节流装置和使用该节流装置进行节流的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用在气田井口处进行气体节流的节流装置以及使用该节流装置进行节流的方法。所述节流装置包括用于接受待节流的气体的涡流管，其包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端；用于从热端中接受热流部分的热流管路；用于从冷端中接受冷流部分的至少两个冷流管路，在各冷流管路中设有换热器，换热器设置成能够接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热；和输出管路，其与热流管路和各个冷流管路相连，用于输出热流部分和冷流部分的混合气。通过控制气流在冷热段的流量分配，可以使最终混合气体的温度高于天然气水合物的生成温度，达到取消加热炉，节省了燃料和人力的目的。
【专利说明】节流装置和使用该节流装置进行节流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种节流装置，特别是一种用在气田井口处进行气体节流的节流装置。本发明还涉及使用该节流装置进行节流的方法。
【背景技术】
[0002]天然气高压气田开采中，气井井口压力远远高于集输系统设计压力。因此，天然气在集输前必须进行节流减压。然而，伴随节流过程的降温现象，容易导致产生水合物发生冻堵。为防止水合物发生冻堵现象，生产上通常采用加热节流的集输工艺。但加热集输需要消耗约1%左右的天然气，并且要考虑安全和维护问题。
[0003]通常采用的加热节流的集输工艺的方法有加热节流法、注醇类水合物抑制剂法，以及井下节流法。
[0004]加热节流法是在井口或集气站设加热炉，使天然气运行温度高于水合物形成温度，从而防止水合物的生成。然而，加热集输需要消耗天然气，存在一定的安全隐患。另外，加热炉的设置通常按照投产初期的压力和流量设计。随着井口压力和温度的下降，实际需要的热负荷下降，这会造成加热炉效率降低。
[0005]上述加热节流法存在需要消耗大量的燃料，且需定期进行人工维护的缺陷。
[0006]因此，需要一种用于气田井口进行气体节流的节流装置，其不仅能节省大量的燃料，而且能节省定期进行人工维护的成本。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种节流装置，该节流装置是一种用在气田井口处进行气体节流的节流装置，以及使用该节流装置进行节流的方法。该节流装置能够省去现有技术中的井口节流加热炉，从而节省了大量的燃料；此外还节省了定期进行人工维护的成本。
[0008]根据本发明的第一方面，提出了一种用于在气田井口处进行气体节流的节流装置，包括:
[0009]用于接受待节流的气体的涡流管，其包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端；
[0010]用于从所述热端中接受所述热流部分的热流管路；
[0011]用于从所述冷端中接受所述冷流部分的至少两个冷流管路，在各所述冷流管路中设有换热器，所述换热器设置成能够接收来自所述热流管路的热量以对所述冷流部分进行加热；和
[0012]输出管路，其与所述热流管路和各个所述冷流管路相连，用于输出热流部分和冷流部分的混合气。
[0013]在一个实施例中，所述热流部分和冷流部分之间的流量比为3:7到7: 3，优选为1:1。
[0014]在一个实施例中，所述热流管路和各所述冷流管路均设有流量调节阀。
[0015]在一个实施例中，在所述涡流管之前设有用于从待节流的气体中分离杂质的分离器。
[0016]在一个实施例中，所述输出管路设有传感器，其用于检测所述混合气的压力和/或温度，并仅在所述压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许所述混合气输出。
[0017]根据本发明的第二方面，还提供了一种用于在气田井口处使用该节流装置进行气体节流的方法，包括以下步骤:
[0018]a)通过涡流管接受待节流的气体，该涡流管包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端；
[0019]b)通过热流管路从所述热端中接受所述热流部分的热流；
[0020]c)通过至少两个冷流管路从所述冷端中接受所述冷流部分的冷流，在各所述冷流管路中设有换热器，所述换热器设置成能够接收来自所述热流管路的热量以对所述冷流部分进行加热；
[0021]d)通过与所述热流管路和各个所述冷流管路相连的输出管路，其输出热流部分和冷流部分的混合气。
[0022]在一个实施例中，所述热流部分和冷流部分之间的流量比为3:7到7:3，优选为1:1。
