普光氣田集氣總站段塞流捕集裝置研究與設(shè)計(jì)

張軍

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026

普光氣田集氣總站段塞流捕集裝置研究與設(shè)計(jì)

張軍

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026

普光氣田集氣總站在批處理作業(yè)時(shí)存在大量段塞流，給凈化廠的生產(chǎn)帶來較大的影響，在集氣總站合理選擇和增設(shè)一套段塞流捕集裝置，可確保集氣總站和凈化廠的安全運(yùn)行。文章用OLGA軟件模擬計(jì)算了管段正常生產(chǎn)和批處理工況下的段塞流量，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合集氣總站目前的布局，合理選擇與應(yīng)用了段塞流捕集裝置，較好地解決了工程問題。

普光氣田；段塞流捕集裝置；批處理；數(shù)值模擬；OLGA

1 普光氣田集氣總站運(yùn)行中存在的問題

1.1 原設(shè)計(jì)情況

普光氣田采用全濕氣加熱保溫混輸工藝，采出氣集中輸送到集氣總站的生產(chǎn)分離器分水，分出的生產(chǎn)污水經(jīng)污水緩沖罐和污水汽提塔汽提后送至污水站處理后回注，含飽和水蒸氣的酸氣送至凈化廠。設(shè)計(jì)污水來源主要為凝析水和地層水，其中凝結(jié)水量為5 m3/100萬m3天然氣，中部井站地層水量為5 m3/100萬m3天然氣，邊緣井站地層水量為40 m3/100萬m3天然氣，按照配產(chǎn)，邊緣井站的地層水量總共98 m3/d，集氣總站污水量共計(jì)約為500 m3/d。邊緣井站設(shè)計(jì)了3套井口分水分離器，其他井站預(yù)留了井口分水分離器位置，根據(jù)井站出水情況以后可增設(shè)井口分水分離器。

集氣總站共設(shè)置4臺(tái)生產(chǎn)分離器，負(fù)責(zé)普光氣田4條主干線送來的酸氣的分離和計(jì)量，4條干線的酸氣一對(duì)一進(jìn)入4臺(tái)生產(chǎn)分離器分離和計(jì)量，1#和2#干線酸氣匯合為一路管匯到凈化廠西區(qū)，3#和4#干線酸氣匯合為一路管匯到凈化廠東區(qū)，兩路管匯之間由閥門連通。集氣總站設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 集氣總站設(shè)計(jì)流程示意

1.2 生產(chǎn)狀況

氣井投產(chǎn)以來，部分氣井已開始產(chǎn)出游離水，在正常生產(chǎn)情況下，集氣總站生產(chǎn)分離器處理的氣量和液量見表1。

表1 集氣總站生產(chǎn)分離器正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)

由表1可知，1#生產(chǎn)分離器的產(chǎn)液量最多，為170 m3/d，進(jìn)入生產(chǎn)分離器的液量為0.12 m3/min，而生產(chǎn)分離器最大排液量為1.5 m3/min，生產(chǎn)分離器運(yùn)行正常，不會(huì)出現(xiàn)原料氣攜液量短時(shí)間內(nèi)急劇增加的現(xiàn)象，凈化廠的兩級(jí)分離器液位正常。

1.3 批處理時(shí)段塞流情況

當(dāng)上游集氣站定期進(jìn)行清管作業(yè)（批處理）時(shí)，短時(shí)間會(huì)有大量積存的液相從上游被帶過來，形成較大的段塞流。目前集氣總站1#、2#、3#、4#生產(chǎn)分離器在批處理工況下的段塞流情況見表2。

由表2可知，2#干線在清管的78 min時(shí)，進(jìn)入2#生產(chǎn)分離器的段塞流量為252 m3，生產(chǎn)分離器最大排量為1.5 m3/min，78 min內(nèi)分離器的最大總排量為117 m3，也就是說有135 m3的液量無法排出而儲(chǔ)存在分離器中，生產(chǎn)分離器設(shè)計(jì)的最大儲(chǔ)量為20 m3，超出了生產(chǎn)分離器的處理能力。

表2 集氣總站生產(chǎn)分離器批處理時(shí)段塞流情況

1.4 存在的問題

普光氣田天然氣凈化廠和地面集輸系統(tǒng)于2009年已投產(chǎn)，目前運(yùn)行基本正常，但隨著氣田開發(fā)的不斷深入，氣井產(chǎn)液量不斷增加，集氣站未設(shè)置分離器分水，氣體和液體隨集輸管網(wǎng)進(jìn)入集氣總站，上游集氣站批處理過程中，生產(chǎn)分離器出現(xiàn)分液能力不足、分離效率下降等問題，原料氣攜液量短時(shí)間內(nèi)急劇增加，原料氣攜帶一定量含氯液體進(jìn)入凈化裝置，超出裝置內(nèi)過濾器的過濾聚結(jié)能力，含液的酸氣進(jìn)入脫硫單元，進(jìn)一步進(jìn)入胺液系統(tǒng)，污染了胺液，給凈化廠的生產(chǎn)造成較大的影響。

