克拉美麗氣田天然氣烴水露點(diǎn)控制工藝改造

曹洪貴 蔣 洪 陶玉林 李 虎 王楚琦

（1.新疆油田公司采氣一廠(chǎng) 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院）

克拉美麗氣田天然氣處理站天然氣處理工藝流程主要包括：脫水脫烴單元、凝析油穩(wěn)定單元、乙二醇再生單元和富氣增壓?jiǎn)卧?。其中，與外輸天然氣烴水露點(diǎn)控制密切相關(guān)的是脫水脫烴單元。此單元設(shè)有兩套天然氣處理裝置，單套的處理能力為150×104m3／d，原料氣進(jìn)站壓力為8.0MPa，采用適合高壓進(jìn)料條件的J－T閥節(jié)流制冷，注乙二醇防凍的低溫分離工藝。但目前克拉美麗氣田天然氣烴水露點(diǎn)抽檢數(shù)據(jù)顯示，其外輸天然氣烴水露點(diǎn)出現(xiàn)不合格情況，通常在－3～10℃之間波動(dòng)。分析克拉美麗天然氣處理站烴水露點(diǎn)控制工藝及關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行情況，找出造成外輸氣烴水露點(diǎn)不合格的主要原因，對(duì)其進(jìn)行改造，以保證外輸氣烴水露點(diǎn)合格［1－3］。

1 克拉美麗天然氣烴水露點(diǎn)控制現(xiàn)狀

克拉美麗天然氣烴水露點(diǎn)控制采用高壓節(jié)流注醇的淺冷低溫分離工藝，脫水脫烴單元流程如圖1所示。原料氣經(jīng)過(guò)段塞流捕集器和生產(chǎn)分離器，注乙二醇后進(jìn)入氣－氣換熱器與外輸干氣換熱，然后進(jìn)入低溫分離器脫水脫烴，處理后的干氣經(jīng)過(guò)輕烴穩(wěn)定油換熱器換熱后，醇烴混合液進(jìn)入烴液三相分離器處理。脫水脫烴單元關(guān)鍵工藝設(shè)備包括低溫分離器和氣－氣換熱器，低溫分離器為臥式氣液旋流分離器，氣－氣換熱器為繞管式換熱器。

2011年4月～8月，克拉美麗氣田天然氣處理站外輸天然氣水露點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)際運(yùn)行中，克拉美麗氣田天然氣處理站外輸天然氣烴水露點(diǎn)不穩(wěn)定，通常在－3～10℃之間波動(dòng)。在2009～2011年，克拉美麗氣田針對(duì)天然氣水露點(diǎn)不合格的情況，對(duì)裝置采取了參數(shù)調(diào)試、注甲醇試驗(yàn)、富氣回收工藝改造等多項(xiàng)措施。調(diào)試完成后，克拉美麗氣田天然氣處理站第一套裝置外輸天然氣水露點(diǎn)合格率為36%，第二套裝置外輸天然氣水露點(diǎn)不合格，未能從根本上解決外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格的問(wèn)題。

表1 克拉美麗外輸天然氣水露點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)表（原料氣壓力8.0MPa）Table 1 Water dew point detection data of natural gas（the raw gas pressure is 8.0MPa）

2 克拉美麗外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格原因

克拉美麗氣田天然氣站天然氣處理采用以控制外輸天然氣烴水露點(diǎn)為目標(biāo)的低溫分離工藝，此工藝按其制冷方式可分為膨脹機(jī)制冷、丙烷制冷以及J－T閥節(jié)流制冷低溫分離工藝。天然氣烴水露點(diǎn)與低溫分離工藝的選擇以及核心設(shè)備的工作性能均有關(guān)系。本節(jié)主要討論克拉美麗氣田天然氣處理工藝選擇是否合理以及核心設(shè)備對(duì)天然氣烴水露點(diǎn)控制的具體影響，找出烴水露點(diǎn)不合格的原因。