[0023]在一个实施例中，所述热流管路和各所述冷流管路均设有流量调节阀。
[0024]在一个实施例中，在所述步骤a)之前还包括将待节流的气体引入分离器以从中分离杂质的步骤。
[0025]在一个实施例中，在所述输出管路处设置用于检测所述混合气的压力和/或温度的传感器，并仅在所述压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许所述混合气输出。
[0026]本发明的优点在于，本发明的节流装置利用了涡流管的特性——结构简单的能量分离机械装置，当高压天然气经过特殊设计的涡流管节流时，可以分为冷热两股流，其中冷端为干气且温度很低，与环境温度相差很大的冷流，可以比较容易地从空气中吸收热量，热端为高温湿气；升温后的冷流与热流混合，混合物后外输温度高于水合物形成温度，从而可以实现不加热也可有效提高天然气的外输温度的目的；从而能够省去现有技术中的井口节流加热炉，从而节省了大量的燃料；而且节省了定期进行人工维护的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0028]图1是本发明的节流装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0030]图1示出了本发明的节流装置结构示意图。其中，I为分离器，2为涡流管，3、4、5为流量调节阀，6、7为换热器，8为待节流的气体，9为经过分离杂质以后的气体，10为冷流部分，11为热流部分，12为输出管路。
[0031]本发明的节流装置利用了涡流管的特性——结构简单的能量分离机械装置，当高压天然气经过特殊设计的涡流管节流时，可以分为冷热两股流，换热器设置成能够接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热；从而能够省去现有技术中的井口节流加热炉，从而节省了大量的燃料，定期进行人工维护的成本。
[0032]根据一个实施例，热流部分11和冷流部分10之间的流量比为3:7到7:3，优选为1:1。通过控制热流部分和冷流部分之间的流量比，以使得通过换热器，能够充分接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热，从而节省了大量的燃料。
[0033]热流管路和各冷流管路均设有流量调节阀3、4或5。通过控制设置在热流管路和各冷流管路上的流量调节阀3、4或5，以使得控制热流部分和冷流部分之间的流量比达到最佳，以使得通过换热器，能够充分接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热，从而节省了大量的燃料。
[0034]本发明的涡流管可采用本领域公知的涡流管。在一个优选实施例中，可以使用如美国专利US05749231A所公开的不冻堵涡流管，该专利通过引用全文结合于本文中。此外，还可以在如美国专利US05749231A所公开的不冻堵涡流管结构的基础上做进一步的改进，例如在该涡流管上配备上管阀件和控制部件以实现节流加热自动运行。
[0035]通过涡流管的控制部件，用于控制压力范围，以使得涡流管入口压力的范围为4?16MPa ;用于控制气体流量范围，以使得引入涡流管内待节流的气体分别从涡流管冷端/热端出口流出的冷流/热流的流量比的范围为3 / 7?7 / 3;用于控制温度范围，以使得冷流的温度范围为-66?_6°C，热流的温度范围为-2?50°C ;其中，涡流管包括进气口、冷端出口及热端出口，冷端出口与多接头相连；进气口与分离器相连，在涡流管3之前设有用于从待节流的气体8中分离杂质的分离器1，以分离掉其中粒径大于或等于10 μ m的固体颗粒；多接头中的每个接头分别与流量调节阀相连，流量调节阀与至少一个换热器相连；其中，多接头中的接头数目至少三个，优选三个。
[0036]表I列出了涡流管的涡流管入口压力4MPa，出口压力1.6MPa、冷端流量/全部流量比、冷端温度以及热端温度的数值，仅供参考。
[0037]表I
[0038] __冷端流从/个部流W 冷端温度(τ) 热端船度(V)
’涡流 ff 入"IN: _HO__HJ__21_
Jj 4IPa, il',1 IIkSO-ΙΟ3-1
1.HiPa IN'70-652
’涡流--入I UK _M__250__4_
-Jj BMI'a, --υ IHU] _50__Η6__24_
1.6MPa 时 _TO__-:佑__
iI 涡流管入〖.....Uk _30__206__-2
力—16ΜΜ? H丨口沐:50-6020
Jj }.6MFa Hj__70__~50__50_
[0039]
[0040]空温换热器，将冷端气流加热至环境温度低10°C所需要的热负荷公式(I)表示为:
[0041]Ql=mcp(t「t2)-公式(I)
