一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置及方法
1.本发明涉及天然气管道防冻堵技术领域，具体涉及一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置及方法。
背景技术：
2.在能源结构转型过程中，天然气将承担越来越重要的桥梁作用，推动天然气消费增长与产业发展是中国清洁能源体系建设的必由之路。但在天然气开采利用过程中，天然气中会含有水分，不利于天然气的使用和运输。
3.传统生产过程中对于天然气脱水防冻技术主要包含溶剂吸收法、固体吸附法等，溶剂吸收法本质是利用吸水能力强、吸收天然气能力弱的脱水溶剂，实现吸附塔气液传质与水分脱除；但整个脱水系统过于复杂，吸收剂易受损且再生能耗大，投资成本和运行成本高。固体吸附法的基本原理是利用干燥剂的吸收张力把天然气中的水分子吸收到干燥剂内孔而消除水分；但分子筛脱水设备的价格昂贵，且受压比限制，存在大量甲烷损失问题，所以经济性较差。
技术实现要素：
4.为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种综合利用缩放喷管与前台阶管道的天然气管道加热装置及方法，该装置利用气井的高压力天然气，通过缩放喷管来膨胀加速天然气，然后通过前台阶结构来加热天然气，防止井口处由于节流调压形成天然气水合物，从而避免管道冻堵，实现成本更低，更高效的天然气管道防冻。
5.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，该装置由天然气入口管道1、缩放喷管2、分离装置3、水汽收集装置4、前台阶管道5、渐缩喷管6、天然气出口管道7、分离式热管8和壳体9组成；
7.天然气气体通入入口管道1，入口管道1连接缩放喷管2一端；缩放喷管2另一端与分离装置3一端连接；分离装置3为弯管，弯管外壁面开有多个小孔，弯管外侧与水汽收集装置4连接；分离装置3另一端与前台阶管道5一端相连；前台阶管道5另一端与渐缩喷管6大开口端连接；渐缩喷管6的小开口端端与左出口管道7相连；最后出口管道7将天然气输送到下游的处理厂；分离式热管8位于缩放喷管2与前台阶管道5之间的位置；壳体9包裹着这个装置。
8.所述分离装置3位于缩放喷管2与前台阶管道5之间，分离装置3的弯管部分的外壁面与水汽收集装置4相连的部分开有多个小孔方便含水的天然气在弯道处通过离心力实现水汽分离，同时，在小孔处填充有高亲水性树脂材料，高亲水性树脂材料让水分通过，且能够防止天然气通过小孔散出，在弯管处能够高效分离天然气中的水汽。
9.所述高亲水性树脂材料为一种高聚合物，它能够快速吸收大量的水分，而阻隔其他物质通过，起到除水的作用，如聚丙烯酸盐、淀粉丙烯酸盐聚合物、淀粉-丙烯腈接技共聚
物或丙烯酰胺-丙烯腈-丙烯酸三元共聚物等。
10.所述分离式热管8位于缩放喷管2与前台阶管道5之间，分离式热管8中靠近前台阶管道5的一段热管中含有吸液芯形成热管蒸发段，吸液芯由毛细多孔材料构成；热管内部被抽成负压状态，充入沸点低、易挥发的液体工质；分离式热管8工作时管内液体工质流动，高马赫数天然气通过前台阶管道5产生了激波的同时产生了大量的热量，使含有吸液芯的那部分热管受热，吸液芯中的液体工质迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，将热量传递到缩放喷管2中，重新凝结成液体，液体再沿吸液芯靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，将前台阶管道5处的高热量部分传递给缩放喷管2中，防止缩放喷管2中出现冻堵现象。
11.所述毛细多孔材料为含一定数量孔洞的固体，本发明中毛细多孔材料是用陶瓷或玻璃等材料发泡制成。
12.所述沸点低、易挥发的液体工质可以用乙醚、乙醇、丙酮、石油醚或水等工质。
13.所述渐缩喷管6与出口管道7相连接，用于增大前台阶管道5加热除水后得到的天然气的压力。
14.首先通过缩放喷管2的作用将天然气加速到超高音速，经过分离装置3的处理将天然气通入前台阶管道5，在其中产生激波的同时温度得到激增，起到加热天然气的作用。
15.所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置的工作方法，包括以下步骤：
16.步骤1，将利用压力能释热的天然气管道防冻装置放置于空地上，然后将高压的天然气通过天然气入口管道1引入到减压加速的缩放喷管2中；经缩放喷管2将天然气加速到超高音速；
17.步骤2，分离装置3将天然气中的水蒸汽通过弯管处排出，然后被收集到水汽收集装置4中；天然气再通过前台阶管道5，超音速的天然气在前台阶管道5中形成激波，天然气经过激波时速度、压力明显降低，同时温度会得到大幅度提升；
