一种涡流管诱发激波水合物抑制装置
阅读说明：本技术 一种涡流管诱发激波水合物抑制装置 (Vortex tube induced shock wave hydrate inhibition device ) 是由 梁法春 曾庆港 陈婧 王思港 信灵棋 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种涡流管诱发激波水合物抑制装置,主要包括进气管、涡流管、回流管、热端出口管、冷端出口管、热管式换热器、鼓风机以及混合器。气井采出的高压天然气进入涡流管,在涡流室内发生强旋流运动,进而引发能量分离,形成冷、热双流体。热端管的热流体通过收缩渐阔管段持续加速变成超音速流体,进而扩张管段产生激波,使得温度、压力升高。部分高温高压流体回流到冷端管,与冷流体进行热交换,防止冷端发生冰堵。本装置将激波制热原理与涡流管能量分离原理相结合,以高压天然气作为工作动力源,无额外加热装置,节约环保、安全可靠。(The invention relates to a shock wave hydrate inhibition device induced by a vortex tube, which mainly comprises an air inlet pipe, a vortex tube, a return pipe, a hot end outlet pipe, a cold end outlet pipe, a heat pipe type heat exchanger, a blower and a mixer. High-pressure natural gas produced by a gas well enters a vortex tube and generates strong vortex motion in a vortex chamber, so that energy separation is initiated, and cold and hot double fluids are formed. The hot fluid of the hot end pipe is continuously accelerated to be changed into supersonic fluid through the contraction of the gradually widening pipe section, and then the expansion pipe section generates shock waves, so that the temperature and the pressure are increased. Part of high-temperature and high-pressure fluid flows back to the cold end pipe to exchange heat with the cold fluid, so that ice blockage at the cold end is prevented. The device combines the shock wave heating principle with the vortex tube energy separation principle, uses high-pressure natural gas as a working power source, has no additional heating device, saves energy, protects environment, and is safe and reliable.)
技术领域:
本发明公开一种涡流管诱发激波水合物抑制装置，特别是一种应用于防止高压天然气节流时发生冻堵的装置。
背景技术:
天然气从井口采出过程中，由于地层含有水分，故采出天然气中往往也具有一定含水，当含水天然气流过气井井口节流阀时，由于焦耳-汤姆森效应，会产生较大温降，达到水合物的形成条件时,会在管道中形成水合物，从而引起管线堵塞等问题，影响生产。因此，通常采用节流前加热等方法提高天然气的温度，以避免天然气水合物的形成。
