[實用新型]一種基于壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統

有效

• 申請號: 201420360034.7
• 申請日: 2014-07-01
• 公開（公告）號: CN204082093U
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 劉中良;李艷霞;劉寧
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: E21B36/00
• 分類號: E21B36/00;F01K25/08;F01K15/00;E21B43/34;F25B30/00;F17D1/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本實用新型是涉及一種節能型的天然氣井口加熱節流系統，屬于熱泵加熱技術領域，尤其涉及一種基于壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統。

背景技術

天然氣在采集過程中，一般地下壓力較高(達20MPa以上)，為了節省投資及安全生產，需要對井下天然氣進行節流降壓，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，在流經節流元件時，由于節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℃左右才能進入分離器。如果能充分利用在節流過程中損失掉的壓力能，同時節約額外消耗的熱能，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境污染。

在公開的文獻資料中，井場天然氣集輸工藝中的節能技術應用較少，主要有兩種：(1)井口天然氣壓能發電系統，利用天然氣壓能直接推動特制膨脹機做功，帶動發動機發電；(2)井下節流工藝，將節流器安裝于井下油管的適當位置，在實現井筒節流降壓的同時利用地溫與節流后天然氣之間的溫差對節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。

發明內容

針對目前現有技術存在的不足，本實用新型的目的在于提出了一種基于壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統，該系統復合了膨脹機發電機組和熱泵系統兩種節能技術的天然氣井口加熱節流系統，不僅充分利用井口天然氣的壓力能進行發電，而且利用膨脹降溫后的天然氣與環境間的溫差使天然氣從環境中吸收一部分熱量使其溫度得到部分恢復，同時，將壓力能膨脹機發電機組產生的電能用來驅動熱泵系統，熱泵產生的高品位熱能代替了傳統加熱爐對天然氣加熱，節約了大量的能源。

為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案為一種基于壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統，其利用膨脹機-發電機聯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-發電機聯合機組所產生的電力驅動，不需要外部供電。

一種基于壓力能發電和熱泵加熱的天然氣井口加熱節流系統，該系統包括膨脹機、發電機、熱泵機組、電動機、空氣預熱器、再熱器、調壓閥、分離器、節流閥；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，分離器設有節流閥，通過節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，發電機、電動機、熱泵機組依次相連，共同組成本系統的發電加熱系統；所述膨脹機與發電機相連；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。

該系統的工作過程如下，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的發電機電；發出的電能一部分被輸送到電動機用于驅動熱泵系統，另一部分進入供電電網或用于天然氣系統的其它電力供應。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-發電機聯合機組產生的電力驅動的熱泵系統中的工質進行加熱，使其溫度第二次被恢復至集輸管道所需的溫度。

與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果。

1、將膨脹機-發電機機組、空氣預熱器和熱泵機組集合成一個能量自給系統，在將天然氣壓力降低到集輸系統所需壓力的同時，將其溫度恢復到所需的溫度；