專利名稱：一種天然氣膨脹冷析脫水的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于以降溫使混合氣組分凝析分離的技術領域和壓力氣體膨脹制冷的技術領域。
本發明利用天然氣本身的壓力能，通過在氣波制冷機內的非定常流動、做功，產生激波并與外界進行能量交換，使天然氣自身變冷而析出所含有的水分。本發明以獨特的工藝流程處理步驟，配以諸個新研制成的、有特點的專用設備，組合成為一套完善的、具有獨立功能的集裝裝置，實現了一種全新的、具有顯著優點的天然氣脫水方法。
天然氣中含有的少量水分在長途輸送的過程中，易與天然氣生成水化物和遇冷結冰，二者均會堵塞管道。為了防止，要先對天然氣進行脫水處理。
從原理講，降低溫度，氣相中水蒸汽的分壓減小，水便可以從氣相中凝析分離出來。然而，以目前技術成熟的工質循環制冷和透平膨脹機制冷兩類方法，無論是從成本消耗方面還是從操作復雜性角度考慮，都不具競爭力；加之降溫到零下十幾度時，必須要保證使凝析水為液態，以免堵塞和凍裂制冷和換冷設備，而這方面的技術尚不成熟，可靠性差。
由于上述原因，在目前現有的脫水技術中，降溫法是絕少使用的。特別是對于中、小氣井、氣站，由于透平機等對于小流量的不適應，更是無有問津。
觀目前現有的脫水技術，均集中于吸附脫水和吸收脫水這兩類方法。前者是利用硅膠或分子篩一類的吸附劑，將水分子吸附于顆粒表面和毛細管中；后者則是靠某種循環工質液體，諸如乙(撐)二醇(EG)、二甘醇(DEG)和三甘醇(TEG)等，與水的親和能力，將水從天然氣中吸除。這兩類方法在J.M坎貝爾的專著“天然氣預處理和加工”第二卷(石油工業出版社，1991年版)中有較集中的介紹。
吸附脫水吸附劑的吸附飽和周期很短(數小時)，需要頻繁地切換操作，吸附劑再生除水時需消耗大量的熱能，其使用壽命也有限，通常用于深冷空分前和深冷法從石油氣中冷凝分離輕烴前的深度脫水，用于天然氣脫水是很不經濟的。
吸收脫水法目前在國際上應用很廣泛，一套甘醇吸收脫水裝置包括有吸收塔、再生塔、循環泵、過濾器、緩沖罐和換熱器等設備。
甘醇脫水法雖然是在國際上廣泛應用的方法，但卻仍存在著以下的幾點不足1.能耗較大。
甘醇水溶液必須經過再生除水，甘醇才能循環使用。再生須消耗熱能，一般用燃燒天然氣供熱，其消耗量約占裝置處理氣量的2％左右。還有當天然氣的壓力較高時，甘醇液增壓循環泵的耗能量也相當大。
2.操作較繁。
首先必須嚴格控制富水甘醇液的再生溫度為其常壓泡點溫度，即204.4℃，低則再生不足，高則發生液泛損失甘醇。其次是當天然氣的含水量和氣流量波動時，甘醇循環量和再生加熱量都必須跟隨調整。
3.成本較高。
甘醇的需用量較多，價格較高。在天然氣中的一些組分的影響下和操作不當時，甘醇很容易起泡，產生液泛和降解，使其過多地損失。
4.脫水不凈。
低溫吸收、負壓解析再生雖然能增加脫水深度，但實施困難，其經濟性能和操作性能更差，故普遍采用常溫吸收、常壓解析再生。在此條件下，相對吸水最強的三甘醇，也只能使脫水后的天然氣露點降低至-15℃(氣相中水蒸汽的分壓還不是很低)左右，故在氣候嚴寒地區，脫水后的天然氣仍要結凍。
5.動力供給不便。
甘醇增壓循環泵須用動力電，在邊遠無電地區使用受限。如用氣動泵，其裝置復雜。
6.轉場困難。
多數氣井或氣站的資源有限，當其氣竭時，含有塔設備的裝置很難搬運轉場。拆散后運輸到位再安裝，除耗工耗時外，難免還會造成一些損壞和報廢。