目前传统的天然气节流装置由节流阀组、水合物抑制剂加注装置、加热器及相关仪表组成，通过加热器提前将天然气温度升高，同时添加水合物抑制剂，这样节流后的天然气即使载有较大的温降也不至于形成水合物堵塞管道。但是节流前加热、添加水合物抑制剂会消耗大量的热能和化学药剂，增加运行和维护成本。
因此，本发明提出一种涡流管诱发激波水合物抑制装置。涡流管是一个没有运动部件、结构简单的能量分离装置，压缩气体通过一个或多个喷嘴发生膨胀，沿切线方向进入涡流管，形成高速旋转的涡流体，涡流体在管内发生一系列传热传质作用，在管中心产生一股冷流，在外侧产生一股热流。由于涡流管内强烈的离心作用，中心的冷流气体为干燥气体，外侧高温气体则集中了涡流管效应(含节流效应)产生的所有液体。通过改变热端的控制阀，可以调节冷热气体的比例，从而实现不同的冷热分离温度。
激波是超音速气流在流经障碍物时，气流在障碍物前会受到一定程度的压缩，并且以波的形式前进的一种强压缩波。气体流经激波后气流参数会发生突跃，导致气体压强、温度、密度升高，流速下降。涡流管诱发激波的工作原理是涡流管热端气流通过收缩渐阔管段逐渐加速变成超音速流体，涡流管热端出口调节阀控制出口背压，在扩张管段产生激波，热气流经过激波后温度进一步升高，能够有效抑制下游管线天然气水合物的生成。
现有的涡流管大多数注重制冷效果，将涡流管用于天然气工业井口节流降压时，涡流管内部过大的温度降使天然气中的部分水蒸气凝结，导致涡流管冷端冻堵，且涡流管热端制热效果不佳，这是限制涡流管在天然气井口节流领域应用的重要因素。
因此，本发明将激波制热原理与涡流管能量分离原理相结合,提出一种涡流管诱发激波水合物抑制装置，能消除节流过程中产生的“冰堵”现象，且具有环保、节能等优点。
发明内容
：本发明涉及一种涡流管诱发激波水合物抑制装置，主要包括进气管、涡流管、回流管、热端出口管、冷端出口管、热管式换热器、混合器以及鼓风机，进气管上设有监控压力表，管内天然气通过高压进气口输入涡流管，涡流管两端分别为热端管和冷端管，热端管设有回流管和热端出口管，回流管的出口与回流进气口相连，热端出口管的出口与混合器相连；冷端出口管与热管式换热器的换热冷流进口连接，热管式换热器的换热冷流出口与混合器连接，鼓风机与热管式换热器的空气进口相连，热管式换热器的空气出口直接连通大气。
所述涡流管上设有高压进气口和回流进气口，涡流室内设有涡流发生器，涡流室一端与冷端管连接，另一端与热端管连接，所述的热端管内流道为收缩渐扩结构，收缩角2°～5°，扩张角为1°～5°。涡流发生器内设有若干个沿周向均匀分布的喷嘴。
所述热端管末端处设置有调节阀，回流进气口与交换室连通，交换室内冷端管进口初始段内壁上设有若干个通孔，所述通孔沿冷端管进口段管壁四周均匀分布，其直径大小为1mm～2mm。
所述热管式换热器的最外层为绝热壳体，挡板将内部空间划分为上层的冷流体腔和下方的热流体腔，若干个热管沿挡板依次竖直布置，通过固定螺栓固定在挡板上；环境空气经鼓风机增压后由空气进口流入下方腔内，从空气出口流出；冷端管出口冷气流由换热冷流进口流入上方腔内，吸收热管放出的热量升温后从换热冷流出口流出。
本发明具有如下有益效果：
(1)在气井井口采气管线上代替节流阀，不设或少设井口加热炉和水合物抑制剂加注装置，从而简化采气装置，实现安全高效生产；
(2)装置组成简单，具有生产和运行成本低、操作方便等优点；
(3)可以通过调节涡流管的数量改变采收天然气处理量，易于适应各种大小的气井；
(4)涡流管热端出口通过回流管与冷端交换室相连，回流气体在冷端进口初始段内壁形成热气流薄膜层，防止冷端管发生冰堵；
(5)收缩渐扩式涡流管的热端能够诱导激波产生，进一步强化制热效应，提高出口热流温度，能有效抑制天然气水合物的生成。
附图说明：
图1为本发明工艺流程图；
图2为涡流管结构示意图；
图3为涡流管多孔壁管的结构示意图；
图4为涡流管喷嘴的结构示意图；
图5为热管式换热器结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、进气管；2、涡流管；3、回流管；4、热端出口管；5、冷端出口管；6、热管式换热器；7、混合器；8、鼓风机；2-1、冷端管；2-2；回流进气口；2-3、交换室；2-4、高压进气口；2-5、涡流室；2-6、涡流发生器；2-7、通孔；2-8、热端管；2-9、调节阀；6-1、绝缘壳体；6-2、挡板；6-3、热管；6-4、固定螺栓；6-5、换热冷流进口；6-6、空气出口；6-7、换热冷流出口；6-8、空气进口；6-9、冷流体腔；6-10、热流体腔。