18.步骤3，在前台阶喷管5与缩放喷管2之间放置分离式热管8，分离式热管8将前台阶喷管5产生的高温热量，传递给缩放喷管2，防止缩放喷管2由于减压加速致使温度过低导致缩放喷管发生冻堵；
19.步骤4，经过前台阶管道5之后的天然气进入渐缩喷管6，使天然气的压力得到恢复，最后通过天然气出口管道7将天然气输送到下游的处理厂，实现对天然气的高效低成本加热。
20.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
21.采用缩放喷管与前台阶管道组合的方式，使加热装置的结构更简单，降低了单位生产成本的钢材耗量，具有可靠性高、投资小等优势；采用分离装置利用弯管外侧的高亲水性树脂材料以及离心力的作用来除去天然气中的水分，结构简单紧凑；本发明中同时也应用了分离式热管，可以充分利用天然气自身的能量来防止天然气管道的冻堵，能量利用效率更高；本发明中同时还在装置末尾处采用了一个渐缩喷管，可以对处理过后的天然气起到增压的作用，有利于天然气在下游处理厂的利用。
附图说明
22.图1为本发明一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置示意图。
23.图2为本发明中分离装置中弯管外侧结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
25.如图1所示，本发明是一种利用压力能释热的天然气管道防冻的装置，该装置由天然气入口管道1、缩放喷管2、分离装置3、水汽收集装置4、前台阶管道5、渐缩喷管6、天然气出口管道7、分离式热管8、壳体9组成；气井的高压天然气气体通过天然气入口管道1通入缩放喷管2左端；缩放喷管2右端与分离装置3连接；分离装置3弯管外侧开有多个小孔与水汽收集装置4连接；分离装置3另一侧与前台阶管道5相连；前台阶管道5与左端的渐缩喷管6连接；渐缩喷管6的另一端然后与左端的天然气出口管道7相连；最后通过出口管道7将天然气输送到下游的处理厂；分离式热管8位于缩放喷管2下方与前台阶管道5上方之间的位置；壳体9包裹着整个装置。
26.如图1所示，分离式热管8中靠近前台阶5的一段热管中含有吸液芯，吸液芯是由毛细多孔材料如陶瓷或玻璃等材料发泡制成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，如乙醚、乙醇、丙酮、石油醚或水等工质，这种液体沸点低，容易挥发。分离式热管8工作时管内工质顺时针方向流动，高马赫数天然气通过前台阶管道5产生了激波同时产生了大量的热量，使含有吸液芯的那部分热管受热，吸液芯中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，将热量传递到缩放喷管2中，重新凝结成液体，液体再沿吸液芯靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这样做可以防止缩放喷管2中由于气体膨胀加速，导致温度降低，使天然气管道出现冻堵现象。
27.如图2所示，分离装置3的弯管部分的外壁面与水汽收集装置4相连的部分开有多个小孔方便含水的天然气在弯道处通过离心力实现水汽分离，同时，在小孔处填充有高亲水性树脂材料如聚丙烯酸盐、淀粉丙烯酸盐聚合物、淀粉-丙烯腈接技共聚物或丙烯酰胺-丙烯腈-丙烯酸三元共聚物等，高亲水性树脂材料让水分通过，且能够防止天然气通过小孔散出，在弯管处能够高效分离天然气中的水汽。
28.实施例：井口天然气管道的加热防冻堵：
29.(1)如图1所示，将利用压力能释热的天然气管道防冻装置放置于开阔地面上，将气井中高压的天然气通过天然气入口管道1引入到减压加速的缩放喷管2中；通过缩放喷管2将天然气加速到超高音速，经过分离装置3将天然气中的水蒸汽排出，并收集到水汽收集装置4中；
30.(2)如图1所示，通过分离装置3流出的天然气再通过前台阶管道5，超音速的天然气在前台阶中可以形成激波，天然气经过激波时速度、压力明显降低，同时温度会得到大幅度提升；经过前台阶管道5之后的气体进入渐缩喷管6，使天然气的压力得到恢复，最后通过出口管道7将天然气输送到下游的处理厂；
31.(3)如图1所示，在前台阶喷管5与缩放喷管2之间放置分离式热管8，它可以将前台阶喷管5产生的高温热量，传递给缩放喷管2，防止缩放喷管2由于减压增速致使温度过低导致天然气管道发生冻堵。
技术特征：
