一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng),屬于熱泵加熱【技術領域】；該系統(tǒng)包括膨脹機、發(fā)電機、熱泵機組、電動機、空氣預熱器、再熱器、調壓閥、分離器、節(jié)流閥；所述天然氣從天然氣氣井收集后，天然氣氣井與分離器通過調壓閥連接，分離器設有節(jié)流閥，通過節(jié)流閥可排出分離器分離出的油水混合物；分離器與膨脹機相連，膨脹機與空氣預熱器相連，空氣預熱器與再熱器相連；本系統(tǒng)不需要額外的能量供應：膨脹機發(fā)電機組將高壓天然氣的壓力能轉換成電能，這部分電能再驅動熱泵機組運轉，剩余電能還可用于其它設備用能或并網外輸；不涉及天然氣燃燒設備，綠色環(huán)保、易于操作、適用范圍廣。
【專利說明】一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系 統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本實用新型是涉及一種節(jié)能型的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，屬于熱泵加熱技術領 域，尤其涉及一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 天然氣在采集過程中，一般地下壓力較高（達20MPa以上），為了節(jié)省投資及安全 生產，需要對井下天然氣進行節(jié)流降壓，然后再進行地面集輸、預處理等生產過程。天然氣 從氣井采出后，在流經節(jié)流元件時，由于節(jié)流作用會使氣體壓力降低、體積膨脹、溫度急劇 下降，以至于使管線內部天然氣中的水分形成氣體水合物或凝析出來凍結成冰，造成管線 堵塞。為防止水合物或冰堵的生成，目前國內外通常采用的井場天然氣集輸工藝流程有兩 種：（1)在井口利用加熱爐（燃燒部分天然氣）來加熱天然氣；（2)向天然氣中噴注防凍抑 制劑（如甲醇）。這兩種工藝的能量消耗主要集中在氣體節(jié)流過程中的壓力能損失和氣體 加熱過程中的熱能消耗，尤其對于常溫分離工藝，經過加熱后的天然氣必須達到60°C左右 才能進入分離器。如果能充分利用在節(jié)流過程中損失掉的壓力能，同時節(jié)約額外消耗的熱 能，則不僅可以產生巨大的經濟效益，而且可以消除天然氣燃燒所引起的環(huán)境污染。
[0003] 在公開的文獻資料中，井場天然氣集輸工藝中的節(jié)能技術應用較少，主要有兩種： (1)井口天然氣壓能發(fā)電系統(tǒng)，利用天然氣壓能直接推動特制膨脹機做功，帶動發(fā)動機發(fā) 電；（2)井下節(jié)流工藝，將節(jié)流器安裝于井下油管的適當位置，在實現(xiàn)井筒節(jié)流降壓的同時 利用地溫與節(jié)流后天然氣之間的溫差對節(jié)流后的天然氣流加熱，以防止水合物的形成。上 述兩種方法，無法同時使用在一種天然氣集輸工藝中，并且仍然需要加熱爐的加熱才能使 天然氣達到所需的常溫分離或集輸溫度。
【發(fā)明內容】
[0004] 針對目前現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型的目的在于提出了一種基于壓力能發(fā) 電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，該系統(tǒng)復合了膨脹機發(fā)電機組和熱泵系統(tǒng)兩種 節(jié)能技術的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，不僅充分利用井口天然氣的壓力能進行發(fā)電，而且 利用膨脹降溫后的天然氣與環(huán)境間的溫差使天然氣從環(huán)境中吸收一部分熱量使其溫度得 到部分恢復，同時，將壓力能膨脹機發(fā)電機組產生的電能用來驅動熱泵系統(tǒng)，熱泵產生的高 品位熱能代替了傳統(tǒng)加熱爐對天然氣加熱，節(jié)約了大量的能源。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案為一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱 的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，其利用膨脹機-發(fā)電機聯(lián)合機組將高壓天然氣的壓力能轉變 成電能，同時使天然氣的壓力降至外送集輸管道所需的壓力；從膨脹機中降壓后的低溫天 然氣，先通過空氣預熱器從環(huán)境中吸收部分熱量得到預熱，然后再進入熱泵機組（可以是 地源熱泵、空氣源熱泵或是水源熱泵）系統(tǒng)將降壓后的天然氣加熱到外送集輸管道所需的 溫度；熱泵機組由膨脹機-發(fā)電機聯(lián)合機組所產生的電力驅動，不需要外部供電。