本發明的目的是提供一種不耗用其他能源，而只以天然氣自身所具有的、而通常是有意降壓節流而損失掉的壓力能為動力，以氣波制冷機膨脹制冷降溫，使天然氣中的水分凝析后再行分離的脫水方法；并提供一種實施該種方法的、由若干設備、包括諸個新研制設備所組成的具有獨立完成天然氣深度脫水功能的成套裝置，該裝置具有操作簡便、制造和運行成本低、可靠性強、連續運轉周期長、體積小易轉運等性能和結構特點。
本發明脫水方法的技術解決方案為1.在制冷前先向天然氣中注入一定量的霧狀甲醇，其霧沫能夠迅速地與天然氣中所含的水分充分結合，生成一定濃度的醇——水低共溶點物質，以保證在降溫到零下溫度時仍為液態，而不會凍堵制冷機與換冷設備。本發明方法的特征在于實現霧狀注醇的手段是利用了氣體變截面等熵流動其流道軸向各點的壓力和流速不一致性質，或者是利用微節流造成的壓力差——即利用天然氣自身的壓力能轉化的壓力差和高流速實現注醇和醇液的霧化。對應的具體設備可稱為甲醇霧化噴射泵(用變截面等熵流動)和稱為微節流注醇器(用微節流造壓差)。除不耗電外，比之用高壓泵注醇，其可靠性高，霧化好。
2.天然氣的制冷降溫是依靠其自身的壓力能(壓力范圍0.3～30MPa)，通過一種近乎等熵的非定常膨脹過程實現的。天然氣的能量對制冷機中一根根末端封閉(通常裝有封閉突擴腔)的管段中潴留的天然氣介質做周期性非穩定膨脹功，由潴留介質將功轉化成熱量向外界散發，從而使其宏觀和微觀工作狀態均不同于透平膨脹機，按上述原理制作的制冷機——氣波制冷機，具有結構簡，轉速低，壽命長，操作維護簡便、變工況適應性強、小流量機效率仍高、可自轉分配射流而無需外部動力帶動等特點，而這些特點正是做為該發明方法的技術解決方案所必須的，形成了該方法的最主要的特征。
3.天然氣在膨脹制冷之前先行預冷，以使最終的制冷溫度更加降低，析出更多的水分。本發明方法充分回收經過膨脹制冷再分離掉水分之后的干天然氣的已經無用的冷量，將其與未經制冷的濕氣進行換冷以后再外輸。
4.以氣液分離器對降溫后有析出液的天然氣進行分離脫水。在一般情況下，可以進行一次或兩次分離脫水，必須的一次是在預冷以后膨脹制冷之前，以減少帶入制冷機中的液量，提高其制冷效率；另一次在膨脹制冷之后的溫度最低處。如果來氣較臟或含有游離液珠，則設一前置分離器分離之。
按照上述發明方法實施發明的脫水裝置的技術解決方案為本發明脫水裝置由甲醇霧化噴射泵(或由微節流注醇器)，氣波制冷機，干——濕氣冷交換器和氣液分離器，以及甲醇貯罐、雜質過濾器等設備所組成，用管路將其連結，并在需要開閉或調節處設置閥門，具有天然氣流量和注醇量調節設施。
裝置的核心設備——氣波制冷機，是以發明人的原有專利89213744.4(IPC分類號F25B 9/00)為基礎，保留了其一些合理的形式與結構(如偏心射流使噴嘴自轉而不用外功驅動、激波吸收腔消除激波反射干擾提高制冷效率等)，又在可靠性和耐久性等方面研究改進之后，研制成功的換代產品。其改進的主要結構特征為軸上布置了兩組平衡式的密封轉動盤，作用在兩組密封盤上的氣體力大小相等、方向相反，整個轉子的軸向力趨于零，如此能夠顯著延長支承滾珠軸承的使命壽命，增加了機器也就是增加了整個脫水裝置的連續運轉周期。
