淺談透平膨脹機(jī)在油田伴生氣脫水中的應(yīng)用

李躍李慧靜王曉黎張逸超連洪江

（1.北京銷售分公司；2.大慶油田工程有限公司；3.國際石油工程有限公司）

原油在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的伴生氣，油田伴生氣中含有大量水分、輕烴及其它組分。油田伴生氣在輸送時(shí)，會有凝析液析出（其主要成份是水、輕烴、雜質(zhì)等），凝析液量較大時(shí)會對輸送管道造成堵塞或結(jié)冰。未干燥處理的“濕氣”也會對鍋爐、加熱爐造成腐蝕、凍結(jié)、熄火及爆膛等問題。為防止輸氣管線凍堵和末端用戶設(shè)備故障，對油田伴生氣進(jìn)行脫水處理成為油田生產(chǎn)過程中的現(xiàn)實(shí)問題。

1 天然氣脫水方法

天然氣的脫水方法有很多，工業(yè)生產(chǎn)上常用的主要有固體干燥劑吸附法、溶液吸收法、冷卻脫水等。

1.1 固體干燥劑吸附法

固體干燥劑吸附法是利用干燥劑的微孔結(jié)構(gòu)對水分子的超強(qiáng)吸附能力達(dá)到天然氣脫水的目的，天然氣脫水常用的干燥劑有硅膠、分子篩等。該方法可以做到天然氣的深度干燥，但缺點(diǎn)是干燥劑再生能耗較高、干燥劑的使用壽命較短、天然氣壓降大、一次性投資和運(yùn)行費(fèi)都較高，不適用于量較小的天然氣脫水。

1.2 溶液吸收法

溶液吸收法是利用脫水劑對水分子的超強(qiáng)親和吸收能力達(dá)到天然氣脫水的目的，常用的脫水劑是甘醇類化合物。甘醇脫水是目前世界上廣泛使用的脫水技術(shù)，但它必須以甘醇做吸附劑，脫除1 kg水需甘醇循環(huán)量大約在25～60 L[1]。天然氣中含有輕烴時(shí)會引起甘醇起泡、甘醇循環(huán)再生能耗高、甘醇受污染或分解后具有腐蝕性，加上甘醇脫水在設(shè)計(jì)和操作方面都要求比較嚴(yán)格，在規(guī)模較小的油田伴生氣脫水應(yīng)用方面受到一定的限制。

1.3 冷卻脫水

冷卻脫水方法是通過天然氣冷卻降溫使其中的水汽冷凝并分離，達(dá)到脫水干燥的目的。對于壓力較低的氣源，可以通過外部制冷進(jìn)行脫水；對于氣源壓力較高的氣源，可以采用膨脹制冷的方法進(jìn)行脫水。

氣體膨脹降溫的制冷設(shè)備主要有熱分離機(jī)、氣波制冷機(jī)、節(jié)流設(shè)備及透平膨脹機(jī)等。熱分離機(jī)由于效率較低，在天然氣脫水領(lǐng)域應(yīng)用的較少。氣波制冷機(jī)由于結(jié)構(gòu)仍然比較復(fù)雜，對壓力有一定要求，應(yīng)用范圍很小。節(jié)流設(shè)備在溫度較高時(shí)節(jié)流效率很低，不宜應(yīng)用在溫度較高的區(qū)域，同時(shí)節(jié)流是連續(xù)流動的高壓氣體在絕熱和不做外功的情況下，突然通過一狹窄的通道，氣體的壓力明顯下降的過程，在油田伴生氣脫水方面的應(yīng)用也受限制。透平膨脹機(jī)制冷是應(yīng)用高壓氣體膨脹對外做功而熵不變，膨脹后氣體溫度降低同時(shí)產(chǎn)生冷量。

分析可知，要實(shí)現(xiàn)天然氣脫水需要消耗一定的能量或其它原料，但對于油田伴生氣脫水時(shí)露點(diǎn)要求一般不是很嚴(yán)格，如果大量投資去完成初脫水既不經(jīng)濟(jì)又不科學(xué)。利用氣源壓力進(jìn)行膨脹制冷脫水，可以作為油田伴生氣脫水的考慮思路。隨著高效緊湊換熱器和低溫透平膨脹機(jī)特別是高速氣體軸承透平膨脹機(jī)的發(fā)展，透平膨脹制冷機(jī)在普冷和深冷領(lǐng)域擁有了更廣闊的應(yīng)用前景，而且小型逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)已經(jīng)研制成功并實(shí)際應(yīng)用[2]。利用逆布雷頓回冷循環(huán)可以使冷量得到充分的利用，這就使得小型透平膨脹機(jī)制冷成為可能，保證了在低壓差下仍然可以使系統(tǒng)得到較大的溫降。

