一种基于微波技术防治天然气水合物的节流阀

摘要

本发明属于管输天然气水合物防治领域，特指一种利用微波的热效应防治天然气水合物生成的节流阀；包括阀体、阀杆和阀瓣，阀体内设有阀腔，阀杆伸入到阀腔内，阀杆底端连接有阀瓣，阀杆顶端连接有手轮，信号检测/接收/反馈装置安装在阀杆上，位于手轮的下方，微波发射装置位于阀腔内，镶嵌在阀杆的底部、位于阀瓣上部，压力变送器及温度变送器安装在阀体出口处的管道上，为信号检测/接收/反馈装置提供压力及温度信号；信号检测/接收/反馈装置能够检测阀门启闭信号、接收并处理压力变送器及温度变送器输出的温压信号，信号检测/接收/反馈装置根据阀门启闭信号和温压信号，对微波发射器发出开启和关闭的指令，使水合物快速分解。

说明书

技术领域

本发明属于管输天然气水合物防治领域，这里特指一种利用微波的热效应防止天然气水合物生成的节流阀。

背景技术

管输天然气的水合物防治一直是天然气长距离运输过程中需要解决的难题，当前，由于天然气水合物的堵塞问题而引起的事故屡见不鲜，不仅造成了巨大的经济损失，而且对周围环境及周边居民的日常生活产生了不利的影响；如2009年12月西气东输二线西段投产之后，半年之内管道和场站出现了50多处冰堵，对管道的正常运行造成了很大的影响。

目前，现场实践中，管输天然气的水合物防治技术主要集中在气体集输前的深度脱水阶段，从根源上破坏水合物的生成条件，文章“长距离管输天然气水化物防止及天然气脱水工艺，2001，(4):56-60.”介绍了脱水技术对水合物生成的影响；然而，该方法对于前期深度脱水工艺的投资运行费用较大，往往不具有工业化实践意义；通过注入抑制剂的手段能够很好防止天然气水合物的生成，文章“天然气水合物及抑制剂的研究，2015，(3):98-99.”介绍了现阶段对于水合物抑制剂的研究情况，然而，该方法对于抑制剂的添加位置较难判定，且当前的研究表明，要达到较好的抑制效果，抑制剂的用量较大；总的来说，当前针对管输天然气水合物的防治并没有较为成熟的手段，然而，通过对当前众多管输天然气水合物堵塞的实际事故进行分析发现，最容易引起水合物堵塞的点往往集中在流速变化较大的节流阀处，基于此，亟需设计一种能耗低、经济效益高、针对性强的气体水合物防治装置。

发明内容

本发明的目的是针对天然气在节流阀节流后生成水合物堵塞管道的问题，采用微波加热技术，破坏天然气水合物的结晶条件，开发出一种基于微波技术防治天然气水合物的节流阀，其能够有效的防治管道节流过程中水合物的堵塞问题。

本发明提供了一种利用微波技术防止节流后天然气水合物生成的装置。其特征在于本发明由手轮、信号检测/接收/反馈装置、线路缠绕装置、阀杆螺母、阀杆、阀腔、微波发射装置、阀瓣、压力变送器、温度变送器和阀体组成，阀门的密封采用填料密封，且供电采用外部电源。本发明的最高设计压力取决于耐压玻璃的承压能力。工作压力可介于0MPa-30MPa，适合高压、中压、低压管道。

一种基于微波技术防治天然气水合物的节流阀，包括阀体、阀杆和阀瓣，阀体内设有阀腔，阀杆伸入到阀腔内，阀杆底端连接有阀瓣，阀杆顶端连接有手轮，其特征在于：还设有信号检测/接收/反馈装置、微波发射装置、压力变送器和温度变送器，信号检测/接收/反馈装置安装在阀杆上，位于手轮的下方，微波发射装置位于阀腔内，镶嵌在阀杆的底部、位于阀瓣上部，压力变送器及温度变送器安装在阀体出口处的管道上，为信号检测/接收/反馈装置提供压力及温度信号；信号检测/接收/反馈装置能够检测阀门启闭信号、接收并处理压力变送器及温度变送器输出的温压信号，信号检测/接收/反馈装置根据阀门启闭信号和温压信号，对微波发射器发出开启和关闭的指令，使水合物快速分解。