[0042]Ql:气体所需热负荷，W ；m:质量流量，kg/s ；cp:比热，J/ (kgX °C ), t1； t2:换热前后温度，C
[0043]换热器的热负荷公式(2)表示为:
[0044]Q2=KA (T-t)——公式(2)
[0045]Q2:换热器所能提供的热负荷，W ;K:传热系数，W/ Cm2X0O5A:传热面积，m2 ;T、t:分别为环境温度和冷端气流温度，V
[0046]设计时主要是通过增加A来使Q2>Q1。K由换热器类型决定。
[0047]最终混合气的温度用公式(3)表不:
[0048]Tfflix= (QhXVQcXTc)/Qfflix ——公式(3)
[0049]下标mix:混合气；下标h:热端参数；下标c:冷端参数
[0050]通过试验回归K令Tmix更加精确。
[0051]换热器，设置于冷流管道的出口端，用于对冷流进行加热，以使得冷流的温度范围为比环境温度低10°C ;换热器为空温换热器；当混合气体的输出温度低于5°C时，通过工控机实现至少两台空温换热器的切换；
[0052]引起切换的参数是混合气体外输温度，当外输温度<5°C (预留3°C的安全余量)时，即执行切换动作。假设切换前阀3开启，换热器6运行，阀4关闭，换热器7化霜。传感器检测到混合气外输温度<5°C时，即开启阀4，换热器7投运。运行稳定后再关闭阀3，换热器6停运化霜。
[0053]空温换热器的指标是加热到比环境温度低10°C。因为热源就是空气，在该工艺目前使用的四川地区，冬季平均温度为5.6°C，换热器可将冷端气流加热至_4°C，再与热端气流混合，得到2°C以上的混合气外输。
[0054]输出管路12设有传感器，其用于检测混合气的压力和/或温度，并仅在压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许混合气输出。
[0055]通过本发明节流装置中的涡流管的控制部件，实现了对涡流管入口压力的范围、引入涡流管内待节流的气体分别从涡流管冷端/热端出口流出的冷流/热流的流量比的范围、冷流的温度范围、热流的温度范围的控制，以使得换热器流出的冷流与热流混合所生成混合气体的压力、温度大于预先设置的压力阈1.6MPa、温度阈值2°C，使得在高压天然气节流中，井口高压天然气通过本发明装置节流后，外输压力为1.6MPa时，外输温度为2?20°C，优选5?10°C，高于天然气水合物生产温度，能够满足外输条件；从而使得该节流装置能够自动运行。
[0056]此外，本发明的节流装置相对于现有技术中的注水合物抑制剂法所采用的设备而言，设备成本低。注水合物抑制剂法能减轻水套炉热负荷，降低能耗；常用水合物抑制剂为甲醇、乙二醇；然而，集气站内需设置抑制剂的储存、注入、回收等单元，并需建设集气站到井口的注醇管线；因此,注水合物抑制剂法的运行设备成本高。
[0057]此外，本发明的节流装置相对于现有技术中的井下节流法所采用的设备而言，设备成本低。井下节流法是利用地层温度补偿节流时产生的温降，使地面采气管线在较低的压力下运行，以打破形成水合物的压力、温度条件，从而防止水合物生成的方法；然而对于采用丛式井组开采的气田来说，即使只有少数井不能下入节流器，也仍需在地面保留全套加热炉流程，因此，井下节流法的运行设备成本高。
[0058]实施例1
[0059]使用图1所示节流装置进行节流。
[0060]环境温度为0°C，将由井口引出的高压天然气气流(压力为16MPa，温度为24°C，流量为2X 104m3/天)，首先通过旋风分离器(购自华油惠博普科技股份有限公司，型号为HBP-325)去除其中的固体杂质。经过旋风分离器的高压天然气气流进入涡流管(对美国专利US05749231A中所述的不冻堵涡流管，结构如该美国专利的图2所述的涡流管进行了改进，通过在该涡流管上配备上管阀件和控制部件以实现节流加热自动运行)，冷流10自冷端出口流出，热流11自热端出口流出；涡流管冷端出口气流温度为_60°C，涡流管热端出口气流温度为20°C。
[0061]打开流量调节阀3，同时关闭流量调节阀4，使冷流10进入空温换热器6经空气加热到-10°C (由热电阻温度传感器测得，购自北京永瑞达科贸有限公司，型号PT100A)，经加热的冷流然后与热流11到达集输管线12后进行外输，其中调节流量调节阀3和5，控制冷流/热流流量比为1:1 (由漩涡流量计测得，购自北京永瑞达科贸有限公司，型号为YRD-80/16)。通过工控机进行监测，当到达12小时时，此时流量调节阀4自动打开，并且流量调节阀3自动关闭，冷流10进入空温换热器7经空气加热到-10°C，经加热的冷流然后与热流11到达集输管线12后进行外输，其中调节流量调节阀4和5，冷流/热流流量比为1:1。当空温换热器7结霜时(监测同上)，再次自动切换至空温换热器6，按上述过程节流。