具体实施方式
:
如图1、2所示，本发明涉及一种涡流管诱发激波水合物抑制装置，主要包括进气管1、涡流管2、回流管3、热端出口管4、冷端出口管5、热管式换热器6、混合器7和鼓风机8。进气管1上设有监控压力表，管内天然气通过高压进气口2-4进入涡流管2，涡流管2两侧分别为热端管2-8和冷端管2-1，热端管2-8设有回流管3和热端出口管4，回流管3的出口与回流进气口2-2相连，热端出口管4的出口与混合器7相连。冷端出口管5与热管式换热器6的换热冷流进口6-5连接，热管式换热器6的换热冷流出口6-7与混合器7连接，鼓风机8与热管式换热器6的空气进口6-8相连，热管式换热器6的空气出口6-6直接连通大气。
如图2所示，所述涡流管2上设有高压进气口2-4和回流进气口2-2，涡流室2-5内设有涡流发生器2-6，涡流室2-5一端与冷端管2-1连接，另一端与热端管2-8连接。所述的热端管2-8内流道为收缩渐扩结构，收缩角2°～5°，扩张角为1°～5°。
热端管2-8末端处设置有调节阀2-9，回流进气口2-2与交换室2-3连通，交换室2-3内部的冷端管2-1进口初始段内壁上设有若干个通孔2-7。
如图3所示，所述通孔2-7沿冷端管进口段管壁四周均匀分布，其直径大小为1mm～2mm。
如图4所示，涡流发生器2-6内设有若干个沿周向均匀分布的喷嘴。
工作时，高压天然气从进气口2-4流经涡流发生器2-6时，高压气体通过数个喷嘴膨胀降温并加速，喷嘴出口的高速低温流体沿切向进入涡流室2-5形成高速旋流并逐步向热端管2-8流动。由于涡流管能量分离效应，在热端管2-8内流体分为两部分，一部分流体贴着管壁向热端出口流动，另一部分流体在压力梯度作用的驱使下，从涡流管中心区域由热端管2-8向冷端管2-1回流，并在这个过程与外侧流体进行动量和热量的传递，之后经孔板从冷端管2-1出口流出。热端管2-8出口的流体获得部分能量并升温，为热流体；冷端管2-1出口的流体失去一部分能量并降温，为冷流体。
涡流管2热端内流道设计成收缩渐扩式，热端出口调节阀2-9控制出口背压，在扩张管段产生激波，进一步强化制热效应，提高出口热流温度，能有效抑制下游天然气水合物的生成；冷端管2-1进口初始段设有若干个通孔2-7，回流管3内的热流体由回流进气口2-2输入交换室2-3，再经由通孔2-7在冷端管2-1初始段内壁形成热气流薄膜层，防止冷端管2-1发生冰堵。
如图5所示，所述热管式换热器6最外层为绝热壳体6-1，挡板6-2将内部空间划分为上层的冷流体腔6-9和下方的热流体腔6-10，若干个热管6-3沿挡板6-2依次竖直布置，通过固定螺栓6-4固定在挡板6-2上。工作时，环境空气经鼓风机增压后由空气进口6-8流入下方腔内，从空气出口6-6流出，热管6-3受热段吸收环境空气的热量，管内工质汽化为蒸汽上升至放热段，同时凝结为液体释放出汽化潜热，冷凝液体依靠重力作用回流到受热段。冷端管2-1出口冷气流由换热冷流进口6-5流入上方腔内，吸收热管放出的热量升温后从换热冷流出口6-7流出。
本发明工作原理说明如下：
如图1所示，上游气井采出的高压天然气通过进气管1进入涡流管2，高压天然气由于离心力作用在涡流室2-5内发生强旋流运动，进而引发能量分离，形成独立的中心冷流和外层热流；热流通过收缩渐阔管段逐渐加速变成超音速流体，涡流管热端出口调节阀2-9控制出口背压，在扩张管段产生激波，热气流经过激波压缩后温度、压力升高，一部分流体在压力梯度作用的驱使下，通过回流管3向冷端管2-1回流进入到交换室2-3内，热流通过冷端管2-1进口初始段上若干通孔2-7在其内壁形成热流薄膜层，防止冷端发生冰堵，大部分热流经由热端出口管4输送至混合器7，冷端出口气流首先进入热管式换热器6与鼓风机8吹出的环境空气进行温度交换，以提升温度，冷流升温后进入混合器7内与热流混合输送至下游管网。
本发明能够有效取代传统的天然气节流装置，控制节流过程天然气水合物的生成，实现安全高效生产。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：高压流体缓释装置