置有球阀。优选地，所述储气罐3与供气瓶1连接的进气口以及出气口均设于储气罐3的侧部，储气罐3的与超音速分离管13出气口连接的进气口设于储气罐3的顶部。
[0029]所述供气瓶1、储气罐3之间设置流量调节阀2，用于控制超音速分离管13进气口端的天然气流量。本实施例中，流量调节阀2采用球阀。所述增压泵4、超音速分离管13进气口之间设置天然气处理装置，用于控制超音速分离管13进气口端的天然气的温度、压力、湿度等参数。所述天然气处理装置包括通过管道串联的缓冲罐6、空气加湿罐8、制冷器9以及杂质过滤装置。缓冲罐6主要用于装置中缓冲天然气的压力波动，使装置工作更平稳，实验的准确性更高，效果更好。所述缓冲罐6的出气口、超音速分离管13进气口之间设置第一调压阀7，用于控制超音速分离管13进气口端的天然气的压力。所述三岔口与储气罐3之间设置第二调压阀17，用于控制超音速分离管13出气口端的天然气的压力，保证回流的天然气压力稳定，使实验的准确性更高，效果更好。所述增压泵4、超音速分离管13进气口之间还设有第一截止阀18与空气加湿罐8并联，空气加湿罐8的进气口端、出气口端分别设置第二截止阀19与第一截止阀18并联。本实施例中，采用球阀作为截止阀。所述的制冷器9为单通道冷冻机。
[0030]所述超音速分离管13的出气口与三叉口之间，以及超音速分离管13的进气口与天然气处理装置之间分别串联一组变送器，各组变速器分别包括流量变送器10、压力变送器11、温湿度变送器12，各变送器均与一数据采集装置14连接。优选地，所述超音速分离管13进气口方向的流量变送器10、压力变送器11、温湿度变送器12沿天然气的气流方向依次设置，超音速分离管13出气口方向的流量变送器10、压力变送器11、温湿度变送器12相对于超音速分离管13进气口方向的流量变送器10、压力变送器11、温湿度变送器12对称设置。
[0031]优选地，所述缓冲罐6、空气加湿罐8、制冷器9沿天然气的气流方向依次设置。由于经过过滤器5滤除后的杂质粒径越来越小，过滤要求越来越高，所述杂质过滤装置包括若干相互串联的过滤器5，沿天然气的气流方向排列的过滤器5的过滤能力依次增强，以最大限度地滤除杂质。由于气流在超音速分离管13喉部的流速可达到音速，滤除气体中夹杂的细小杂质可以防止其高速撞击损坏超音速分离管13，保证超音速分离管13的使用寿命，降低实验成本。所述过滤器5的数量为六个，每两个过滤器5为一组分为共三组，第一组过滤器5位于增压泵4与缓冲罐6之间，第二组过滤器5位于缓冲罐6与空气加湿罐8之间，第三组过滤器5位于空气加湿罐8与制冷器9之间。三组过滤器5可分别消除在增压泵4、缓冲罐6、空气加湿罐8内新产生的杂质，过滤后的天然气先经过制冷器9预冷后进入下游的超音速分离管13中深冷。本实施例中，所述第一组过滤器5分别通过球阀与增压泵4、缓冲罐6连接，所述第二组过滤器5通过第一调压阀7与缓冲罐6连接，并通过球阀与空气加湿罐8连接，第三组过滤器5通过球阀与制冷器9连接。进一步地，所述每组过滤器5的两个过滤器5之间通过球阀连接。本装置中球阀的运用便于各工作部件的分别开启、关闭，以及拆卸、维护，保证实验正常运行。
[0032]参见图2为超音速分离管13的结构示意图，所述超音速分离管13包括外套管13山外套管13(1的管孔中插入一内管131内外管固定连接。内管13&的进气口、出气口均呈喇叭口状，内管133的进气口即为超音速分离管13的进气口。内管133的进气口、出气口之间为内管133孔径较小的喉部，内管133喉部的内壁上设置超音速翼136，内管133的出气口端设有一扩压管13？，扩压管13？的进气口呈喇叭口状，扩压管13？的进气口的外壁与内管133的出气口的内壁之间形成一喇叭状的液体收集空间13比内管133的壁上设有一径向延伸的出液口 13(3与液体收集空间136连通。天然气在内管133的进气口近似绝热膨胀，流速加快，温度进一步降低。气体因降温形成雾状液滴，高速气流流经超声速翼时受尾翼导流作用形成强旋流场，液滴因离心力被甩向管壁并碰撞聚集形成液膜，液滴经液体收集空间131径向延伸的出液口 13(3流出，干气仍沿轴向流入扩压管13？，实现气液分离。分离后干气流经扩压管13？流速逐渐降低，气压和温度逐渐回升。所述数据采集装置14包括粒子成像测速场仪、计算机系统，以及用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器，用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器与粒子成像测速场仪电连接。本实施例中，内管133的进气口、喉部、扩压管13？均安装变送器，以实现粒子成像测速场仪对超音速分离管13内部流场和液滴分布规律的观测。
[0033]本实施例中，所述超音速分离管13的出液口与低温钢瓶16之间的管道均为低温管道，保证管道使用寿命。系统中的管道除以上已经说明部分为低温管道，其他的管道均为普通管道，降低实验成本。
[0034]具体的，本实施例天然气超音速深冷液化实验装置的运行方法如下:
[0035]进行天然气液化实验时:开启流量调节阀2使供气瓶1中的高压天然气流入储气罐3 ；关闭空气加湿罐8进出气口的第二截止阀19，第一截止阀18处于开启状态。依气流流动方向依次打开管线上的其他球阀；启动增压泵4 ；调节缓冲罐6出气口的第一调压阀7，调节制冷器9的制冷功率，通过数据采集装置14记录、观察超音速分离管13进气口、出气口的温度、压力、流量参数和超音速分离管13内部的流动、液滴凝聚情况。
[0036]超音速分离管13进气口处的气流流量可以通过供气瓶1出气口处的流量调节阀2控制，温度可以通过制冷器9的功率控制，压力可以通过缓冲罐6出气口的第一调压阀7控制；通过反复调节可以获得多组超音速分离管13进气口温度、压力、流量与液化率和系统能耗的实验数据，从而得到超音速分离管13用于液化天然气的最佳参数。