[0006] -種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括膨脹 機、發(fā)電機、熱泵機組、電動機、空氣預熱器、再熱器、調壓閥、分離器、節(jié)流閥；所述天然氣從 天然氣氣井收集后，天然氣氣井與分離器通過調壓閥連接，分離器設有節(jié)流閥，通過節(jié)流閥 可排出分離器分離出的油水混合物；分離器與膨脹機相連，膨脹機與空氣預熱器相連，空氣 預熱器與再熱器相連；其中，發(fā)電機、電動機、熱泵機組依次相連，共同組成本系統(tǒng)的發(fā)電加 熱系統(tǒng)；所述膨脹機與發(fā)電機相連；熱泵機組與再熱器相連，并通過工質與低溫天然氣進 行熱交換。
[0007] 該系統(tǒng)的工作過程如下，天然氣從各天然氣氣井收集后經輸運管線送至調壓閥， 經過調壓閥調壓，再進入分離器進行油-水-固體顆粒-氣分離；分離出的油水混合物從排 污管線經節(jié)流閥排出分離器，而初步脫水、脫油、脫固體顆粒后的天然氣被送入膨脹機，驅 動膨脹機旋轉并帶動與膨脹機相聯(lián)的發(fā)電機電；發(fā)出的電能一部分被輸送到電動機用于驅 動熱泵系統(tǒng)，另一部分進入供電電網或用于天然氣系統(tǒng)的其它電力供應。從膨脹機排出的 天然氣經過絕熱膨脹后，壓力降至外送集輸管道所需的壓力，溫度急劇下降（下降幅度與 膨脹機的膨脹比，也即進出口壓力比有關，膨脹比越大，溫度下降幅度也就越大）且遠遠低 于環(huán)境溫度；將從膨脹機膨脹做功后的低溫天然氣送入過空氣預熱器從環(huán)境中吸收熱量， 溫度得到第一次被恢復；經過空氣預熱器后的溫度得到初步恢復的天然氣再被送入再熱 器，由膨脹機-發(fā)電機聯(lián)合機組產生的電力驅動的熱泵系統(tǒng)中的工質進行加熱，使其溫度 第二次被恢復至集輸管道所需的溫度。
[0008] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下有益效果。
[0009] 1、將膨脹機-發(fā)電機機組、空氣預熱器和熱泵機組集合成一個能量自給系統(tǒng)，在 將天然氣壓力降低到集輸系統(tǒng)所需壓力的同時，將其溫度恢復到所需的溫度；
[0010] 2、不需要天然氣井口加熱爐，也不需要添加任何藥劑，節(jié)省了大量能源；
[0011] 3、利用井口天然氣余壓發(fā)電驅動熱泵系統(tǒng)，不需要其他能量的輸入；
[0012] 4、將空氣預熱器與膨脹機相結合，借助環(huán)境加熱效應使排出膨脹機的低溫天然氣 的溫度得到部分恢復。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1是節(jié)能型天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)示意圖；
[0014] 圖中，-實線表示天然氣管線；
[0015] ...................虛線表示分離器排污管線；
[0016] --雙線表示動力和電力輸出線；
[0017] -----點劃線表示熱泵系統(tǒng)循環(huán)工質。
[0018] 1-天然氣井口；2-調壓閥；3-分離器；4-節(jié)流閥；5-膨脹機；6-發(fā)電機；7-電動 機；8-熱泵系統(tǒng)；9-空氣預熱器；10-再熱器。
【具體實施方式】
[0019] 以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0020] 如圖1所示，一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括膨脹機5、發(fā)電機6、熱泵機組8、電動機7、空氣預熱器9、再熱器10、調壓閥2、分離 器3、節(jié)流閥4 ;所述天然氣從天然氣氣井1收集后，天然氣氣井1與分離器3通過調壓閥2 連接，分離器3設有節(jié)流閥4,通過節(jié)流閥4可排出分離器3分離出的油水混合物；分離器3 與膨脹機5相連，膨脹機5與空氣預熱器9相連，空氣預熱器9與再熱器10相連；其中，發(fā) 電機6、電動機7、熱泵機組8依次相連，共同組成本系統(tǒng)的發(fā)電加熱系統(tǒng)；所述膨脹機5與 發(fā)電機6相連；熱泵機組8與再熱器10相連，并通過工質與低溫天然氣進行熱交換。