2.1 外輸天然氣烴水露點(diǎn)控制工藝分析

目前，克拉美麗氣田天然氣處理站原料氣進(jìn)站壓力為8.0MPa，控制節(jié)流后壓力為4.3MPa。忽略冷熱量的損失，根據(jù)脫水脫烴工藝單元的物料和能量平衡，利用HYSYS模擬軟件從理論上分析克拉美麗所采用的烴水露點(diǎn)控制工藝能否使外輸天然氣烴水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)，外輸天然氣烴水露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)原料氣壓力為8.0MPa時(shí)，外輸天然氣烴水露點(diǎn)（計(jì)算值）為－17.6℃，理論上，節(jié)流降壓工藝可產(chǎn)生足夠的冷量控制外輸天然氣烴水露點(diǎn)合格。克拉美麗天然氣處理站選用高壓節(jié)流注醇工藝控制外輸天然氣烴水露點(diǎn)合理。

表2 克拉美麗脫水脫烴裝置HYSYS模擬結(jié)果Table 2 HYSYS simulation results of dehydration and dealkylation device

2.2 烴水露點(diǎn)控制核心設(shè)備分析

烴水露點(diǎn)控制核心設(shè)備包括低溫分離器和氣－氣換熱器，其結(jié)構(gòu)選型及工作性能會(huì)直接影響外輸天然氣烴水露點(diǎn)。

2.2.1 低溫分離器應(yīng)用效果分析

克拉美麗氣田天然氣處理站低溫分離器采用臥式氣液旋流分離器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。理論上，外輸干氣烴水露點(diǎn)應(yīng)等于低溫分離器的工作溫度，但實(shí)際上，兩者不等，其差值主要取決于低溫分離器工作性能，一般情況相差5～10℃［4］。原料氣進(jìn)站壓力為8.0MPa時(shí)，克拉美麗外輸天然氣烴水露點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，克拉美麗氣田外輸天然氣烴水露點(diǎn)在－3～14℃之間波動(dòng)，結(jié)合表2計(jì)算結(jié)果，外輸天然氣烴水露點(diǎn)和低溫分離器工作溫度的差值范圍在13.1～31.6℃之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常值；克拉美麗氣田天然氣處理站低溫分離器工作性能差與外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格直接相關(guān)。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)臥式氣液旋流分離器在使用中主要存在以下問(wèn)題：

（1）旋流分離器內(nèi)部沒(méi)有設(shè)隔板，沉降腔為一個(gè)整體且相對(duì)于分離器出口是封閉，干氣旋轉(zhuǎn)上升從分離器出口流出時(shí)，會(huì)攜帶液體顆粒，影響烴露點(diǎn)控制，旋流分離器內(nèi)部腔室布局不合理；

（2）氣體在沉降腔內(nèi)流速過(guò)快，卷吸凝液及顆粒物帶入外輸干氣，氣體沉降時(shí)間過(guò)短，無(wú)沉降分離效果，外輸干氣烴水露點(diǎn)仍不達(dá)標(biāo)；

（3）氣液進(jìn)口條件（流量、壓力等）出現(xiàn)波動(dòng)，嚴(yán)重影響分離效果。

采用旋流技術(shù)的氣液分離器工業(yè)應(yīng)用不夠成熟，其分離效果幾乎無(wú)法預(yù)測(cè)，大多用于烴水露點(diǎn)要求不是很苛刻的場(chǎng)所，如生產(chǎn)分離器等［5］。因此，外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格的主要原因是克拉美麗氣田天然氣處理站低溫分離器選用臥式氣液旋流分離器不合理。

2.2.2 氣－氣換熱器應(yīng)用效果分析

克拉美麗氣田天然氣處理站氣－氣換熱器采用繞管式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。氣－氣換熱器的換熱效果對(duì)控制外輸干氣烴水露點(diǎn)也有一定影響。在可利用的壓力差一定的條件下，氣－氣換熱器換熱效果越好，原料氣得到的冷量越多，則低溫分離的效果越好，外輸天然氣烴水露點(diǎn)能控制得越低。

繞管式換熱器是高效換熱器，具有換熱效率較高、能適應(yīng)高壓工況、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［6］，在克拉美麗天然氣處理站投產(chǎn)初期有良好的運(yùn)行效果。繞管式換熱器管層之間的距離很?。?～2mm），且由于繞管式換熱器不可拆卸，檢修及清洗均很困難［7］?？死利愄烊粴馓幚碚驹蠚庾邭こ?，冷干氣走管程；在換熱過(guò)程中，原料氣因溫度降低，部分凝液在殼程聚集，使氣體的換熱面積減小，影響換熱效果的同時(shí)，管程極易因雜質(zhì)而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，存在生產(chǎn)安全隱患，并且隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，其換熱性能迅速下降，克拉美麗氣－氣換熱器凍堵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 克拉美麗天然氣處理站氣－氣換熱器凍堵情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Frozen block statistics of gas－gas heat exchanger