进一步地，信号检测/接收/反馈装置和微波发射装置固定在阀杆上，随阀杆一起转动。

进一步地，阀杆为中空结构，微波发射装置与信号检测/接收/反馈装置连接的信号线通过阀杆内部连接。

进一步地，信号检测/接收/反馈装置下方安装线路缠绕装置，线路缠绕装置固定在阀体顶端上，主要解决阀杆移动时的信号连接线路的缠绕问题。

进一步地，在阀腔的上方，阀杆与阀体之间的特定位置设有填料密封，确保整个装置的气密性。

进一步地，在线路缠绕装置的下方、阀体内部的上方与阀杆连接处设置阀杆螺母，主要解决在运行过程中咬死或生锈的问题；阀腔形状为圆柱型，并将节流处与气体出口连接处设置成半球形扩大，确保阀门开启、阀杆上移的过程中，微波发射器可以作用于节流处。

进一步地，所述微波发射装置由微波发射器、耐高压玻璃、微波装置保护板组成，微波发射器围绕阀杆成环绕状固定在阀杆末端，两两间隔90°排列，固定采用螺丝固定，确保阀杆转动过程中微波发射器可以作用到节流处，微波发射器外围设有耐高压玻璃，微波发射器上方安装有微波装置保护板，微波装置保护板固定在耐高压玻璃上侧。

本发明中，当阀门开启或关闭时，阀杆转动，连接在阀杆上的信号检测/接收/反馈装置接收到阀门启闭信号，进而触发微波发射器开启，发射微波，防止天然气水合物形成；当阀门开度达到工作要求后，阀杆停止转动，信号检测/接收/反馈装置检测到阀杆停止信号后，对微波发出中止指令，微波停止发射；阀门出口处的压力传感器与温度传感器将温压信号传输到信号检测/接收/反馈装置，在阀门正常工作的过程中，根据水合物生成的相平衡曲线图，当温压低于相平衡时，信号检测/接收/反馈装置发出指令，触发微波发射器开启，发射微波；当温压高于水合物的相平衡时，反馈的信号传输到信号检测/接收/反馈装置，信号检测/接收/反馈装置对微波发射器发出中止命令，微波停止发射，如图1所示。

本发明中的信号检测/接收/反馈装置固定在手轮下方的阀杆上，随阀杆一起转动，信号检测/接收/反馈装置下方安装线路缠绕装置，线路缠绕装置固定在阀体顶端的阀门上，主要解决阀杆移动时的线路缠绕问题；微波发射装置镶嵌在阀杆的底部、阀瓣的上部区域；阀腔节流处空间扩大，以确保阀杆在转动过程中，微波发射器能够作用到节流处；微波发射装置与信号检测/接收/反馈装置通过阀杆内部进行连接；压力变送器及温度变送器安装在阀门出口处的管道上，为信号检测/接收/反馈装置提供压力及温度信号，如图2所示。

微波发射装置如图3所示：其中微波发射装置是由微波发射器、耐高压玻璃、微波装置保护板组成，其中微波发射器采用纳米材料，数量为四个，围绕阀杆间隔90°排列，确保阀杆转动过程中微波发射器可以作用到节流处，微波频率采用2.45GHz，发射功率范围为50W-600W，最优的发射功率为190W；耐高压玻璃可以抵抗气流的冲击，保护内部的微波发射器，微波装置保护板是为了防止阀杆上移过程中微波发射器超出发射范围，且同样具有保护微波发射器的作用。