[0037]同时，采用粒子成像测速场仪对超音速分离管13内部的气体流动、液滴凝聚现象进行观测，能够准确认识超音速分离管13内天然气液化和流动特性，为基于该技术的天然气液化系统开发提供关键的技术突破。
[0038]进行天然气脱水实验时:开启流量调节阀2使供气瓶1中的高压天然气流入储气罐3 ；关闭与空气加湿罐8并联的第一截止阀18，第二截止阀19处于开启状态，依气流流动方向依次打开管线上的其他球阀；启动天然气增压泵4 ；调节缓冲罐6出气口的第一调压阀7，调节制冷器9的制冷功率，通过数据采集装置14记录、观察超音速分离管13进气口、出气口的温湿度、压力、流量参数和超音速分离管13内部的气流流动、水滴凝聚情况。
[0039]超音速分离管13进气口处的气流参数流量可以通过供气瓶1出气口流量调节阀2控制，温度可以通过制冷器9功率控制，压力可以通过缓冲罐6出气口的第一调压阀7控制；湿度可以通过空气加湿罐8控制，通过反复调节可以获得多组超音速分离管13进气口温度、湿度、压力、流量与露点降和系统能耗的实验数据，从而得到超音速分离管13用于天然气脱水的最佳参数。
[0040]同时，采用粒子成像测速场仪对超音速分离管13内部的气体流动、水滴凝聚现象进行观测，能够准确认识超音速分离管13内水滴凝聚和流动特性，为验证现有研宄成果提供试验平台。
[0041]综上，本实用新型天然气超音速深冷液化实验系统使天然气液化工艺流程大大简化，同时能够充分利用气体原有压力能制冷，无外部动力消耗、经济效益显著。能够为实现天然气液化系统尺寸小型化、撬装化提供关键的技术突破；同时该系统还可用于天然气脱水的实验研宄。
[0042]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:包括通过管道依次串联的供气瓶、储气罐、增压泵、超音速分离管，超音速分离管的出气口与储气罐连接，超音速分离管的出液口连接一个两相分离器，两相分离器的出液口连接一 低温钢瓶，两相分离器的出气口连接于超音速分离管的出气口与储气罐之间，形成一个三岔口 ； 所述供气瓶、储气罐之间设置流量调节阀； 所述增压泵、超音速分离管进气口之间设置天然气处理装置，所述天然气处理装置包括通过管道串联的缓冲罐、空气加湿罐、制冷器以及杂质过滤装置，所述缓冲罐的出气口、超音速分离管进气口之间设置第一调压阀，所述三岔口与储气罐之间设置第二调压阀，所述增压泵、超音速分离管进气口之间还设有第一截止阀与空气加湿罐并联，空气加湿罐的进气口端、出气口端分别设置第二截止阀与第一截止阀并联； 所述超音速分离管的出气口与三叉口之间，以及超音速分离管的进气口与天然气处理装置之间分别串联一组变送器，各组变速器分别包括流量变送器、压力变送器、温湿度变送器，各变送器均与一数据采集装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述缓冲罐、空气加湿罐、制冷器沿天然气的气流方向依次设置。
3.根据权利要求2所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述杂质过滤装置包括若干相互串联的过滤器，沿天然气的气流方向排列的过滤器的过滤能力依次增强。
4.根据权利要求3所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述过滤器的数量为六个，每两个过滤器为一组分为共三组，第一组过滤器位于增压泵与缓冲罐之间，第二组过滤器位于缓冲罐与空气加湿罐之间，第三组过滤器位于空气加湿罐与制冷器之间。
5.根据权利要求4所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述第一组过滤器分别通过球阀与增压泵、缓冲罐连接，所述第二组过滤器通过第一调压阀与缓冲罐连接，并通过球阀与空气加湿罐连接，第三组过滤器通过球阀与制冷器连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述每组过滤器的两个过滤器之间通过球阀连接。
7.根据权利要求1所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述超音速分离管进气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器沿天然气的气流方向依次设置，超音速分离管出气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器相对于超音速分离管进气口方向的流量变送器、压力变送器、温湿度变送器对称设置。
8.根据权利要求1所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述超音速分离管包括外套管，外套管的管孔中插入一内管，内管的进气口、出气口均呈喇叭口状，内管的进气口、出气口之间为内管孔径较小的喉部，内管喉部的内壁上设置超音速翼，内管的出气口端设有一扩压管，扩压管的进气口呈喇叭口状，扩压管的进气口的外壁与内管的出气口的内壁之间形成一喇叭状的液体收集空间，内管的壁上设有一径向延伸的出液口与液体收集空间连通。
9.根据权利要求1所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述超音速分离管的出液口与低温钢瓶之间的管道均为低温管道。
10.根据权利要求1所述的一种天然气超音速深冷液化实验装置，其特征在于:所述数据采集装置包括粒子成像测速场仪、计算机系统，以及用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器，用于对超音速分离管内部流场和液滴分布规律进行观测的变送器与粒子成像测速场仪电连接。
【文档编号】C10L3/10GK204251575SQ201420675403
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】宁虎, 龙学渊, 田园 申请人:重庆科技学院