摘要：為了避免天然氣在輸送過程中形成天然氣水合物而造成管線堵塞，在管輸前必須對天然氣進(jìn)行油、氣、水的分離處理，使天然氣的水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)能符合管輸要求。柴達(dá)木盆地南八仙油氣田中淺層天然氣處理采用了加拿大進(jìn)口橇裝天然氣處理裝置，該裝置具有自動(dòng)化程度高、易于操作、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，能有效地對天然氣進(jìn)行油、氣、水的分離。為此，詳細(xì)介紹了該天然氣處理技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況對處理系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化，保證了處理系統(tǒng)的安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：南八仙油氣田；中淺層天然氣；處理裝置；液態(tài)烴；溫度控制；參數(shù)優(yōu)化

    柴達(dá)木盆南八仙油氣田具有中、深層兩套氣藏，其中中層氣藏地質(zhì)儲量為70.2×10⁸m³，可采儲量39.3×10⁸m^3[1]，有生產(chǎn)氣井15口，年生產(chǎn)天然氣能力1.2×10⁸m³。地層壓力系數(shù)為1.04，天然氣中凝析油含量為9～20g/m³，不含H₂S(天然氣組分見表1)。

    天然氣從井口噴出后，為了避免攜帶出的地層水和少量原油在節(jié)流處形磊天然氣水合物堵塞管線^[2]，采用加熱爐加熱，提高天然氣的溫度，加熱后天然氣經(jīng)過匯管后進(jìn)入一級分離器進(jìn)行初次分離，分離出部分液體及可能產(chǎn)出的砂，然后進(jìn)入二級分離器再次分離出氣體中攜帶的液體。為了進(jìn)一步降低天然氣中的液相，在天然氣處理裝置中注入乙二醇以除去霧態(tài)的水，然后通過低溫分離器在-15℃下凝析出天然氣中的重質(zhì)組分，經(jīng)處理后的天然氣再進(jìn)入管線外輸^[3](見圖1)。

 

    該裝置最顯著的技術(shù)特點(diǎn)是通過丙烷輔助制冷以降低來氣溫度。該裝置由5大系統(tǒng)組成：天然氣流通系統(tǒng)、丙烷輔助制冷系統(tǒng)、乙二醇循環(huán)利用系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、液態(tài)烴回收系統(tǒng)。

    天然氣從二級分離器流出后進(jìn)入中壓天然氣處理裝置，和注入的乙二醇進(jìn)行混合，以吸收天然氣中霧態(tài)的水，防止其在低溫狀態(tài)下與天然氣結(jié)合形成天然水合物而凍堵管線，然后經(jīng)節(jié)流閥和低溫丙烷進(jìn)行熱交換后進(jìn)入低溫分離器，分離器溫度為-15℃，在該溫度下天然氣中的重質(zhì)組分開始凝結(jié)成液態(tài)烴，此后，液態(tài)烴和乙二醇水溶液沉降到低溫分離器底部，經(jīng)過脫水、脫烴的天然氣再經(jīng)計(jì)量裝置計(jì)量后進(jìn)入外輸管線。

    丙烷輔助制冷系統(tǒng)主要作用是降低來氣溫度，使重質(zhì)組分的氣態(tài)烴在較低的溫度下凝結(jié)析出，以降低天然氣的烴露點(diǎn)，防止低溫環(huán)境下重質(zhì)組分的氣態(tài)烴在輸氣管線凝結(jié)析出而影響輸氣管線的平穩(wěn)運(yùn)行。