2 透平膨脹機(jī)脫水裝置流程設(shè)計(jì)

2.1 天然氣透平脫水裝置流程設(shè)計(jì)

某油田伴生氣氣源的壓力0.30MPa、流量2×104m3/d、溫度25℃，考慮利用逆布雷頓回冷循環(huán)方法，將透平膨脹機(jī)制冷流程融入其中，確定天然氣透平膨脹脫水裝置的基本流程，見圖1。

該天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣膨脹制冷裝置、液體收排裝置、過濾裝置及儀表指示和控制系統(tǒng)組成。

2.1.1 熱交換裝置

熱交換裝置又稱換熱器或回?zé)崞鳎涔δ苁抢媒?jīng)過膨脹降溫后的干氣與管線輸來的油田伴生氣進(jìn)行熱交換，使進(jìn)入設(shè)備的油田伴生氣快速降溫。

2.1.2 氣液分離裝置

氣液分離器裝置主要有兩級分離器、指示儀表和控制閥門組成。一級分離器的主要作用是對經(jīng)換熱器后溫度有一定降低的油田伴生氣進(jìn)行首次分離，除去其中一部分水、輕烴及雜質(zhì)；二級分離器的主要作用是對伴生氣進(jìn)行二次分離，進(jìn)一步除去水和輕烴成分，提高天然氣的干燥度。

2.1.3 天然氣膨脹制冷裝置

天然氣膨脹制冷裝置主要由透平膨脹機(jī)、氣體軸承、安保系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)等組成。該裝置主要是透平膨脹機(jī)脫水裝置的核心設(shè)備，利用油田伴生氣自身輸送壓力進(jìn)行膨脹制冷脫水和增壓制動。

透平膨脹機(jī)組需要采用天然氣潤滑的氣體軸承（或進(jìn)口高速油軸承），使膨脹機(jī)在安裝、使用及維護(hù)變得更簡單方便；需要配置完善的安全保護(hù)系統(tǒng)，以保證機(jī)組長期工作而無需維護(hù)、維修，提高了透平膨脹機(jī)組的整機(jī)效率[3]。此外，透平膨脹機(jī)的選取要以進(jìn)出口壓力，膨脹效率，膨脹溫度等多種參數(shù)共同確定，提交參數(shù)向生產(chǎn)廠家定購合適產(chǎn)品。

2.1.4 液體收排裝置

液體收排裝置主要由集液罐、液位控制器、排液泵等組成，其作用是收集、外排透平膨脹機(jī)分離出的液體，確保膨脹制冷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1.5 過濾裝置

為使裝置可以持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在換熱器入口，膨脹機(jī)入口等精密裝置前分別安裝了過濾器，避免雜質(zhì)進(jìn)入而影響儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 天然氣透平脫水裝置特點(diǎn)及應(yīng)用效果

天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置，利用油田伴生氣自身輸送壓力進(jìn)行膨脹制冷脫水和增壓制動，具有投資小、節(jié)能環(huán)保、安全高效的天然氣脫水的特點(diǎn)。該裝置在油田投入使用后，油田伴生氣的露點(diǎn)由13℃降至-3℃，脫水率達(dá)到90%以上，脫水效果顯著。

3 結(jié)語

針對部分油田氣體處理站來氣壓力較小、氣量不大的實(shí)際情況，利用油田伴生氣自身輸送壓力進(jìn)行膨脹制冷脫水和增壓制動，將油田伴生氣由濕氣處理成干氣，同時(shí)分離出水、輕烴和雜質(zhì)，是油田生產(chǎn)中比較高效、節(jié)能環(huán)保的伴生氣干燥系統(tǒng)。天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置特別適用于油氣田的采集邊緣零星小氣井、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站及其它小型場合的天然氣脫水和干化。

[1]氣體加工和供應(yīng)者聯(lián)合會(美).氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1980:269.

[2]林韶寧,姚艷霞,王可,等.小型透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的研制[J].低溫與超導(dǎo),2004,32(2):1-4.

[3]姚海.一種新的低溫透平膨脹機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].低溫工程,1998,(103):46-50.