2 段塞流模擬與分析

2.1 段塞流模擬軟件

OLGA 2000是當(dāng)今世界領(lǐng)先的全動(dòng)態(tài)多相流模擬計(jì)算軟件，可以模擬處于油井、輸油管道和油氣處理設(shè)備中的油、氣和水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。段塞流捕集裝置的設(shè)計(jì)是OLGA 2000應(yīng)用的一個(gè)方面。

2.2 段塞流模擬

運(yùn)用OLGA 2000多相流瞬態(tài)模擬軟件對(duì)正常工況和清管批處理階段的混輸管道進(jìn)行段塞流跟蹤模擬，由此獲取管道運(yùn)行的工況、最大的液塞量和持續(xù)的時(shí)間。以1#管道P102集氣站至集氣總站為例，管道長度6.8 km，規(guī)格為D 508 mm×22.2 mm，管道沿線高程見圖2。

2.2.1 正常生產(chǎn)時(shí)的段塞流模擬

在正常生產(chǎn)情況下，經(jīng)OLGA 2000軟件模擬，1#管道出現(xiàn)的滯液量變化情況見圖3，縱坐標(biāo)表示管道內(nèi)滯液量，橫坐標(biāo)表示時(shí)間。

從圖3中可以看出，產(chǎn)生的段塞流量與管道內(nèi)滯液量隨時(shí)間變化的快慢有關(guān)系。一定時(shí)間內(nèi)，管道內(nèi)滯液量變化快，產(chǎn)生的段塞流量大。管道內(nèi)部氣液流動(dòng)本身是多相流動(dòng)，雖然沒有形成段塞，但已經(jīng)不是穩(wěn)定的流動(dòng)了，流動(dòng)過程中開始出現(xiàn)周期性的變化。所有管道滯液量的變化總時(shí)間按照6 h計(jì)算，如果再往后計(jì)算，會(huì)出現(xiàn)類似的波動(dòng)。圖3中所示滯液量在48～51.5 m3之間變化，為周期變化中的最高值。正常工況下，模擬的相關(guān)數(shù)值見表3。

圖2 P102至集氣總站管段高程-里程圖

圖31 #管道正常生產(chǎn)時(shí)滯液量的變化曲線

表3 正常工況下的模擬數(shù)值

正常工況下，1#管道產(chǎn)生的最高液塞量為4.52m3，可見，在氣液混輸正常工況下，管道所產(chǎn)生的段塞流量較小，不會(huì)出現(xiàn)原料氣攜液量短時(shí)間內(nèi)急劇增加的現(xiàn)象。

2.2.2 批處理工況下的段塞流模擬

批處理工況下1#管道出現(xiàn)的滯液量變化情況見圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)清管器從管道中出來時(shí)，管道內(nèi)液體的滯液量發(fā)生突變，液塞量比正常工況下大很多，由軟件模擬得到的數(shù)值見表4。從表4中可知，在1#管道批處理工況下，清管產(chǎn)生的最大液塞量為95.4 m3。

在清管作業(yè)中清管器推動(dòng)氣相和液相前進(jìn)，當(dāng)混合物繼續(xù)向前流動(dòng)時(shí)，壓力降低，氣體不斷膨脹，含氣率增加，小氣泡相互碰撞形成大氣泡，其直徑接近于管徑，快速運(yùn)動(dòng)的段塞流超越其前面緩慢移動(dòng)的液膜，形成不穩(wěn)定的壓力波向前傳遞，最終導(dǎo)致段塞流成股的出現(xiàn)。由軟件模擬可知，當(dāng)1#管道進(jìn)行批處理作業(yè)時(shí)，清管產(chǎn)生的最大液塞量為95.4 m3，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)照，最大液塞量在120 m3左右，倘若不在天然氣輸送至凈化廠之前消除掉，將對(duì)管道下游的設(shè)備，特別是處理廠原料氣的攜液量、壓力波動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖4 1#管道批處理工況下滯液量的變化曲線

表4 批處理工況下的模擬數(shù)值

3 段塞流捕集裝置選型與設(shè)計(jì)

3.1 段塞流捕集裝置簡介

段塞流捕集裝置能夠有效捕集和分離管道輸送氣相中的液體，消除對(duì)后續(xù)處理設(shè)備的沖擊，保證后續(xù)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，此外，在最大液塞到達(dá)時(shí)，可作為帶壓液體的臨時(shí)儲(chǔ)存器，平衡來流和去流，連續(xù)向下游供氣。段塞流捕集裝置可分為傳統(tǒng)容器式、指式和容積式等。