    對于低壓天然氣(進(jìn)站壓力小于6MPa)采用的主要制冷方式是冷劑(丙烷)循環(huán)變相制冷。丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)由壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)4個(gè)過程組成，其中關(guān)鍵設(shè)備為壓縮機(jī)、空氣冷凝器、節(jié)流閥及蒸發(fā)器。循環(huán)制冷過程為：①壓縮機(jī)供給冷劑內(nèi)能，氣態(tài)丙烷壓力升至1.0MPa，為其變相創(chuàng)造必要條件；②經(jīng)壓縮后氣態(tài)丙烷溫度上升，后經(jīng)空冷器降低其溫度，冷劑變相，其焓值大幅度下降；③液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流閥降壓，溫度又下降很多，成為低溫液態(tài)丙烷與氣態(tài)丙烷的混合物，其沸點(diǎn)也相應(yīng)降低；④制冷劑混合物最后進(jìn)入深冷器(蒸發(fā)器)，由于該空間受壓縮機(jī)抽吸，壓力較低，液態(tài)丙烷在其中膨脹，變?yōu)闅鈶B(tài)，從被冷凍介質(zhì)中吸收大量熱量，達(dá)到制冷目的。氣態(tài)丙烷從蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)，開始下一個(gè)循環(huán)。丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)工藝流程見圖2。

 

    在整個(gè)循環(huán)制冷過程中要注意以下幾點(diǎn)：①控制深冷器內(nèi)丙烷的液位不可過高，保持充足的汽化空間；②空冷器要提供給冷劑足夠的制冷量，可以通過調(diào)節(jié)其上部百葉窗的傾斜度得到不同的冷凝溫度；③設(shè)定合理的壓縮機(jī)吸入壓力，使壓縮機(jī)保持不間斷的抽吸。

    為了防止在冷凍過程中天然氣在低溫下生成天然氣水合物，在來氣中注入乙二醇作為水吸收劑，吸收氣流中的水分。在低溫分離器中，經(jīng)氣液分離后密度較大的乙二醇水溶液沉降到分離器底部，再進(jìn)入乙二醇循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行回收處理和循環(huán)利用。乙二醇循環(huán)系統(tǒng)流程圖見圖3。

 

甘醇類化合物具有很強(qiáng)的吸水性，其溶液冰點(diǎn)較低，廣泛應(yīng)用于天然氣脫水裝置，降低天然氣的水露點(diǎn)。表2顯示了幾種常見甘醇脫水劑性能表^[4]。

注：1atm=0.101325MPa，下同。

    由此可知，一甘醇(乙二醇)有較低的冰點(diǎn)溫度，體積分?jǐn)?shù)為80%的乙二醇水溶液冰點(diǎn)溫度更低，達(dá)-40℃，溶液再生溫度為125℃，在甘醇類中最低，利于溶液再生。

    裝置運(yùn)行中可控制的狀態(tài)參數(shù)有液位、溫度、壓力等。在整個(gè)天然氣處理過程中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)對運(yùn)行參數(shù)(壓力、溫度、液位、流量)進(jìn)行全程收集和處理，對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并具有報(bào)警和緊急切斷功能。

3.4.1 乙二醇循環(huán)系統(tǒng)控制參數(shù)

    乙二醇循環(huán)系統(tǒng)包括乙二醇貧液(體積分?jǐn)?shù)為80%的乙二醇水溶液)的注入、吸水、脫烴、富液再生等。為了保證注入天然氣中的乙二醇溶液達(dá)到80%(體積分?jǐn)?shù))的濃度，需要控制好再生加熱爐的溫度：溫度太低則乙二醇溶液濃度達(dá)不到，也影響脫烴的程度；太高則會(huì)導(dǎo)致乙二醇揮發(fā)、分解。常壓下乙二醇理論熱分解溫度為165℃，在本系統(tǒng)中，將乙二醇體積分?jǐn)?shù)提高到80%的設(shè)計(jì)操作溫度為125℃。

3.4.2 丙烷循環(huán)系統(tǒng)控制參數(shù)

    丙烷循環(huán)系統(tǒng)受外界氣溫影響較大。隨著外界氣溫升高，氣態(tài)丙烷冷凝溫度也隨之上升，壓縮機(jī)工作量增加，能耗加大。較低的環(huán)境溫度則可使系統(tǒng)獲得較高的效率，因此屏蔽外部環(huán)境的高溫尤為重要。