[0062]检测传感器所检测到的混合气体的外输温度为8-10°C，高于1.6MPa下天然气水合物生成温度(2°C )，能够满足外输要求。
[0063]换热器的热负荷是有限的，当冷端气体的所需要的热负荷过大时，换热器不能将冷端气流加热至比环境温度低10°c，也不能满足最终混合气温度>2°C的要求。但是可以通过涡流管上的流量调节阀来调节冷热端的流量和温度，进而降低将冷端气体加热到比环境温度低10°c所需要的热负荷，从而使得换热器的负荷满足工作要求。以实施例1为例，原料气温度为24°c，环境温度为0°C，改变冷端流量/全部流量(即冷流率)的比例，冷热端温度有如表2所示的变化。
[0064]表2
[0065]
_冷端流W个部流冷端温度(T) 热端溢度("C )
'I 涡流 ff 入"K30__-?__-2_
Jj 16MPa, ,'I1,! Ilk 50 -60 20 Jj L6MPa 时__TO__-50__50_
[0066]当冷流率=30%时，换热器可将冷端温度换热至-10°C，而热端温度为-2V，此时的混合气温度肯定是〈(TC的。但冷流率=50%时，冷端换热后温度仍为-10°c，热端温度20°C，混合气温度可以到10°C ;冷流率=70%时，同理计算得到混合气温度为8°C。这样就达到了>2 °C的要求了。
[0067]决定阀3/4切换的条件是外输气体温度，当外输气体温度低于5°C时，就需要切换。为了保证加热后的冷端气体达到比环境温度低10°c的要求，因此优选设置至少两台空温换热器，以保证始终有一台空温换热器保持工作状态。
[0068]实施例2
[0069]重复实施例1中的试验,不同在于,原料天然气气流的压力为8MPa,冷流/热流流量比为7:3 (体积比)，涡流管冷端气流(10)温度为-36°C，涡流管热端气流(11)温度为48。。。
[0070]检测传感器所检测到的混合气体的外输温度为7-8V，高于1.6MPa下天然气水合物生成温度(2°C)，能够满足外输要求。
[0071]实施例3
[0072]重复实施例1中的试验，不同在于，原料天然气气流的压力为4MPa，调整冷流/热流流量比为3:7 ;涡流管冷端气流(10)温度为-1 I °C，热端气流(11)温度为21 °C。
[0073]检测传感器所检测到的混合气体的外输温度为10_12°C，高于1.6MPa下天然气水合物生成温度(2 °C )，能够满足外输要求。
[0074]从以上三个实施例中可以看出，利用根据本发明的节流装置，该节流装置能够省去现有技术中的井口节流加热炉，从而节省了大量的燃料；而且节省了人工维护的成本。
[0075]本发明还提供了一种用于在气田井口处使用该节流装置进行气体节流的方法，包括以下步骤:
[0076]a)进气口与分离器相连，将待节流的气体引入分离器以从中分离杂质，以分离掉其中粒径大于或等于10 μ m的固体颗粒；
[0077]b)通过涡流管接受待节流的气体，该涡流管包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端；
[0078]c)通过热流管路从热端中接受热流部分的热流；
[0079]d)通过至少两个冷流管路从冷端中接受冷流部分的冷流，在各冷流管路中设有换热器，换热器设置成能够接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热；
[0080]e)通过与热流管路和各个冷流管路相连的输出管路，输出热流部分和冷流部分的混合气。
[0081]本发明的使用该节流装置进行节流的方法利用了涡流管的特性——结构简单的能量分离机械装置，当高压天然气经过特殊设计的涡流管节流时，可以分为冷热两股流，换热器设置成能够接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热；从而能够省去现有技术中的井口节流加热炉，从而节省了大量的燃料，定期进行人工维护的成本。
[0082]其中，热流部分11和冷流部分10之间的流量比为3:7到7:3，优选为1:1。通过控制热流部分和冷流部分之间的流量比，以使得通过换热器，能够充分接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热，从而节省了大量的燃料。
[0083]热流管路和各冷流管路均设有流量调节阀3、4或5。通过控制设置在热流管路和各冷流管路上的流量调节阀3、4或5，以使得控制热流部分和冷流部分之间的流量比达到最佳，以使得通过换热器，能够充分接收来自热流管路的热量以对冷流部分进行加热，从而节省了大量的燃料。
[0084]本发明的涡流管还可以在如美国专利US05749231A中的不冻堵涡流管结构的基础上做进一步的改进，在该涡流管上配备上管阀件和控制部件以实现节流加热自动运行。
