超音速分離器在單井天然氣脫水脫烴中的應用

楊波 張淑琴 鄭銳

（中國石化集團西北石油局，新疆 烏魯木齊 830011）

超音速分離器在單井天然氣脫水脫烴中的應用

楊波 張淑琴 鄭銳

（中國石化集團西北石油局，新疆 烏魯木齊 830011）

針對塔河油田邊遠單井遠離集輸管網(wǎng)，其天然氣脫水脫烴難度大的問題，在某單井應用了超音速分離器技術進行天然氣的脫水脫烴。介紹了超音速分離器技術的基本原理和超音速分離器中渦流管的組成結(jié)構，以及超音速分離器撬裝裝置應用于某單井天然氣脫水脫烴的運行情況，分析了其脫水脫烴工藝在技術、效率、能耗及經(jīng)濟效益方面較常規(guī)方式所具有的優(yōu)勢，以及運行中存在的不足。

超音速分離器 天然氣脫水 脫烴 渦流管 能耗

0 引言

超音速分離器（SuperSonicSeparator，以下簡稱“3S”）是基于天然氣旋流在超音速渦流管內(nèi)絕熱膨脹降溫，以分離天然氣中的水分和液烴組分的新型高效設備。3S與傳統(tǒng)的油氣田脫水、脫烴設備相比，具有設備簡單、節(jié)能、環(huán)保、安全性高等優(yōu)點。目前，3S技術可用于單井天然氣的脫水、脫烴作業(yè)。3S沒有大的轉(zhuǎn)動部件和化學處理系統(tǒng)［1］，日常維護較少，允許在苛刻的環(huán)境中運轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)無人職守。筆者擬就利用3S技術進行天然氣的脫水、脫烴作業(yè)作一介紹分析。

1 3S的基本原理和結(jié)構

1.1 基本原理

3S利用天然氣在達到超音速流動的狀態(tài)下，低溫冷凝出液態(tài)水的現(xiàn)象進行脫水，是一種將透平膨脹機、分離器和壓縮機功能集于一體的裝置，具有占地面積小、無任何旋轉(zhuǎn)部件、不需外部能源動力的特點，分離過程中加注乙二醇達到最佳的脫水效果，盡量避免環(huán)境污染［2－3］。

1.2 結(jié)構

3S由收縮段、喉部、擴張段、分離段和擴壓段5部分組成，多組分介質(zhì)氣體在一定的進、出口壓差作用下會形成氣流。它通過合理組織氣流的節(jié)流、膨脹、分離、復壓等熱力過程，可在極短時間內(nèi)實現(xiàn)壓力能與動能的相互轉(zhuǎn)換，從而獲得其狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度、流速、密度）的急劇變化，達到分離（液化）其不同組分的效果，圖1為3S結(jié)構圖。

圖1 3S結(jié)構示意圖

2 3S在某單井天然氣脫水脫烴中的應用

2.1 單井運行情況

某單井3S撬裝裝置投入運行時間為2012年10月10日；進站壓力為2.0～2.2MPa；進站溫度低于30℃；氣體處理量為（6～15）×104m3／d（0.1MPa、20℃），根據(jù)處理量現(xiàn)場乙二醇的加注量為（6～8）

L／h。分離出的污水排放至污水罐，由罐車拉運至污水處理廠統(tǒng)一進行處理?，F(xiàn)場撬裝處理工藝流程見圖2。

圖2 某單井3S撬裝天然氣脫水脫烴工藝流程圖

1）氣相流程：原料氣首先進入裝置預冷器將其預冷至溫度15℃以下，接著進入預冷分離器進行氣液兩相分離；分離出的氣相再進入后冷器作進一步降溫至-10℃以下，并經(jīng)后冷分離器進行氣液兩相分離；兩次降溫分離后的原料氣直接進入高速渦旋分離噴管（GWF）；被脫除水、烴的干氣分別進入后冷器和預冷器進行冷量利用。被預冷器復熱后產(chǎn)品氣直接進入管網(wǎng)或下一個增壓站，復熱后的濕氣返回原料氣進口進入裝置被再次處理。

2）液相流程：裝置內(nèi)所有分離設備所分離出的水烴混合液，均進入油水兩相分離器將水和液烴分離后，液烴引入混烴儲罐，水排放至污水罐。根據(jù)此單井撬裝裝置工藝設計，表1為處理量15×104m3／d的物料平衡表，對比現(xiàn)場天然氣處理量接近15×104m3／d時與物料平衡表參數(shù)的誤差不大。

表1 處理量15×104m3／d的物料平衡表

2.2 3S脫水脫烴工藝的優(yōu)勢

1）易撬裝化，占地面積小。目前脫水脫烴全部集中在兩個撬上，絕大部分管線集中在撬上，在工廠完成預制；處理量15×104m3／d的3S裝置僅需1500m2場地，而油氣田常規(guī)技術需要12000m2場地。

