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行油、氣、水的分離處理，使天然氣的水露點、烴露點能符合管輸要求。柴達木盆地南八仙油氣田中淺層天然氣處理采用了加拿大進口橇裝天然氣處理裝置，該裝置具有自動化程度高、易于操作、占地面積小的優(yōu)點，能有效地對天然氣進行油、氣、水的分離。為此，詳細介紹了該天然氣處理技術，并根據(jù)實際情況對處理系統(tǒng)的參數(shù)進行了調(diào)整與優(yōu)化，保證了處理系統(tǒng)的安全、高效、平穩(wěn)運行。

關鍵詞：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)過匯管后進入一級分離器進行初次分離，分離出部分液體及可能產(chǎn)出的砂，然后進入二級分離器再次分離出氣體中攜帶的液體。為了進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入管線外輸^[3](見圖1)。

 

    該裝置最顯著的技術特點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入中壓天然氣處理裝置，和注入的乙二醇進行混合，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)流閥和低溫丙烷進行熱交換后進入低溫分離器，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)計量裝置計量后進入外輸管線。

    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析出，以降低天然氣的烴露點，防止低溫環(huán)境下重質(zhì)組分的氣態(tài)烴在輸氣管線凝結析出而影響輸氣管線的平穩(wěn)運行。

    對于低壓天然氣(進站壓力小于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個過程組成，其中關鍵設備為壓縮機、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，其沸點也相應降低；④制冷劑混合物最后進入深冷器(蒸發(fā)器)，由于該空間受壓縮機抽吸，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，達到制冷目的。氣態(tài)丙烷從蒸發(fā)器進入壓縮機，開始下一個循環(huán)。丙烷循環(huán)制冷系統(tǒng)工藝流程見圖2。

 

    在整個循環(huán)制冷過程中要注意以下幾點：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設定合理的壓縮機吸入壓力，使壓縮機保持不間斷的抽吸。

    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，再進入乙二醇循環(huán)系統(tǒng)進行回收處理和循環(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的吸水性，其溶液冰點較低，廣泛應用于天然氣脫水裝置，降低天然氣的水露點。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)有較低的冰點溫度，體積分數(shù)為80%的乙二醇水溶液冰點溫度更低，達-40℃，溶液再生溫度為125℃，在甘醇類中最低，利于溶液再生。

    裝置運行中可控制的狀態(tài)參數(shù)有液位、溫度、壓力等。在整個天然氣處理過程中，自動化控制系統(tǒng)對運行參數(shù)(壓力、溫度、液位、流量)進行全程收集和處理，對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并具有報警和緊急切斷功能。

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(體積分數(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到80%(體積分數(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不到，也影響脫烴的程度；太高則會導致乙二醇揮發(fā)、分解。常壓下乙二醇理論熱分解溫度為165℃，在本系統(tǒng)中，將乙二醇體積分數(shù)提高到80%的設計操作溫度為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)設定

    保持壓縮機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)溫度也相應的降低。而壓縮機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)。丙烷過少會導致氣冷器內(nèi)壓力持續(xù)降低，而溫度則會上升，最后將因為吸入壓力低限報警而導致壓縮機停機；而丙烷液位過高則一方面會縮小丙烷的蒸發(fā)空間，造成制冷量不足，另一方面可能使液體進入壓縮機缸室而導致壓縮機損壞。

3.4.2.2 外部環(huán)境對壓縮機工作及振動的影響

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

表3為丙烷冷卻系統(tǒng)中一些主要參數(shù)之間的關系。儲罐溫度由高到低，分別與不同季節(jié)的氣溫相對應(氣溫由高到低)。儲罐溫度高時，壓縮機出口壓力、溫度、儲罐回壓都很高，壓縮機工作負荷大。當環(huán)境溫度很低時，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，壓縮機的工作負荷、振動都很小。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)烴從隔板頂部進入儲油器，當液位達到設定值，液位控制法就會自動打開，使液態(tài)烴排出進入儲油罐。低溫分離器內(nèi)部結構見圖4^[5]。

 

    南八仙油氣田中壓天然氣處理裝置白2001年投產(chǎn)運行以來，已安全平穩(wěn)運行8a。經(jīng)過多年的認識和摸索已經(jīng)總結出符合南八仙油氣田實際情況的天然氣處理技術，自動化控制及參數(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)運行。

[1] 馬達德，徐峰，寇福德，等.柴達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書[G].[出版地不詳]：[出版者不詳]，2001.

 

(本文作者：宋彥海 楊銀山 藍春連 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)