蘇里格氣田天然氣露點(diǎn)控制工藝研究與應(yīng)用

張文超 劉明堃 何 蕾 張彩霞

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；

2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070

0 前言

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地中北部，勘探面積約4×104km2，總資源量3.8×108m3，是中國(guó)超萬(wàn)億方大氣田。蘇里格氣田采用了集中處理的總體凈化工藝技術(shù)路線，建產(chǎn)規(guī)模為230×108m3/a，建成6座天然氣處理廠，其中第一處理廠處理規(guī)模為30×108m3/a，其余5座處理廠處理規(guī)模均為50×108m3/a。

1 天然氣特征

蘇里格氣田天然氣中CH4含量在90%以上，基本不含H2S，CO2含量小于3%，氣體中除含一定量C2～C6外，另含有少量C7+重組分，平均1×104m3天然氣約產(chǎn)0.02 m3凝析油[1]，屬微含凝析油天然氣，蘇里格氣田井口典型原料氣組分詳見(jiàn)表1。

根據(jù) GB 17820《天然氣》規(guī)定，Ⅱ類商品天然氣氣質(zhì)指標(biāo)為H2S含量≤20 mg/m3，CO2含量≤3%，針對(duì)蘇里格氣田天然氣氣質(zhì)特點(diǎn)，不需進(jìn)行脫硫、脫CO2處理，但需脫油、脫水，進(jìn)行水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)控制。

表1 蘇里格氣田井口典型原料氣組分

2 露點(diǎn)控制工藝

用于天然氣脫水以控制水露點(diǎn)的工藝方法主要有低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三類方法。單一低溫分離脫水法常用于有足夠壓力、能進(jìn)行節(jié)流制冷場(chǎng)所；固體吸附法用于深度脫水，如加氣站分子篩脫水，水露點(diǎn)可達(dá)到-60℃左右，另外深冷工藝也常用固體吸附法；溶劑吸收法適合水露點(diǎn)控制，普遍采用甘醇類如三甘醇吸收。以三甘醇脫水進(jìn)行水露點(diǎn)控制是目前應(yīng)用最廣的方法，長(zhǎng)慶靖邊氣田就全部采用了該法。

控制天然氣的烴露點(diǎn)采用的工藝方法主要有低溫分離、溶劑吸收和固體吸附等方法。溶劑吸收常采用油吸收工藝，由于能耗高，現(xiàn)已應(yīng)用不多；固體吸附采用活性碳，應(yīng)用較少。目前，在輕烴回收工藝中絕大部分都是采用低溫分離法，只不過(guò)是制冷工藝和冷凝溫度的差異。低溫分離法是天然氣烴露點(diǎn)控制的最佳工藝，應(yīng)用最廣[2]。

低溫分離法可以同時(shí)脫油、脫水，滿足水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)的控制要求，流程簡(jiǎn)單、投資低、運(yùn)行費(fèi)用低[3-6]。在新疆的凝析氣田、長(zhǎng)慶殼牌長(zhǎng)北合作區(qū)、長(zhǎng)慶榆林氣田和米脂氣田均采用了該工藝，取得良好效果。

蘇里格氣田的6座處理廠全部采用低溫分離法進(jìn)行水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)的控制。

3 冷凝溫度的確定

低溫分離法第一步是要確定冷凝分離的溫度，冷凝分離溫度取決于外輸產(chǎn)品氣的露點(diǎn)要求及低溫分離器的效率。

根據(jù) GB 17820《天然氣》規(guī)定，在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下,天然氣的水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)烴。此外，GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定了管輸天然氣的水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃，烴露點(diǎn)應(yīng)低于最低環(huán)境溫度。

蘇里格氣田產(chǎn)品氣除內(nèi)蒙古本地少量用戶外，其余天然氣全部經(jīng)榆林輸送至陜京管線。

處理廠原料氣經(jīng)過(guò)集氣干線，進(jìn)廠壓力都為2.5MPa，處理廠外輸壓力為5.8 MPa。由圖1～2原料氣組分相圖可知，夏季工況下的烴露點(diǎn)約為24.91℃，水合物形成溫度為7.58℃；冬季工況下的烴露點(diǎn)約為6.94℃，水合物形成溫度為6.95℃。

處理廠產(chǎn)品氣的交氣點(diǎn)主要在榆林，距蘇里格氣田天然氣處理廠的距離都在70 km以上，榆林交氣點(diǎn)壓力為3.9 MPa，產(chǎn)品氣需滿足GB 17820《天然氣》Ⅱ類商品天然氣氣質(zhì)指標(biāo)。由于天然氣管線絕大部分埋于凍土層以下，平均溫度冬天不會(huì)低于0 ℃，夏季一般大于10℃，水露點(diǎn)達(dá)到-5 ℃(冬)/ 5 ℃(夏)，烴露點(diǎn)達(dá)到0 ℃(冬)/10℃(夏)即可認(rèn)為滿足國(guó)標(biāo)要求。

