一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺的制作方法

本发明涉及化石能源开采技术领域，也可应用于石油、石化、空分行业的工艺气低温脱水、低温换热、余能回收、净化加工、开发储运等工业生产过程相关技术领域，特别是涉及一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺。

背景技术：

上述工业过程中均涉及需要处理大量的气态工作介质，其中绝大多数均在现代社会生产生活中扮演着十分重要的角色。天然气作为现有生产生活中重要的能源来源，比如在我国方兴未艾的页岩气以及其它非常规气藏，同石油一样埋藏在地下封闭的地质构造之中，其开采开发是人类对天然气进行合理利用的基础。通常在其开采过程中，由于密度及粘度小，膨胀系数大，开采时出气压力极高，多数情况下为数十兆帕，有时甚至高达80mpa，在其外输过程中，经节流降压后温度下降，可能会与伴生的水汽形成固体水合物，造成管道冻堵。为使开采出来的天然气体能够进行集输并且不会发生管线内结冰冻堵，流程一开始就需要设置防冻堵工艺装置(如：加热炉、注醇工艺装置或者管道伴热带)和节流降压装置，以便通过加热炉等设备对采出气补充热量预热到一定温度，然后才节流降压至适当的外输压力，以保障降压后管输介质的温度能保持在外输压力条件下的水合物形成温度以上，防止输送过程出现水合物引起的冻堵，平稳生产。

一般在井口天然气节流降压的过程中，节流前后产生较大的压差，现有技术中，以上压差没有得到利用，同时，还必须配设加热炉等防冻堵措施，造成了能源的双重浪费。另外需要消耗大量的能源才能脱除采出气中那部分带来多种不利因素的气态水以便从根本上减少湿气中的水分，湿气必须进行脱水工艺处理，达到国家规定的露点指标，确保露点在合理的水平，按传统的脱水工艺，一般需集中建造规模较大的脱水站（厂），占用相当多的土地。

技术实现要素：

针对上述现象，分析归纳梳理出下述几个问题：1、在高压湿气节流降压的环节，节流前后产生较大的压差，现有技术该压差（压力能）没有得到合理有效利用；2、额外消耗资源进行加热防止水合物冻堵；3、集中增压不可避免造成湿气集输；4、集中脱水不可避免造成湿气增压；5、现有技术膨胀机组自身固有设计属性所限，以接近绝热膨胀模式工作，温降过大导致其适应性和适用面不能完全满足各类复杂工况下的工艺要求；6、为使采出气水露点达标须配建大规模高耗能的集中脱水站（厂），设计负荷往往难以避免欠载和过载。针对上述种种不合理导致各种不协调不适应的技术问题，本发明开发的一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺能够良好利用高压湿气开采过程中自身具备的较高压力能，较为彻底的解决掉上述6大问题。该工艺特别适合用于相邻的高低两种压力的湿气气源集输工况，以利用高压流体输出的能量满足低压流体的增压输送和两者的露点降，从总体上达到降本增效。

本发明提供的一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺通过以下技术要点来解决问题：湿气压力能膨胀回收脱水工艺，包括膨胀机组单元（由两个并联的交替连续工作的单体组成模块）、膨胀机组机械能输出到输出端（液压马达）后再经变速齿轮箱输出机械能驱动输出端负荷；输气管；液压管；换热管；液压马达；所述输气管即工艺气管道，所述膨胀机组串联于工艺气管道上；所述液压管是膨胀机组串联于其上的传动液压管；所述换热管是膨胀机组并联其上的吸热换热管；所述液压马达是传动液压管输出机械能的压力能回收输出端。