裝置的注醇防凍設備——甲醇霧化噴射泵(或微節流注醇器)，是為取代可靠性不高的高壓泵和實現整個脫水裝置的全無電操作而特別研制的。用高壓泵注醇，高壓天然氣很容易通過泵的出口閥微漏入泵缸中并積累，在泵吸液時膨脹占滿泵缸，泵就不能繼續吸液而失效，遂使裝置凍堵停車。國內某氣站的試用情況是故障頻繁。還有出液脈動、霧化不充分等固有不足。
為達到高霧化性、低阻力降、調節噴量簡便和便于加工等要求，用于注醇的甲醇霧化噴射泵采取了如下的形式與結構特征1.采用細孔噴液嘴，有壓力的醇液從中噴出就可霧化，其壓力靠從噴射泵流道的高壓區引出的壓力作用于甲醇貯罐的液面上來保證，噴液嘴則固裝于噴射泵流道喉部區的壓力最低處，如此醇液的壓力就會高出噴液嘴外的壓力；高速天然氣流從噴液嘴旁邊流過，順醇液噴出方向吹扯、剪切噴出的霧滴，使其進一步霧化。
2.與一般噴射泵不同，用于注醇的霧化噴射泵設計成通氣流道不拐彎的結構，天然氣縱向進和出，喉前流道漸縮、喉后漸擴(若采用圓形橫截面則形狀類似于文丘里管)，其擴張角小于10°且壁面光滑，使流過喉部的壓力已降的高速氣流能等熵地重新恢復壓力，其恢復率達96％以上，使噴射泵的氣體阻力降很低，耗壓力能微少。
3.由于注醇量很少，因此靠用醇液節流來調其噴醇量是很難控制的。采取的調醇量方式是在噴射泵流道的不同壓力部位鉆數個取壓孔，各接上一個調節閥，然后互連，使其獨自開閉或處于不同的氣體分流節流程度下的互通狀態而產生壓力混合，最后在互連端輸出一個連續可變的、比噴射泵的喉部高一些的氣體壓力通至承壓甲醇貯罐的液面上，從而改變了去噴液嘴的醇液壓力即改變了注醇壓差(噴嘴外喉部處的壓力最低且不變)，達到隨意連續調節噴醇量的目的。如果是采用微節流的注醇器(其流道無需漸縮和漸擴)注醇，則可在其前、后各接上一個調節閥，然后互連，其他同于上述。
為使甲醇貯罐在補充加料時裝置不斷醇，可設兩個貯罐，以閥門開閉實現切換運行和脫離高壓，在常壓下補加料液。
本發明脫水裝置的干濕氣冷交換器可采用列管式、U型管式，或板式、板翅式等高效式，為特殊需要和一旦有凍堵時能及時溶解，在冷干氣的入、出口管路上設置了開關和旁路閥門，以使冷交換器無冷量輸入，在常溫來氣作用下能迅速升溫。對氣液分離器無特殊要求。
由于組成冷析脫水裝置的各個設備的尺寸和重量都不大，因此就為整個裝置的橇裝化提供了充分的條件，可將大部分或全部設備、閥門和管路等預裝在一塊或幾塊由型鋼制成的底座上，整體運至現場，很快投入運行。
本發明冷析脫水方法與裝置的優點是可以同時克服前述的現有的脫水方法與裝置的6點不足，其具體體現為1.能耗低本發明以天然氣自身的壓力能膨脹實現制冷，不耗其他能量。由于研究改進的換代氣波制冷機的效率高、溫降大，在膨脹比只有2時便可降溫至-20℃以下，甲醇霧化噴射泵的阻力降也很小，故外輸的天然氣干氣仍可以保持足夠大的輸氣壓力。而一般氣井或氣站的來氣壓力要遠高于外輸壓力，現有技術一般都采用節流降壓，使這部分壓力能白白地喪失。而且，還得在節流前用加熱爐加熱天然氣，以使其節流降溫后的溫度高于零度，避免凍堵節流閥。本發明正好利用了尚不被利用的天然氣的充足的壓力能，又節省了原節流前加熱天然氣的能耗。
2.操作簡便。
本發明裝置中的動設備只有氣波制冷機，為自轉式，無需監控。只要保持來氣和輸氣壓力、流量不發生大的波動，甲醇貯罐中有醇，運行過程中就不需任何調節操作。裝置的起動與補加甲醇的操作也很簡單，只開閉閥門和手起動氣波制冷機即可。
3.運行成本低。