[0085]通过涡流管的控制部件，用于控制压力范围，以使得涡流管入口压力的范围为4?16MPa ;用于控制气体流量范围，以使得引入涡流管内待节流的气体分别从涡流管冷端/热端出口流出的冷流/热流的流量比的范围为3 / 7?7 / 3;用于控制温度范围，以使得冷流的温度范围为-66?_6°C，热流的温度范围为-2?50°C。
[0086]在输出管路12处设置用于检测混合气的压力和/或温度的传感器，并仅在压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许混合气输出。
[0087]通过本发明使用该节流装置进行节流的方法中的涡流管的控制部件，实现了对涡流管入口压力的范围、引入涡流管内待节流的气体分别从涡流管冷端/热端出口流出的冷流/热流的流量比的范围、冷流的温度范围、热流的温度范围的控制，以使得换热器流出的冷流与热流混合所生成混合气体的压力、温度大于预先设置的压力阈1.6MPa、温度阈值2°C，使得在高压天然气节流中，井口高压天然气通过本发明装置节流后，外输压力为
1.6MPa时，外输温度为2?20°C，优选5?10°C，高于天然气水合物生产温度，能够满足外输条件；从而使用该节流装置进行自动节流。
[0088]虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
【权利要求】
1.一种用于在气田井口处进行气体节流的节流装置，包括: 用于接受待节流的气体的涡流管，其包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端； 用于从所述热端中接受所述热流部分的热流管路； 用于从所述冷端中接受所述冷流部分的至少两个冷流管路，在各所述冷流管路中设有换热器，所述换热器设置成能够接收来自所述热流管路的热量以对所述冷流部分进行加热；和 输出管路，其与所述热流管路和各个所述冷流管路相连，用于输出热流部分和冷流部分的混合气。
2.根据权利要求1所述的节流装置，其特征在于，所述热流部分和冷流部分之间的流量比为3:7到7:3，优选为1:1。
3.根据权利要求1或2所述的节流装置，其特征在于，所述热流管路和各所述冷流管路均设有流量调节阀。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的节流装置，其特征在于，在所述涡流管之前设有用于从待节流的气体中分离杂质的分离器。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的节流装置，其特征在于，所述输出管路设有传感器，其用于检测所述混合气的压力和/或温度，并仅在所述压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许所述混合气输出。
6.一种用于在气田井口处使用根据权利要求1-5中任一项的节流装置进行气体节流的方法，包括以下步骤: a)通过涡流管接受待节流的气体，该涡流管包括用于输出冷流部分的冷端和用于输出热流部分的热端； b)通过热流管路从所述热端中接受所述热流部分的热流； c)通过至少两个冷流管路从所述冷端中接受所述冷流部分的冷流，在各所述冷流管路中设有换热器，所述换热器设置成能够接收来自所述热流管路的热量以对所述冷流部分进行加热； d)通过与所述热流管路和各个所述冷流管路相连的输出管路，输出热流部分和冷流部分的混合气。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热流部分和冷流部分之间的流量比为3:7到7:3，优选为1:1。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述热流管路和各所述冷流管路均设有流量调节阀。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)之前还包括将待节流的气体引入分离器以从中分离杂质的步骤。
10.根据权利要求6到9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述输出管路处设置用于检测所述混合气的压力和/或温度的传感器，并仅在所述压力和/或温度大于预先设定的相应的压力阈值和/或温度阈值的情况下才允许所述混合气输出。
【文档编号】F17D3/01GK104165269SQ201310184896
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2013年5月17日
【发明者】李伟, 徐正斌, 黄辉, 颜映霄, 粟科华, 李玉凤 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院