具体的，所述工艺气管道的入口端用于传输压力较高的气源所输出的流体，这样，在来源于压力较高的气源的流体经过所述膨胀机组时，所述膨胀机组可将高压气源自身富裕压力能转换为机械能，所述机械能用于驱动其他负荷工作，这样，在对高压流体进行膨胀降压（而不是节流减压）的同时，所释放的压力能转化为机械能至适当的外输压力后余能回收，以实现不菲的节能效果。特别是在现有页岩气田开采中，当相邻两个平台井丛一个出气压力较大，如达到数十兆帕，另一个平台井丛出气压力较小时，采用本装置可利用高压井产出气膨胀转化来的机械能压缩低压井产出气，进行增压输送，回收转化来的机械能代替常规工艺低压井产出气增压输送过程中消耗的压缩机械能，与此同时，利用高压井产出气膨胀降压过程产生的冷量在液压缸内进行油气水三相分离，进而实现低温脱水而不消耗额外的能源，实现上述膨胀降压、压缩增压、低温脱水等过程的节能减排工艺优化。该系统不但能够良好回收高压气体分子间的压缩势能，还能回收高压气源膨胀过程中热运动速度低的气体分子固有的冷能，降低低压流体的温度促使其缩小体积有助于压缩或增压，提高增压效率，而且还能以分布式低温分离脱水工艺相当程度上取代集中建设脱水站而需消耗大量能源的常规工艺，进而采用干气集输工艺相当程度上取代存在一定隐患和浪费的湿气集输工艺，总体上延长气田集输管道的全生命周期、满足页岩气节约建设成本、降低运维费用，缩短工期的现实需求。

更进一步的技术方案为：

为使得膨胀机组所输出的能量能够具有其他用途，还包括齿轮箱，所述齿轮箱至少有一根输出轴，所述膨胀机组的机械能输出端与齿轮箱的输入轴相连，所回收能源可供油气田现场设备利用、并网或驱动负荷工作。

在膨胀机组入口压力不足以外输时，为使得齿轮箱能够获得另外的机械能以驱动其上的工艺气正常外输，所述齿轮箱的输入轴至少有两根，还包括与齿轮箱相连的燃气发动机或电动机，由于主体设备工作过程可逆性，即变液压马达为液压泵、为低温换热器追加一套余热制冷机（热泵除湿机）即可相应调整联结单元，使系统变为一种湿气增压压缩热回收脱水工艺（该工艺及对应模块已同时申报发明和实用新型专利）。

为使得工艺气管道中，膨胀机组后端的流体，即减压过后的流体能够利用经膨胀机组减压前的流体的热量，以减小或杜绝膨胀机组后端工艺气管道内流体在输送过程中产生过多水合物，还包括第一换热器，膨胀机组前端工艺气管道内的介质作为第一换热器的热流体，膨胀机组后端工艺气管道内的介质作为第一换热器的冷流体。作为本领域技术人员可在第一换热器中安装相应用于通过冷、热流体的管程或壳程，将对应接口串联在工艺气管道上即可。

作为一种可主动向工艺气管道内介质补入热量，以减小或杜绝在膨胀机组中生成水合物堵塞流体流通空间、在后续管道输送过程中生成水合物堵塞流体流通空间的方案，膨胀机组前端和后端的工艺气管道上均设置有用于加热工艺气管道内流体的换热装置。以上换热装置的热源，本方案优选经增压机组压缩的气体的热量，必要时也可来自于电能、燃气燃烧所产生的热量等。

电伴热带用于加热液压油提高其抗冻和溶解冰和水合物的能力，且防止低温气体将其凝固，并使缸内下部在热载体接管输入热量的共同作用下加热到较高的温度，以具备抵抗深度冷却冰晶凝结导致的冰粒和水合物颗粒板结的能力，并对可能聚集在液压缸底部的固态凝结物，起到加热消解避免其造成冻堵的作用，进而达到低温分离脱水的核心功效。

作为一种可对工艺气管道内流体进行除湿的技术方案，避免或减少水合物生成，所述膨胀机组后端工艺气管道内的流体开发后期均流经余热制冷机（热泵除湿机）。

作为具体的膨胀模块实现连续工作的方案，所述膨胀机组包括依次串联于工艺气管道中的两组或多组膨胀机组，交替进行吸气、膨胀、排气、吸气的循环。

所述模块单体均包括：压力容器本体、液压管、设置在压力容器本体内的两块管板、两端分别与不同管板固定连接的多根换热管，两块管板将压力容器本体内的空间分割为三个相互独立的腔体：两端的布液腔及中部的工作腔，所述换热管均穿过所述工作腔，且换热管作为两个布液腔的连通管；