只耗用很少量的甲醇，而且分離出來的水——醇混合液可以蒸餾甲醇反復使用。氣波制冷機數天注潤滑脂一次，耗用量極少。
4.深度脫水。
氣波制冷機效率提高，溫降增大，在中等膨脹比和較好的冷交換器條件下，制冷溫度很容易就達到-40℃以下，對應低溫度下水的飽和蒸汽壓極低，即天然氣中更多的水分被冷析分離出來。即使在高寒地區，外輸也能保持不凝析不凍。而現有技術甘醇吸收脫水，外輸干氣在降溫到-15℃以下時仍要結凍。
5.不耗電能。
由于其制冷設備氣波制冷機和噴醇防凍設備甲醇霧化噴射泵都不依靠電能工作，其他靜設備也不需要電，因而可實現全裝置的無電化運行。這不僅增加了安全性，也給在偏遠油氣田、氣井的應用提供了很大的方便。
6.隨時可移。
可制成整體橇裝式或分體橇裝式。當所在氣站或氣井的氣源枯竭時，可以迅速地將全套裝置整體轉移到新的現場，不需建基礎和安裝，卸車后連好管路即可再次投入使用。
下面結合附圖對本發明方法與裝置的實施例做進一步詳細的描述。
圖1是本發明天然氣膨脹冷析脫水方法與裝置的設備連接流程圖。
圖2(a)和(b)是本發明方法與裝置所依賴的核心設備——新型氣波制冷機的密封轉動盤在軸上的平衡式布置結構的兩種具體形式及相對應的氣波制冷機結構簡圖。
圖3是本發明方法與裝置所需要的注醇防凍設備——甲醇霧化噴射泵的一種適用結構形式，其噴液嘴在流道中的位置圖。
由圖1可知，帶壓天然氣先經預分離器(1)除去游離液滴和雜質，進入甲醇霧化噴射泵(2)，與噴射泵中噴液嘴噴出的霧滴態甲醇充分摻合，氣中的水分與醇結合生成不凍物質；混醇后的天然氣進入冷氣交換器(3)中預冷，溫度降至10～-20℃，再經中分離器(4)除去降溫后的析出液；然后天然氣通過過濾器5(a)或5(b)進入氣波制冷機(6)中膨脹制冷到-15～-60℃(視膨脹比而定)，再析出液由后分離器(7)分離脫除；冷干氣則返回至冷交換器(3)中，利用其冷量給來氣預冷，其自身升溫后外輸。外輸過程中，只要溫度不再低于裝置中的最冷值，就絕不會再有液相水——醇液析出積存于管道，更不會結凍。
從甲醇噴射泵(2)的流道不同部位處取壓孔取出的壓力經過閥門組的互連并流調節后通至承壓甲醇貯罐8(a)或8(b)的液面上部氣室，由于其壓力比噴液嘴外的流道喉部區的壓力高，故醇液在其壓差的推動下，由貯罐下部的出液管出來，經過濾器去雜質后，進入噴射泵，由噴液嘴噴出。
為防止通過裝置的氣流量大幅度增加而使噴射泵喉部的氣流壅塞(達到音速)，產生波阻壓降損失和尖嘯噪音，在噴射泵的入、出口并聯一閥門，隨流量超額而開大之。當來氣較干而需醇少時，還可通過開大此閥來大幅度地減少注醇量，以節省甲醇。具體用醇量可通過查醇——水濃度與對應的凝固點溫度圖表算出，取其凝固點溫度低于最低制冷溫度。
本發明方法和裝置所用的新型氣波制冷機的密封轉動盤在軸上的兩種無軸向力的布置結構如圖2(a)和(b)所示。其中(4)為旋轉射流分配器(也稱噴嘴盤)，(2)和(5)為兩組動密封(包括靜止盤和轉動盤)，其轉動盤固裝于軸上。圖(a)的旋轉射流分配器(4)居中，兩組密封轉動盤(2、5)置于分配器的兩側，密封轉動盤的內側端面，處于制冷機內膨脹制冷后通至出口的低壓區，兩端的外側端面則處于由軸縱孔連通來氣的機內高壓區；圖(b)則相反，射流分配器(4)居于軸的一端，兩組相臨的密封轉動盤(2、5)相對臨，其對臨側端面處于來氣高壓區，外側端面處于機外連通的機內低壓區。由于兩組密封轉動盤所受的壓差氣體力的大小幾乎相等、方向相反，從而抵消，故軸承幾乎不受軸向力。