3.4.2.1 深冷器壓力、溫度參數(shù)設(shè)定

    保持壓縮機(jī)不間斷地吸入壓力是獲得足夠冷量的前提，吸入壓力的大小可通過調(diào)節(jié)吸入壓力控制器來改變。正常情況下，壓縮機(jī)的工作量越大(一缸→二缸→三缸)，吸入壓力就越低，而氣冷器內(nèi)壓力也越低(一般比吸入壓力高10kPa左右)，丙烷循環(huán)速率加快，氣冷器內(nèi)溫度也相應(yīng)的降低。而壓縮機(jī)正常工作的前提是必須保證氣冷器內(nèi)有足夠的丙烷液位(一般約為1/2高度)。丙烷過少會(huì)導(dǎo)致氣冷器內(nèi)壓力持續(xù)降低，而溫度則會(huì)上升，最后將因?yàn)槲雺毫Φ拖迗?bào)警而導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)；而丙烷液位過高則一方面會(huì)縮小丙烷的蒸發(fā)空間，造成制冷量不足，另一方面可能使液體進(jìn)入壓縮機(jī)缸室而導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。

3.4.2.2 外部環(huán)境對壓縮機(jī)工作及振動(dòng)的影響

對丙烷冷卻系統(tǒng)來說，外界環(huán)境對其有至關(guān)重要的影響^[4](見表3)。

表3為丙烷冷卻系統(tǒng)中一些主要參數(shù)之間的關(guān)系。儲罐溫度由高到低，分別與不同季節(jié)的氣溫相對應(yīng)(氣溫由高到低)。儲罐溫度高時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力、溫度、儲罐回壓都很高，壓縮機(jī)工作負(fù)荷大。當(dāng)環(huán)境溫度很低時(shí)，制冷劑儲罐內(nèi)蒸氣壓力(回壓)、溫度均保持在低水平，冷凝溫度也隨之降低，壓縮機(jī)的工作負(fù)荷、振動(dòng)都很小。由此可見，減小外界環(huán)境(主要是高溫)對冷卻系統(tǒng)的影響尤為重要。

    在低溫分離器中分離出來的液相經(jīng)過重力分離后，密度較小的液態(tài)烴從隔板頂部進(jìn)入儲油器，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值，液位控制法就會(huì)自動(dòng)打開，使液態(tài)烴排出進(jìn)入儲油罐。低溫分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4^[5]。

 

    南八仙油氣田中壓天然氣處理裝置白2001年投產(chǎn)運(yùn)行以來，已安全平穩(wěn)運(yùn)行8a。經(jīng)過多年的認(rèn)識和摸索已經(jīng)總結(jié)出符合南八仙油氣田實(shí)際情況的天然氣處理技術(shù)，自動(dòng)化控制及參數(shù)優(yōu)化措施保證了裝置處在最優(yōu)的工作狀態(tài)，降低了能耗和乙二醇損耗，使天然氣處理裝置得以高效、平穩(wěn)運(yùn)行。

[1] 馬達(dá)德，徐峰，寇福德，等.柴達(dá)木盆地南八仙油氣田石油天然氣探明儲量[R].敦煌：青海油田勘探開發(fā)研究院，1998.

[2] 蘇建華，許可方，宋德琦，等.天然氣礦場集輸與處理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[3] 袁文藝，楊銀山，宋彥海，等.南八仙油氣田天然氣集輸系統(tǒng)部分參數(shù)優(yōu)化[J].青海石油，2004(2).

[4] 王遇冬.天然氣處理與加工工藝[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.

[5] 加拿大PROPAK公司.南八仙氣田中淺層天然氣處理裝置操作指導(dǎo)書[G].[出版地不詳]：[出版者不詳]，2001.

 

(本文作者：宋彥海 楊銀山 藍(lán)春連 李杰山 鄧奎 劉小軍 中國石油青海油田公司冷湖油田管理處)