克拉美麗氣田天然氣處理站氣－氣換熱器頻繁出現(xiàn)的凍堵現(xiàn)象以及日益下降的換熱性能對(duì)天然氣處理裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，也是導(dǎo)致外輸天然氣烴水露點(diǎn)控制不合格的原因，故氣－氣換熱器選用不合理。

3 克拉美麗氣田天然氣處理工藝改造方案

通過(guò)分析，J－T閥節(jié)流制冷、注乙二醇防凍的低溫分離工藝雖適合克拉美麗氣田的高壓進(jìn)料情況，但由于低溫分離器與氣－氣換熱器選型不合理，導(dǎo)致其外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格。因此，針對(duì)克拉美麗氣田天然氣處理站特點(diǎn)，以控制烴水露點(diǎn)（外輸壓力下小于－5℃）為目標(biāo)，對(duì)天然氣處理工藝進(jìn)行改造［8－9］。

3.1 烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案

對(duì)于烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案提出的總體要求如下：

（1）原料氣正常處理量為150×104m3／d（50～180×104m3／d）；

（2）原料氣壓力變化范圍為6.5～8.0MPa；

（3）J－T閥節(jié)流后壓力控制為4.2MPa，溫度控制小于－15℃；

（4）外輸干氣壓力大于4.0MPa，烴水露點(diǎn)小于－5℃。

在保持現(xiàn)有克拉美麗氣田天然氣處理站脫水脫烴單元流程的基礎(chǔ)上，改造方案將原有流程中的一臺(tái)氣－氣換熱器更換為兩臺(tái)氣－氣換熱器串聯(lián)組合的形式，增大換熱面積，提高換熱效果。因此，改造方案仍采用節(jié)流注乙二醇，低溫分離的天然氣處理工藝，改造方案工藝流程如圖4所示。根據(jù)改造方案工藝流程用HYSYS模擬計(jì)算關(guān)鍵工藝參數(shù)。烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案模擬結(jié)果如表4所示。

表4 烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of hydrocarbon and water dew point control process transformation

由表4可知，原料氣壓力變化范圍為6.5～8.0 MPa時(shí)，控制節(jié)流后的溫度為－15℃，則外輸天然氣烴水露點(diǎn)的計(jì)算值為－13℃左右，理論上烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案能夠滿(mǎn)足要求。

3.2 烴水露點(diǎn)控制核心設(shè)備選型

克拉美麗氣田天然氣處理站低溫分離器－臥式氣液旋流分離器與氣－氣換熱器－繞管式換熱器選型均不合理，其應(yīng)用效果不能滿(mǎn)足克拉美麗氣田天然氣處理廠(chǎng)實(shí)際要求，需要重新選擇適用的設(shè)備。

3.2.1 低溫分離器的選型

烴水露點(diǎn)控制過(guò)程中，為了達(dá)到理想的氣體處理效果，成功分離出直徑大于10μm的液滴。國(guó)內(nèi)外通用低溫分離器為重力式分離器＋高效元件的組合形式?？死利悮馓锾烊粴馓幚碚镜蜏胤蛛x器改造選用SMMSM分離器，它是重力式分離器＋高效元件組合形式的典型代表，為烴水露點(diǎn)控制專(zhuān)用分離器，已在國(guó)內(nèi)的克拉2、迪那、長(zhǎng)北氣田成功應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

SMMSM分離器有以下高效分離元件：S（Schoepentoeter）－氣液兩相進(jìn)料分布器：由堆積型偏移葉片構(gòu)成，作為除去大量液體的氣體分布器進(jìn)料口設(shè)備使用，能夠降低進(jìn)料的動(dòng)量，具有顯著的除霧效果。MM（KnitMesh）－初級(jí)除沫器：織絲網(wǎng)填料組成，作為聚結(jié)器和分離器使用；通過(guò)碰撞、攔截、聚集等作用實(shí)現(xiàn)二次氣液分離，能分離直徑≥2μm的液滴。S（Swirldeck）－離心分離組件：實(shí)質(zhì)為除霧器，由多個(gè)渦流管（Swirltube）組成。在旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力作用下，液滴和管壁發(fā)生碰撞，分離出液體。可按處理氣量大小成比例地增加渦流管的數(shù)量，便可擴(kuò)大配有離心分離組件的分離器的規(guī)模。M（KnitMesh）－除沫器：與初級(jí)除沫器相同，對(duì)離心分離組件處理的氣體再進(jìn)行一次分離，保證分離效率。