考慮處理廠至榆林交氣點(diǎn)輸氣管道對(duì)天然氣的水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)的要求，即最高輸送壓力5.8 MPa下水露點(diǎn)滿足 -5 ℃ (冬 )/5 ℃ (夏 )，烴露點(diǎn)為 0 ℃ (冬 )/10 ℃ (夏 )(不考慮陜京管線)。

處理廠產(chǎn)品氣必須滿足以上水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)要求，根據(jù)天然氣相特性，壓力越高，水露點(diǎn)越高，壓力降低，水露點(diǎn)降低。因此只需處理廠外輸天然氣水露點(diǎn)滿足要求，輸送至榆林交氣點(diǎn)過(guò)程中，隨著壓力降低，水露點(diǎn)必定滿足交氣要求。烴露點(diǎn)由于存在反凝析現(xiàn)象，與水露點(diǎn)相反，壓力降低，露點(diǎn)反而會(huì)升高，可以對(duì)5.8 MPa烴露點(diǎn)在3.9 MPa下進(jìn)行校核。

圖1 處理廠原料氣組分相圖(夏季)

圖2 處理廠原料氣組分相圖(冬季)

根據(jù)Unisim Design軟件模擬可知，外輸管道天然氣 5.8 MPa下-5 ℃(冬)/5 ℃(夏)的水露點(diǎn)，其3.9 MPa下對(duì)應(yīng)的水露點(diǎn)為-9.67 ℃(冬)/3.22 ℃(夏)；5.8 MPa下-5 ℃(冬)/5 ℃(夏)的烴露點(diǎn)，其3.9 MPa下對(duì)應(yīng)的烴露點(diǎn)為-1.11 ℃(冬)/8.01 ℃(夏)，達(dá)到管輸天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)要求即可滿足榆林交氣點(diǎn)水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)要求。

由于分離器效率對(duì)冷凝分離的溫度影響較大，一般情況下由于分離器效率將導(dǎo)致露點(diǎn)上升3 ～ 10℃[3]，所以設(shè)計(jì)選擇最低冷凝分離溫度為-15 ℃(冬)/-5 ℃(夏)，實(shí)際運(yùn)行的冷凝分離溫度可以根據(jù)實(shí)測(cè)的水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。脫油、脫水后凈化氣相圖見(jiàn)圖3～4。

4 制冷工藝及流程

蘇里格氣田屬于典型的低壓氣田，采用增壓節(jié)流進(jìn)行制冷，運(yùn)行成本大，投資高，聯(lián)合制冷也不適用，6座處理廠采用外加冷源方式。

在制冷劑的選用上，相對(duì)于氨氣，丙烷與天然氣同屬烷烴類，且丙烷更環(huán)保和健康，對(duì)材質(zhì)要求低[4]，蘇里格氣田天然氣處理廠采用了丙烷作為制冷劑。

圖3 脫油、脫水后凈化氣相圖(夏季)

圖4 脫油、脫水后凈化氣相圖(冬季)

原料氣由進(jìn)站區(qū)進(jìn)入增壓站，壓力由2.4 MPa增壓至6.1 MPa；經(jīng)過(guò)空冷后，進(jìn)入預(yù)冷換熱器，利用外輸?shù)睦涓蓺鈱?duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷，夏季溫度降低至3.8 ℃，冬季溫度降低至-7.3 ℃；再進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器，與液體丙烷進(jìn)行換熱降溫，夏季溫度降低至-5 ℃，冬季溫度降低至-15 ℃；進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行脫油、脫水，分離后的冷干氣再進(jìn)入預(yù)冷換熱器，最后外輸。蘇里格氣田天然氣處理廠工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 蘇里格氣田天然氣處理廠工藝流程圖

為防止運(yùn)行過(guò)程中天然氣水合物的生成，還需在預(yù)冷換熱器的入口和丙烷蒸發(fā)器入口注入水合物抑制劑甲醇，甲醇經(jīng)過(guò)回收裝置循環(huán)使用。

在低溫分離工藝中預(yù)冷換熱器是回收冷量的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)降低丙烷制冷負(fù)荷至關(guān)重要，經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇，由于板翅式換熱器抗堵塞能力較差，堵塞后解堵困難，影響處理廠的正常生產(chǎn)，處理廠仍采用了管殼式預(yù)冷換熱器，采用增加帶低翅片的直管，可以大大提高換熱效率，但管殼式換熱器存在體積大、占地面積大、耗鋼量大、投資高等缺點(diǎn)[5]。

低溫分離器是低溫分離工藝的核心設(shè)備，分離效果的好壞直接決定處理廠外輸氣的水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)。處理廠采用殼牌公司專利產(chǎn)品SMSM型高效分離元件，利用重力分離、整流、漩流分離方式，分離效率達(dá)到95%以上[6]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用，能保證規(guī)定的露點(diǎn)比分離溫度高3～5 ℃。

5 結(jié)論

蘇里格氣田第一至第五處理廠已建成投產(chǎn)，第六處理廠計(jì)劃2014年初投產(chǎn)。低溫分離工藝在蘇里格氣田已運(yùn)行8年，平穩(wěn)可靠。經(jīng)檢測(cè)，正常情況下露點(diǎn)比冷凝溫度升高3℃，完全滿足產(chǎn)品氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)要求。

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