對新型氣波制冷機的結構和制冷過程描述如下壓力氣體由機身入口(圖2(a)或(b))的(1)進入機內，從轉軸(7)空心段的端部(見圖2(a))或圓周壁開孔(見圖2(b))進到空心軸段而導入旋轉射流分配器(4)中，從其上的噴嘴口噴出的高速氣流依次輪流入射到按圓周排列的各接受管(6)中，按順序對各管內的潴流氣體做不定常膨脹功，通過在潴流氣中產生壓縮波和激波將功轉化成熱量，并通過管壁向外界散發；其后射流分配器噴嘴依次轉離各個管口，膨脹做功制冷后的氣體便依次從各接受管口返出到機內空腔，再從機身出口(3)流出。各接受管末端的激波吸收腔使接受管內的激波不返回到管口，提高制冷效率。
為本發明方法和裝置所研制的甲醇霧化噴射泵，其中一種適用的結構形式的噴液嘴(裝于噴嘴座)在流道中的安放位置和形狀如圖3所示。其中(1)為噴液嘴，(2)為噴液嘴座，其位置處于流道喉部稍前，居中對稱于流道軸線，氣流從其兩側流過，以使噴霧均勻；噴液嘴座的順氣流橫向剖面形狀為平鍵形，以減少氣流阻力和為相同形狀固定槽孔的加工提供方便。
本發明裝置的工作壓力由來流天然氣而定，應使來氣與輸氣壓力之比(絕壓比)大于1.7，以取得較低的制冷溫度，提高脫水凈度。當其比值遠大于4時，可考慮在裝置前節流降壓，以使裝置設備的耐壓等級降低，減少制造成本。
本發明裝置的天然氣處理量即流量的調節設施之一是在裝置的前處或者是在氣波制冷機(6)的入口處設置調節減壓閥，流過氣波制冷機的天然氣的體積流量基本恒定，但其質量流量幾乎隨入口壓力的降低而成比例減少。
裝置若實行橇裝化，其底座寬度不要超過2.5米，以便于運輸；設備排布要考慮連管和配重的要求，閥門位置應易于操作。
權利要求
1.一種用于天然氣脫水的方法，靠天然氣膨脹制冷降溫而使其中所含有的水分析出，再以氣液分離器分離之，在天然氣降溫之前先注入甲醇防凍，該方法的特征在于只利用天然氣自身的壓力能而不耗用其他的能量，通過天然氣的變截面流動各點壓力不同而形成的壓力差、或者用微節流產生壓力差做為注醇的動力，并實現醇液的霧化，天然氣的制冷降溫是通過一種非定常膨脹過程，即天然氣流對制冷機中的一根根末端封閉的管段中潴留的天然氣介質做周期性非穩定膨脹功，由潴留介質將功轉化成熱量向外界散發而實現的。
2.根據權利要求1所述的天然氣脫水方法，其特征在于天然氣在膨脹制冷降溫前先行預冷，其冷量出自于制冷后并分離掉水分的干天然氣，天然氣在預冷之后即進行氣液分離脫水，膨脹制冷以后也進行氣液分離脫水，并根據來氣含液、含雜質與否設置前分離。
3.一種實施權利要求1所述的天然氣脫水方法的天然氣脫水裝置，其特征在于該裝置是由甲醇霧化噴射泵(2)或是由微節流注醇器、氣波制冷機(6)、干——濕氣冷交換器(3)和氣液分離器、以及甲醇貯罐、雜質過濾器等設備，還有控制閥門等所組成，并具有天然氣流量和注醇量的調節設施。
4.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中的氣波制冷機(6)的轉軸上采用了軸向力平衡式密封轉動盤布置結構。
5.根據權利要求3或4所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中的氣波制冷機(6)的轉軸上的軸向力平衡式密封轉動盤布置結構的一種具體形式是旋轉射流分配器(噴嘴盤)(圖2(a)的(4))居中，兩側置兩組密封轉動盤(2、5)，其內側端面處于機中的低壓區。