所述液压管路回液管由压力容器本体的外部引入工作腔中，且回液管的出口管口位于工作腔的上部，带有扰流板加强换热；

还包括连接在压力容器本体上的两个气路接管，两个气路接管均与工作腔的上部相通；

还包括连接在压力容器本体上的液路接管，所述液路接管与工作腔的下部相通；

还包括连接在压力容器本体上的两个热载体介质接管，不同的热载体介质接管与不同的布液腔相通；

气路接管、液路管及热载体介质接管上均设置有自控编程单向阀；

所述膨胀机组中，各自两根气路接管分别作为膨胀机组串联于工艺气管道中的接头；

膨胀机组与负荷之间机械能的传递通过液压马达进行输出：膨胀机组的液路接管连接液压马达，所述液压马达带动齿轮箱输出到负荷或减速机构。

本方案提供的膨胀机组在用作膨胀单元时：流经所述换热管的流体作为热载体，以对工作腔进行加热，减小或杜绝工作腔中固态物质析出，即由其中一个布液腔的热载体介质接管中输入热流体，所述热流体在该布液腔中完成对多根换热管的布液，而后由多根换热管流经另一个布液腔汇集，再由对应的热载体介质接管中输出。而在工作腔中，工作腔中容置一定体积的液体，且保证液面位于气路接管位置以下，工艺气管道内的介质由其中一根气路接管补入工作腔并在工作腔内发生膨胀，此时工作腔内的内压可将工作腔底部蓄积的液体由液路接管中压出，通过液压马达转换为机械能。故本膨胀机组方案，在工作腔内可实现油气水三相分离，在达到降温降压目的的同时，工作腔亦可作为油气水低温分离器使用，此时的换热管用于吸收冷能，液路回液管用于向工作腔上部低温膨胀气循环工作液体，经绕流板（反冲挡板）以加大换热。同时，采用本方案提供的膨胀机组，由于可将工作腔设置得较大，则水合物对工作腔流通能力影响非常小，即本方案提供的膨胀机组对生成的少量水合物可随时加热消解，因而对其存在并不敏感。

本方案提供的膨胀机组独立单体具有在额定许用压力内既可作为膨胀机单体也可作为增压机单体的特点，在用作增压单元时，其主要流程刚好与上述膨胀单元互逆，互逆在于由液路接管对工作腔进行增压，则处于工作腔上部的气体可被压缩，此时的换热管用于吸收热能，降低低压原料气初温，提高增压效率的同时增加水汽凝结析出量，液路回液管用于向工作腔上部高温压缩气循环工作液体，经绕流板（反冲挡板）以加大换热，降低其温度，在达到增压目的的同时，工作腔亦可作为油气水三相分离器使用。

本发明具有以下6大有益效果：

其一，实现高压湿气膨胀降压，不仅取代高耗能的高压湿气常规加热节流减压工艺，还全部回收其可观的压力能，消除加热炉等明火点的同时，节省气田内部站场建设占地。

其二，高压气体经过所述膨胀单元时，将其压力余能转换为机械能、冷能直接回收利用，相当程度上取代常规消耗燃料加热节流工艺避免重复建设，达到降低工程造价，缩短建设周期的双重目的。

其三，高压流体进行多变膨胀过程压力大幅降至外输压力，产生较大温降，其所释放的冷能足以用于自身流体的低温气液分离，达到低成本脱水的目的，大幅削减常规脱水装置规模和能耗，乃至在相当程度上取代之，节约建设和运营成本。

其四，由于上述方式成本较低，宜采取分布式的布局，宜在气田内部脱水，从而实现干气集输，干气集输非常有利于气田内输管网及其附属设施的内腐蚀防护，保护内输管道系统不受潜在湿气侵蚀，气田内部集输系统全寿命周期显著延长，从而降低内输管道系统运维费用。

其五，本方案所述增压单体和膨胀单体结构相同，可互为通用，易于调整调度，故能大大提高设备利用率，同时由于缸内不存在摩擦元件和高速旋转元件，其额定膨胀比和压缩比可选范围大，故设备适应性和适用面能有效扩展。