1.一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：该装置由天然气入口管道(1)、缩放喷管(2)、分离装置(3)、水汽收集装置(4)、前台阶管道(5)、渐缩喷管(6)、天然气出口管道(7)、分离式热管(8)和壳体(9)组成；天然气气体通入入口管道(1)，入口管道(1)连接缩放喷管(2)一端；缩放喷管(2)另一端与分离装置(3)一端连接；分离装置(3)为弯管，弯管外壁面开有多个小孔，弯管外侧与水汽收集装置(4)连接；分离装置(3)另一端与前台阶管道(5)一端相连；前台阶管道(5)另一端与渐缩喷管(6)大开口端连接；渐缩喷管(6)的小开口端端与左出口管道(7)相连；最后出口管道(7)将天然气输送到下游的处理厂；分离式热管(8)位于缩放喷管(2)与前台阶管道(5)之间的位置；壳体(9)包裹着这个装置。2.根据权利要求1所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：所述分离装置(3)位于缩放喷管(2)与前台阶管道(5)之间，分离装置(3)的弯管部分的外壁面与水汽收集装置(4)相连的部分开有多个小孔方便含水的天然气在弯道处通过离心力实现水汽分离，同时，在小孔处填充有高亲水性树脂材料，高亲水性树脂材料让水分通过，且能够防止天然气通过小孔散出，在弯管处能够高效分离天然气中的水汽。3.根据权利要求2所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：所述高亲水性树脂材料为聚丙烯酸盐、淀粉丙烯酸盐聚合物、淀粉-丙烯腈接技共聚物或丙烯酰胺-丙烯腈-丙烯酸三元共聚物。4.根据权利要求1所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：分离式热管(8)位于缩放喷管(2)与前台阶管道(5)之间，分离式热管(8)中靠近前台阶管道(5)的一段热管中含有吸液芯形成热管蒸发段，吸液芯由毛细多孔材料构成；热管内部被抽成负压状态，充入沸点低、易挥发的液体工质；分离式热管(8)工作时管内液体工质流动，高马赫数天然气通过前台阶管道(5)产生了激波的同时产生了大量的热量，使含有吸液芯的那部分热管受热，吸液芯中的液体工质迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，将热量传递到缩放喷管(2)中，重新凝结成液体，液体再沿吸液芯靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，将前台阶管道(5)处的高热量部分传递给缩放喷管(2)中，防止缩放喷管(2)中出现冻堵现象。5.根据权利要求4所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：所述毛细多孔材料为含一定数量孔洞的固体，是用陶瓷或玻璃材料发泡制成。6.根据权利要求4所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：所述沸点低、易挥发的液体工质采用乙醚、乙醇、丙酮、石油醚或水。7.根据权利要求1所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：渐缩喷管(6)与出口管道(7)相连接，用于增大前台阶管道(5)加热除水后得到的天然气的压力。8.根据权利要求1所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置，其特征在于：首先通过缩放喷管(2)的作用将天然气加速到超高音速，经过分离装置(3)的处理将天然气通入前台阶管道(5)，在其中产生激波的同时温度得到激增，起到加热天然气的作用。9.权利要求1至8任一项所述的一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，将利用压力能释热的天然气管道防冻装置放置于空地上，然后将高压的天然气
通过天然气入口管道(1)引入到减压加速的缩放喷管(2)中；经缩放喷管(2)将天然气加速到超高音速；步骤2，分离装置(3)将天然气中的水蒸汽通过弯管处排出，然后被收集到水汽收集装置(4)中；天然气再通过前台阶管道(5)，超音速的天然气在前台阶管道(5)中形成激波，天然气经过激波时速度、压力明显降低，同时温度会得到大幅度提升；步骤3，在前台阶喷管(5)与缩放喷管(2)之间放置分离式热管(8)，分离式热管(8)将前台阶喷管(5)产生的高温热量，传递给缩放喷管(2)，防止缩放喷管(2)由于减压加速致使温度过低导致缩放喷管发生冻堵；步骤4，经过前台阶管道(5)之后的天然气进入渐缩喷管(6)，使天然气的压力得到恢复，最后通过天然气出口管道(7)将天然气输送到下游的处理厂，实现对天然气的高效低成本加热。
技术总结
一种利用压力能释热的天然气管道防冻装置及方法，该装置由天然气入口管道、缩放喷管、分离装置、水汽收集装置、前台阶管道、渐缩喷管、天然气出口管道、分离式热管和壳体组成；将该装置放置于开阔地面上，从入口管道通入气井的天然气，利用天然气高压力，经过缩放喷管与前台阶管道的综合利用可实现天然气管道加热与防冻。本发明通过利用天然气高压力，得到高速的天然气，采用减速增温的方式使天然气产生大量热量，相较于传统的天然气防冻方法，实现成本更低，更高效的管道防冻，并减小设备占用空间、节约材料。节约材料。节约材料。