6.根據權利要求3或4所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中的氣波制冷機(6)的轉軸上的軸向力平衡式密封轉動盤布置結構的另一種具體形式是旋轉射流分配器(噴嘴盤)居于軸的一端(圖2(b)的(4))，兩組密封轉動盤(2、5)相對臨，其對臨側端面處于機中的高壓區。
7.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置向天然氣中注醇的量的調節設施是在甲醇霧化噴射泵通氣流道的不同壓力部位處鉆數個取壓孔，各接上一個調節閥然后互連(若用微節流注醇器注醇則在其入、出口各接上一個調節閥然后互連)，其互連端通至承壓甲醇貯罐(8)的液面上。
8.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中用于注醇的甲醇霧化噴射泵(2)內裝有噴液嘴，噴液嘴裝于噴射泵流道喉部區，該噴射泵的通氣流道不拐彎，喉前流道漸縮、喉后流道漸擴。
9.根據權利要求3或8所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中用于注醇的甲醇霧化噴射泵的一種適用結構為噴液嘴連同噴嘴座的位置處于流道喉部稍前，居中對稱于流道軸線，氣流從其兩側流過，噴嘴座(圖3(2))的順氣流橫向剖面形狀為平鍵形。
10.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于用兩個甲醇貯罐時，以閥門開閉實現切換運行和脫離高壓，在常壓下補加料液。
11.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于典型實施例中在甲醇霧化噴射泵(2)的入、出口并接了一個防壅塞閥門。
12.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置中的冷交換器(3)的冷干氣入、出口管路上設置了開關和旁路閥門。
13.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于裝置的天然氣處理量即流量的調節設施之一是在裝置的前處或者是在氣波制冷機(6)的入口處設置調節減壓閥。
14.根據權利要求3所述的天然氣脫水裝置，其特征在于其中一種實施結構為橇裝式，將大部分或全部設備、閥門和管路固裝于一塊或幾塊由型鋼制成的底座上。
全文摘要
一種只以天然氣自身的壓力能為動力、通過非定常膨脹制冷、從天然氣中冷析分離水分而使其在輸送中不凍堵管道的方法與裝置。在制冷前以天然氣的流動壓差為動力向天然氣中注醇防凍，以氣液分離脫除冷析的水分，并回收脫水后干氣的冷量將來氣預冷。可實現無電運行和深度脫水，能使天然氣露點溫度低至-30℃以下。其裝置由為適合該方法而特別研制的諸設備所組成，易實現橇裝化。該方法與裝置可克服現有脫水方法與裝置的一些不足。
文檔編號C10L3/10GK1154262SQ9611502
公開日1997年7月16日 申請日期1996年1月12日 優先權日1996年1月12日
發明者方曜奇, 李洪安, 鄒久朋, 朱徹, 胡大鵬 申請人:大連理工大學