歐陽修致力于收集古金石拓本，積至千卷，又將其為拓本所作題跋匯集，編為《集古錄》(亦稱《集古錄跋尾》)一書，其子歐陽棐又編次其目，成《集古錄目》。從內(nèi)容上講，這兩本書顯然各有不同，一則近于文章評(píng)論與史學(xué)考證，一則為專門目錄；但從文獻(xiàn)形態(tài)而言，二者皆以書籍的面目出現(xiàn)并傳世。對(duì)朱熹來說，這些“古金石”的吸引力不僅來自其作為古物的一面，更是來自其作為文本或文獻(xiàn)的一面，他更看重的是其“古金石文字”的屬性。他將歐、趙二書進(jìn)行比較，指出《金石錄》“銓序益條理，考證益精博”，也著眼于其書籍與文獻(xiàn)的屬性，而無關(guān)于古物的收藏。從這一段話中也可以看出，在朱子看來，金石學(xué)與書籍及文獻(xiàn)都有密切的關(guān)系。

3.1.1 傳統(tǒng)容器式段塞流捕集裝置

容器式捕集器的基本結(jié)構(gòu)與臥式分離器類似[1]，由臥式容器及相應(yīng)的段塞流入口、氣體和液體排出口組成。容器內(nèi)一般設(shè)有除霧器，以提高液滴的分離效果。在液相排出口，一般設(shè)有防渦器，以避免氣相混在液體中排出。

3.1.2 指式段塞流捕集裝置

指式段塞流捕集裝置包括入口分離段和貯存段兩部分[2-3]。入口分離段用于氣液分離；貯存段是一組微下傾的平行管段，用于貯存液體，常用標(biāo)準(zhǔn)直徑的管段制造。

3.1.3 容積式段塞流捕集器

容積式段塞流捕集裝置是在傳統(tǒng)容器式段塞流捕集裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。它主要包括段塞流緩沖器、段塞流儲(chǔ)液器、收集器、控制系統(tǒng)等。段塞流緩沖器的作用是減緩段塞的沖擊能量，將不穩(wěn)定的氣液兩相流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的兩相流，氣相通向緩沖器的氣相出口，液相進(jìn)入儲(chǔ)液器。儲(chǔ)液器不承擔(dān)氣液分離任務(wù)，僅用于液體的緩沖與儲(chǔ)存，這樣可以增大儲(chǔ)液器的容積系數(shù)，見圖5。

圖5 容積式段塞流捕集器結(jié)構(gòu)

3.2 段塞流捕集裝置的比選與應(yīng)用

相同處理能力的指式與容積式段塞流捕集裝置對(duì)比見表5。

表5 指式與容積式段塞流捕集裝置的對(duì)比

由表5可知，指式段塞流捕集裝置太長，不適應(yīng)普光集氣總站目前總體布局要求。

3.2.2 傳統(tǒng)容器式與容積式段塞流捕集裝置的比較（見表6）

由表6可知，容積式段塞流捕集裝置與傳統(tǒng)容器式段塞流捕集裝置相比，容積率大，最低液位低，同樣的處理能力，容積式尺寸小，占地面積小。

表6 傳統(tǒng)容器式與容積式段塞流捕集裝置對(duì)比

容積式段塞流捕集裝置滿足普光集氣總站總體布局要求。該段塞流捕集裝置由緩沖器和儲(chǔ)液器組成，緩沖器主要是消除段塞流，使氣、液兩相分離；而儲(chǔ)存器的作用是儲(chǔ)存段塞流的液體。二者相輔相成，共同將批處理產(chǎn)生的段塞流消除。

通過為集氣總站增設(shè)段塞流捕集器，解決了管道批處理工況下生產(chǎn)分離器分離能力不足，原料氣攜液量短時(shí)間內(nèi)急劇增加的問題，保障了凈化廠的安全生產(chǎn)。

[1]梁金強(qiáng)，趙曉梅，蘇紅莉，等.段塞流捕集器[J].油氣田地面工程，2012，（9）：99.

[2]馮叔初，郭揆常，王學(xué)敏.油氣集輸[M].東營：石油大學(xué)出版社，1988：75-90.

[3]李玉星，劉紅波，姜昊，等.管式液塞捕集器設(shè)計(jì)及性能測試研究[J].天然氣工業(yè)，2009，29（12）：71-74.

Research and Design of Slug Catcher at Gas Gathering General Station in Puguang Gas Field

Zhang J un
Sinopec Petroleum Engineering DesignCo.，Ltd.，Dongying 257026，China

There is a large amount of slug flow in batch operation at Gas Gathering General Station in Puguang Gas Field，which affects normal operation of the Purification Plant.To solve this problem，a set of slug catcher should be selected and installed at Gas Gathering General Station.The slug flow rates in a pipeline section under normal production and batch operation are calculated respectively by using OLGA software.Based on the calculation results and the layout of Gas Gathering General Station at present，a set of slug catcher is rationally selected，installed and applied，and the slug flow problem is bettersolved.

Puguang Gas Field；slug catcher；batchoperation；numericalsimulation；OLGA

圖片報(bào)道：普光氣田集氣總站全景

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.014

張軍（1983-），男，湖北南漳人，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣加工與儲(chǔ)運(yùn)工作。

2015-01-06