2）降低投資、提高收益。3S裝置投資總額為950萬元，與其他配套設施的總投資為3300萬元，單井運營費用含135萬元人工費、88萬元設備檢維修費用、50萬元材料費以及720萬元動力費。投資成本比常規(guī)方式節(jié)約10%以上。按照混烴日產(chǎn)量8t、單價4500元／t，天然氣日產(chǎn)量18×104m3、單價0.88元／m3及稅率13%進行計算，油氣田的年（340d）利潤金額為1697萬元。

3）效率高。3S渦流管中的降壓、降溫、增速過程，以及發(fā)生在渦流管擴散器的減速、升壓、升溫過程，都是氣體內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換，不存在能量的消耗和損失。因此，3S不僅比等焓節(jié)流膨脹制冷的J-T閥效率高，而且也比等熵節(jié)流膨脹的膨脹機效率高。在裝置后冷卻器溫度相同的情況下，3S具有更高的C3+回收率。在后冷器溫度為-10℃時，3S比J-T閥的C3+回收率高約30%，比膨脹機的C3+回收率高約9%；在后冷器的溫度為-30℃時，3S的C3+回收率比J-T閥和膨脹機分別高約20%和7%。

4）能耗低。在天然氣凝液（NGL）回收率相同的情況下，使用3S與使用J-T閥相比，3S可減少能耗50%～70%；用3S替代膨脹機可減少壓縮功耗15%～20%。特別是當膨脹機由于技術原因（諸如進口壓力太高），或在使用膨脹機不經(jīng)濟的場合下，能以更低的溫度回收相同數(shù)量天然氣中的混烴，使用3S可降低膨脹率，即降低壓縮成本［4］。

3S分離天然氣中的水分和NGL也是通過降低天然氣自身的壓力，從而降低天然氣的溫度來實現(xiàn)的，但是由于天然氣在擴散器內(nèi)的壓力回升，使3S設備的進出口壓差遠小于超音速噴管的壓差。因

此，3S與傳統(tǒng)的J-T閥和膨脹機制冷分離設備相比，在相同的壓差情況下，3S可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降。

2.3 單井運行中的缺陷分析

天然氣從井口到用戶是壓力逐步降低的過程，在壓力降低過程中，利用3S可以獲得大量的冷量和熱量，并獲得干燥的天然氣［5］。但此單井在天然氣回收和處理過程中存在兩方面的技術缺陷：

1）3S的流量適應問題。3S應用過程中最主要的問題是流量范圍較窄，需要在工藝過程中予以平衡，才能實現(xiàn)實現(xiàn)更寬的流量范圍。以15×104m3／d處理量的3S裝置為例：①日處理量5×104m3：天然氣進渦流管旁通，主要制冷以輔助制冷系統(tǒng)（冰機）為主要的制冷單元；②日處理10×104m3：少于額定量從后端打回流，使日處理量達到15×104m3；③日處理大于15×104m3：主要是提高3S的進口壓力進行平衡。

2）抑制劑的回收問題。原設計15×104m3／d處理量的裝置，抑制劑的用量是50kg／d，實際后期用量是200kg／d，不回收全年抑制劑費用為80萬元；如采用抑制劑回收，可降低抑制劑的成本。

3 結(jié)束語

采用3S技術應用在塔河油氣田某邊遠單井天然氣回收中，裝置運行平穩(wěn)，提高混烴回收率。該技術方案具有簡單易行、投資小、效益大和可操作性強等優(yōu)點，解決了邊遠單井天然氣脫水脫烴存在的一系列技術、產(chǎn)品質(zhì)量以及混烴回收率等技術經(jīng)濟問題，在今后邊遠單井天然氣回收中可進行一定推廣。

［1］宋輝，張新軍，汪長永，等.天然氣超音速脫水試驗研究［J］.山東建筑大學學報，2009，24（1）：50-53.

［2］趙鐵鋒.一種新型超音速分離裝置［J］.天然氣與石油，2002，20（3）：11-12.

［3］何策，程雁，額日其太.天然氣超音速脫水技術評析［J］.石油機械，2006，34（5）：70-73.

［4］沈杰，席旺.渦流管的原理及在天然氣領域的應用［J］.煤氣與熱力，2011，31（2）：37-42.

［5］徐正斌.渦流管技術在天然氣領域的應用前景［J］.油氣儲運，2009，28（1）：41-43.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2014）05-0040-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.012

修訂回稿日期：2014－09－23

楊波（1981－），工程師，從事天然氣集輸、混烴銷售管理工作。E-mail：yb919@qq.com。