其六，本方案在充分回收利用流体膨胀过程所产生的能源（机械能及冷能）取代常规加热节流减压，高耗能脱水工艺的基础上，为优化气田内输管道系统的压力级制，降低内输过程的水露点，提高过程能源综合利用率，实现节能减排建设绿色气田总体目标打造了一个具备巨大潜力可延伸可扩展富有弹性的开发基础平台。

附图说明

图1是本发明相关的一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺一个具体实施例的设备布置图；

图2是本发明所述的一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺一个具体实施例中，膨胀单体或增压单体的结构示意图。

图中的编号依次为：1、工艺气管道，2、换热装置，3、电伴热带，4、齿轮箱，5、第一换热器，6、发电机（可选发电电动机），7、绕流板（反冲挡板），8、燃气发动机，9、膨胀单体，10、脱出水排管，11、热泵除湿机，12、布液腔，13、管板，14、气路接管，15、换热管，16、回液管，17、液路接管，18、热载体介质接管，20、压力容器本体，21、液压马达，23,、热水循环泵。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图1和图2所示，一种湿气压力能膨胀回收脱水工艺，包括膨胀单元9及输气管，还包括连接在膨胀单元9机械能输出端上的液压马达及齿轮箱；

所述输气管包括工艺气管道1，所述膨胀单元9串联于工艺气管道1上。

具体的，所述工艺气管道1的入口端用于传输压力较高的气田所输出的流体，这样，在来源于压力较高的气田的流体经过所述膨胀单元9时，所述膨胀单元9可将压力能转换为机械能，所述机械能用于驱动液压马达工作，这样，在对高压流体进行减压的同时，所释放的压力能可回收，优选的可利用其增压低压流体的管道传输，达到良好利用天然气开采过程中的能量的目的。特别是在现有页岩气田开采中，当相邻两个井口出气压力一个较大，如达到数十兆帕，另一个井口出气压力较小，如小于或等于2兆帕时，采用本装置可利用高压井的输出的能量带动低压井产品流体的输送，节约低压井产气输送过程中所需要补入的能量，实现气田的绿色开发。

实施例2：

如图1和图2所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：为使得膨胀单元9所输出的能量能够具有其他用途，还包括齿轮箱4，所述齿轮箱4至少有一根输出轴，所述膨胀单元9的机械能输出端与齿轮箱4的输入轴相连，所述齿轮箱4上还连接有发电机6。本方案中，所述发电机6利用齿轮箱4输出的转矩发电，所得电力可供油田现场设备利用、并网或驱动抽水泵工作，将水输送到高处以储蓄势能，或直接生产压缩空气，注入岩洞、采空枯竭井等可靠储集空间进行储能，在需要电力的时候再将水的重力势能转换为电能。

在膨胀单元9不足于输出足够的机械能供其工作时，为使得齿轮箱4能够获得另外的机械能以驱动其上的负载正常工作，所述齿轮箱4的输入轴至少有两根，还包括与齿轮箱4相连的燃气发动机8或电动机6。

为使得工艺气管道1中，膨胀单元9后端的流体，即减压过后的流体能够利用经膨胀单元9减压前的流体的热量，以减小或杜绝膨胀单元9后端工艺气管道1内流体在输送过程中产生水合物，还包括第一换热器5，膨胀单元9前端工艺气管道1内的介质作为第一换热器5的热流体，膨胀单元9后端工艺气管道1内的介质作为第一换热器5的冷流体。作为本领域技术人员，以上工艺气管道1上的对应管段可直接作为第一换热器5中的相应冷、热流体管路，也可在第一换热器5中安装相应用于通过冷、热流体的管段，将对应管段串联在工艺气管道1上即可。

作为一种可主动向工艺气管道1内介质补入热量，以减小或杜绝在膨胀单元9中生成水合物堵塞流体流通空间、在后续管道输送过程中生成水合物堵塞流体流通空间的方案，膨胀单元9前端和后端的工艺气管道1上均设置有用于加热工艺气管道1内流体的换热装置2。本方案中，以上换热装置2的热源可来自于电能、燃气燃烧所产生的热量、经增压气体的热量等。