SMMSM分離器采用高效設(shè)計(jì)，能將外輸天然氣烴水露點(diǎn)與低溫分離器工作溫度之間的溫差控制在5℃左右。根據(jù)克拉美麗氣田天然氣處理站的處理規(guī)模，對(duì)SMMSM分離器選型結(jié)果如表5所示。

表5 SMMSM分離器工藝計(jì)算結(jié)果Table 5 Process calculation results of SMMSM separator

3.2.2 氣－氣換熱器的選型

為了避免出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象及提高換熱效果，將繞管式換熱器更換為固定管板式換熱器。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與其他管殼式換熱器相比，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、能承受低溫、高壓，適應(yīng)性強(qiáng)，制造工藝成熟的特點(diǎn)［10］。在氣－氣換熱器的管板處注入乙二醇，噴嘴采用安裝于封頭中心軸線(xiàn)上的高壓噴嘴注醇裝置，高壓噴嘴噴射范圍應(yīng)完全均勻覆蓋管板，并對(duì)管板和其他表面沒(méi)有顯著沖擊，能確保管板完全濕潤(rùn)。氣－氣換熱器傾角布置配合高壓噴嘴注醇裝置，能保證乙二醇分布均勻，與原料氣充分混合，防止水合物形成［11］。

單臺(tái)換熱器換熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，即熱流出口溫度低于冷流出口溫度［12－13］；在換熱過(guò)程中，為避免出現(xiàn)溫度交叉，應(yīng)該選擇多臺(tái)換熱器串聯(lián)的形式；兩臺(tái)換熱器串聯(lián)的設(shè)計(jì)還有利于進(jìn)一步回收干氣中的冷量，可控制原料氣在管程中的流速。同時(shí)這兩臺(tái)固定管板式換熱器將以一定角度傾斜布置，便于換熱器中天然氣與乙二醇流動(dòng)，預(yù)防發(fā)生凍堵。氣－氣換熱器組合如圖6所示。

表6 固定管板式換熱器選型結(jié)果Table 6 Selection results of fixed tube sheet heat exchanger

根據(jù)表4烴水露點(diǎn)控制工藝改造方案模擬結(jié)果，應(yīng)用HTRI軟件對(duì)固定管板式換熱器進(jìn)行選型計(jì)算，其結(jié)果如表6所示。所設(shè)計(jì)的氣－氣換熱器規(guī)格能完全滿(mǎn)足克拉美麗氣田天然氣處理站工況變化的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)克拉美麗氣田天然氣烴水露點(diǎn)控制流程的分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)HYSYS模擬計(jì)算分析烴水露點(diǎn)控制工藝。理論上，原料氣進(jìn)站壓力為8.0MPa時(shí)，節(jié)流制冷可產(chǎn)生充足的冷量控制外輸天然氣烴水露點(diǎn)小于－5℃，克拉美麗氣田選用高壓節(jié)流注醇工藝控制烴水露點(diǎn)合理；

（2）分析低溫分離器及氣－氣換熱器的應(yīng)用效果。低溫分離器－臥式氣液旋流分離器工作溫度與外輸天然氣烴水露點(diǎn)相差大于13.1℃，氣－氣換熱器－繞管式換熱器凍堵現(xiàn)象頻繁。因此，造成克拉美麗外輸天然氣烴水露點(diǎn)不合格的主要原因是低溫分離器選型不合理，運(yùn)行效果差。氣－氣換熱器選型不合理影響生產(chǎn)安全，對(duì)外輸氣烴水露點(diǎn)控制也有一定影響；

（3）克拉美麗氣田天然氣處理站烴水露點(diǎn)控制流程改造仍使用高壓注醇工藝，采用兩臺(tái)固定管板式換熱器串聯(lián)預(yù)冷的方式，同時(shí)選用SMMSM分離器為低溫分離器。根據(jù)HYSYS模擬結(jié)果，改造方案外輸天然氣烴水露點(diǎn)（計(jì)算值）可控制在－13℃左右，考慮低溫分離器與烴水露點(diǎn)的實(shí)際溫差，可成功控制天然氣烴水露點(diǎn)小于－5℃。

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