50w的发射功率是在阀门开启后，正常运行的条件下，当温压达到相平衡时的最低发射功率；而在阀门开启的过程中或者管道正常运行中，温压的变化巨大，由于微波功率越大，所作用的热量越大，即按照温压偏离水合物相平衡曲线的程度，微波的功率在不断发生变化；且从节能方面考虑，其最大激发发射功率设为600w，但当外部环境骤变导致水合物生成后，由于水合物具有自保护效应，当微波发射功率达到190w时，温度达到一个向下的尖峰，即此时气体的分解率是最大的，故190w的功率是水合物分解的最优的选择。

信号检测/接收/反馈装置：信号检测/接收/反馈装置具有检测阀门启闭信号、接收并处理压力变送器及温度变送器输出的信号、接收反馈信号、对微波发射器发出指令的作用，并且具有人工操作板，可以在现场对微波发射器进行开启、中止命令；信号检测/接收/反馈装置可以按照温度的变化，改变微波发射器的发射功率，其作用机理为：当管道正常运行时，压力保持不变，若温度降低，偏离相平衡的幅度越大，所激发的微波功率越强，达到相平衡时的微波发射功率为50W，最大激发发射功率为600W。

阀杆如图4所示：本发明中的阀杆与常用的普通阀杆不同，其内部做了空心处理，目的是将信号检测/接收/反馈装置与微波发射装置进行连接；并且，信号检测/接收/反馈装置与微波发射装置固定在阀杆上，随阀杆一起转动，这样可以增加整个装置的使用寿命，减少维修率。

本发明的显著优点在以下几个方面：

（1）微波可以使水合物快速分解，且具有热均匀性、速度快、时间短、能耗低，效率

高的优点。

（2）本装置中的微波发射功率可以随着温度的变化而变化，与传统的防治水合物生成

方法相比，可以实现自动化，减少人工操作。并且本装置使用方便，通用性强。具有灵活性高、无污染、对人体无害的优点。

（3）本装置阀杆内部进行了空心处理，将微波发射装置与信号检测/接收/反馈装置固

定为一个整体，且设置了线路缠绕装置，此设计可以解决阀杆在转动中对微波装置及信号检测/接收/反馈装置的损害，延长装置的使用寿命，并且便于检测与维修。

（4）本发明只受管道内气体的温压影响，对外界环境无要求。其可以方便的应用在天

然气管道输送、沼气净化等领域。

附图说明

图1是基于微波技术的节流阀原理图。

图2是基于微波技术的节流阀结构示意图。

1－手轮；2－信号检测/接收/反馈装置；3－线路缠绕装置；4－阀杆螺母；5－阀杆；6—阀腔；7－微波发射装置；8－阀瓣；9－压力变送器；10－温度变送器；14－阀体；15－填料密封。

图3是微波发射装置结构示意图。

5－阀杆；8－阀瓣；11－微波装置保护板；12－微波发射器；13－耐高压玻璃。

图4是阀杆结构示意图。

1－手轮；3－线路缠绕装置；5－阀杆；7－微波发射装置；8－阀瓣。

具体实施方式

如图2所示，本发明主要由手轮1、信号检测/接收/反馈装置2、线路缠绕装置3、阀杆螺母4、阀杆5、阀腔6、微波发射装置7、阀瓣8、压力变送器9、温度变送器10、阀体14组成。

其具体的实施方案如下：

（1）阀门启闭或温压低于水合物的相平衡时，信号检测/接收/反馈装置2检测到阀门启闭或温压低于水合物的相平衡的信号，通过转换传达到底部的微波发射器12。

（2）接到指令的微波发射器12进行微波发射，破坏天然气水合物的结晶成核，防止天然气水合物的形成，在此过程中微波发射器的功率随着温压的变化而变化。

（3）阀门下游的压力传感器9与温度传感器10将压力、温度数据传输到信号检测/接收/反馈装置2，信号检测/接收/反馈装置2对接收到的温压信息进行处理，并向微波发射器12发出指令。

（4）当温压高于水合物形成的相平衡时，信号检测/接收/反馈装置2对微波发射装置7发出中止命令，微波停止发射。

在出现特殊情况时，可以通过信号检测/接收/反馈装置2上的人工操作板在现场对微波发射器12进行开启、中止命令。