由于增压使对应流体被压缩做功后，如被压缩的流体增压数倍时，其温升可达到数百摄氏度，为合理利用所述温升，所述换热装置2的热源为增压后端的管内的流体。优选的，现有低压进口的出气压力可能在2兆帕左右，作为优选的增压方案，设置增压单体对流体压缩，以将流体增压至5倍压力以上，则所述换热装置2应用于增压前的流体，降低其入口温度这样有利于增压效率。

作为一种可对工艺气管道1内流体进行除湿的技术方案，避免或减少水合物生成，还包括热泵除湿机11，所述膨胀单元9后端工艺气管道1内的流体流经热泵除湿机11。

实施例3：

本实施例在以上任意一个实施例提供的任意一个技术方案的基础上作进一步限定：图2所示，所述膨胀单元9及增压单元均包括：压力容器本体20、回液管16、设置在压力容器本体20内的两块管板13、两端分别与不同管板13固定连接的多根换热管15，两块管板13将压力容器本体20内的空间分割为三个相互独立的腔体：两端的布液腔12及中部的工作腔，所述换热管15均穿过所述工作腔，且换热管15作为两个布液腔12的连通管；

所述回液管16由压力容器本体20的外部引入工作腔中，且回液管16的出口管口位于工作腔的上部；

还包括连接在压力容器本体20上的两个气路接管14，两个气路接管14均与工作腔的上部相通；

还包括连接在压力容器本体20上的液路接管17，所述液路接管17与工作腔的下部相通；

还包括连接在压力容器本体20上的两个热载体介质接管18，不同的热载体介质接管18与不同的布液腔12相通；

回液管16、气路接管14及液路接管17上均设置有单向阀；

所述膨胀单元9中，两根气路接管14作为膨胀单元9串联于工艺气管道1中的接头；

膨胀单元9与匹配负荷之间机械能的传递通过液压马达和齿轮箱进行转换：膨胀单元9的液路接管17连接液压马达，所述液压马达带动齿轮箱。

本方案提供的膨胀单体9方案中，该方案提供的结构可作为膨胀单体9也可作为增压单体，在作为膨胀单体9时：流经所述换热管15的流体作为热载体，以对工作腔进行加热，减小或杜绝工作腔中水合物生成，即由其中一个布液腔12的热载体介质接管18中输入热流体，所述热流体在该布液腔12中完成对多根换热管15的布液，而后由多根换热管15流经另一个布液腔12汇集，再由对应的热载体介质接管18中输出。而在工作腔中，工作腔中容置一定体积的液体，且保证液面位于气路接管14位置以下，工艺气管道1内的介质由其中一根气路接管14补入工作腔并在工作腔内发生膨胀，此时工作腔内的内压可将工作腔底部蓄积的液体由液路接管17中压出，通过液压马达转换为机械能。故本膨胀单体9方案，在工作腔内可实现气油水三相的分离，同时，采用本方案提供的膨胀单体9，由于可将工作腔设置得较大，则水合物对工作腔流通能力影响非常小，即本方案提供的膨胀单体9对生成的水合物并不敏感。在作为增压单体时，由液路接管17对工作腔进行增压，则处于工作腔上部的气体可被压缩，在达到增压目的的同时，工作腔亦可作为气液分离器使用，此时的换热管15用于吸收热能。以上回液管16用于向工作腔补充工作液体。

由于在作为增压单元时，为使得液压泵向增压单体工作腔补入的压力介质能够与换热管15内的冷流体充分热交换，优选设置为液压泵的出口与增压单体的回液管16连接。作为本领域技术人员，以上结构形式提供的增压单体和膨胀单体在工作时，工作腔内的压力控制由各自上回液管16、气路接管14及液路接管17上的单向阀的流通能力控制。

优选的，在以上参与循环的工质量增加时，如作为膨胀单体9时以上机构具有气液分离功能，此时所述工质的量回增加，此情况下可通过所述液路接管17进行排液，具体的排液方式可在液路接管17上连接相应的排液阀。或者可在压缩缸接管17以下的本体20上开口连接相应的带排液阀的脱出水排管10。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。