[0021] 該系統(tǒng)的工作過程如下，天然氣從各天然氣氣井1收集后經輸運管線送至調壓閥 2,經過調壓閥2調壓，再進入分離器3進行油-水-固體顆粒-氣分離；分離出的油水混合 物從排污管線經節(jié)流閥4排出分離器3,而初步脫水、脫油、脫固體顆粒后的天然氣被送入 膨脹機5,驅動膨脹機5旋轉并帶動與膨脹機相聯(lián)的發(fā)電機6發(fā)電；發(fā)出的電能一部分被輸 送到電動機7用于驅動熱泵系統(tǒng)8,另一部分進入供電電網或用于天然氣系統(tǒng)的其它電力 供應。從膨脹機5排出的天然氣經過絕熱膨脹后，壓力降至外送集輸管道所需的壓力，溫度 急劇下降（下降幅度與膨脹機的膨脹比，也即進出口壓力比有關，膨脹比越大，溫度下降幅 度也就越大）且遠遠低于環(huán)境溫度；將從膨脹機5膨脹做功后的低溫天然氣送入過空氣預 熱器9從環(huán)境中吸收熱量，溫度得到第一次被恢復；經過空氣預熱器9后的溫度得到初步恢 復的天然氣再被送入再熱器10,由膨脹機-發(fā)電機聯(lián)合機組產生的電力驅動的熱泵系統(tǒng)8 中的工質進行加熱，使其溫度第二次被恢復至集輸管道所需的溫度。
[0022] 實施例
[0023] 結合某油田某井場的天然氣狀態(tài)參數，對本實用新型的技術方案做詳細描述，同 時驗證它的可行性。
[0024]
【權利要求】
1. 一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng) 包括膨脹機（5)、發(fā)電機（6)、熱泵機組（8)、電動機（7)、空氣預熱器（9)、再熱器（10)、調壓 閥（2)、分離器（3)、節(jié)流閥（4);所述天然氣從天然氣氣井（1)收集后，天然氣氣井（1)與分 離器（3)通過調壓閥（2)連接，分離器（3)設有節(jié)流閥（4)，通過節(jié)流閥（4)可排出分離器 (3)分離出的油水混合物；分離器（3)與膨脹機（5)相連，膨脹機（5)與空氣預熱器（9)相 連，空氣預熱器（9)與再熱器（10)相連；其中，發(fā)電機（6)、電動機（7)、熱泵機組⑶依次 相連，共同組成本系統(tǒng)的發(fā)電加熱系統(tǒng)；所述膨脹機（5)與發(fā)電機（6)相連；熱泵機組（8) 與再熱器（10)相連，并通過工質與低溫天然氣進行熱交換。
2. 根據權利要求1所述的一種基于壓力能發(fā)電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節(jié)流系 統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)的工作過程如下，天然氣從各天然氣氣井（1)收集后經輸運管線送 至調壓閥（2)，經過調壓閥（2)調壓，再進入分離器（3)進行油-水-固體顆粒-氣分離； 分離出的油水混合物從排污管線經節(jié)流閥（4)排出分離器（3)，而初步脫水、脫油、脫固體 顆粒后的天然氣被送入膨脹機（5)，驅動膨脹機（5)旋轉并帶動與膨脹機相聯(lián)的發(fā)電機（6) 發(fā)電；發(fā)出的電能一部分被輸送到電動機（7)用于驅動熱泵系統(tǒng)（8)，另一部分進入供電電 網或用于天然氣系統(tǒng)的其它電力供應；從膨脹機（5)排出的天然氣經過絕熱膨脹后，壓力 降至外送集輸管道所需的壓力，溫度急劇下降且遠遠低于環(huán)境溫度；將從膨脹機（5)膨脹 做功后的低溫天然氣送入過空氣預熱器（9)從環(huán)境中吸收熱量，溫度得到第一次被恢復； 經過空氣預熱器（9)后的溫度得到初步恢復的天然氣再被送入再熱器（10)，由膨脹機-發(fā) 電機聯(lián)合機組產生的電力驅動的熱泵系統(tǒng)（8)中的工質進行加熱，使其溫度第二次被恢復 至集輸管道所需的溫度。
【文檔編號】E21B36/00GK204082093SQ201420360034
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權日:2014年7月1日
【發(fā)明者】劉中良, 李艷霞, 劉寧 申請人:北京工業(yè)大學