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    克拉美麗氣田天然氣處理裝置工藝改造研究

    2016-02-16 11:36:33王治紅吳明鷗曹洪貴陶玉林
    天然氣與石油 2016年5期
    關(guān)鍵詞:工藝

    王治紅 吳明鷗 柳 海 張 鋒 曹洪貴 陶玉林

    1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 四川 成都 610500;2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213;3.新疆油田分公司采氣一廠, 新疆 克拉瑪依 834000

    克拉美麗氣田天然氣處理裝置工藝改造研究

    王治紅1吳明鷗2柳 海3張 鋒3曹洪貴3陶玉林3

    1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 四川 成都 610500;2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213;3.新疆油田分公司采氣一廠, 新疆 克拉瑪依 834000

    天然氣處理;節(jié)流;露點(diǎn)控制;丙烷制冷

    0 前言

    克拉美麗氣田天然氣處理廠位于準(zhǔn)噶爾盆地腹部的東部地區(qū)。氣田開(kāi)發(fā)初期按“新建設(shè)施優(yōu)化、已建設(shè)施簡(jiǎn)化”的原則降低投資,處理裝置采用高壓注醇防凍、節(jié)流膨脹制冷、淺冷分離脫水脫烴的工藝,主要控制外輸氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。但隨著氣田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā),壓力和氣量遞減快,導(dǎo)致沒(méi)有足夠的節(jié)流差壓降溫,無(wú)法滿足水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)控制要求,甚至部分低壓氣井所產(chǎn)天然氣無(wú)法進(jìn)入處理裝置。同時(shí),因氣井產(chǎn)水量的增加,導(dǎo)致乙二醇富液量增大,乙二醇再生塔負(fù)荷和能耗增加,再生裝置存在鹽析堵塞的問(wèn)題。為此,需要對(duì)天然氣處理裝置進(jìn)行工藝改造,提高裝置的適應(yīng)性和可靠性,以滿足外輸天然氣水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)控制要求。

    1 裝置現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

    1.1 裝置工藝流程

    克拉美麗氣田天然氣處理工藝流程見(jiàn)圖1,包括天然氣處理、凝析油處理和乙二醇再生三部分。

    來(lái)自集氣站的油氣混合物進(jìn)入斷塞流捕集器,分離出大部分的凝析油和水,天然氣進(jìn)入生產(chǎn)分離器,進(jìn)一步分離氣體攜帶的凝析油和水,離開(kāi)生產(chǎn)分離器的氣相經(jīng)注醇后進(jìn)入氣-氣換熱器(纏繞式換熱器)預(yù)冷,然后再經(jīng)二次注醇節(jié)流后,與一級(jí)閃蒸分離器來(lái)的閃蒸氣以及經(jīng)富氣壓縮機(jī)增壓后的富氣混合,再進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行氣液分離,離開(kāi)低溫分離器的氣相與氣-氣換熱器、穩(wěn)定凝析油復(fù)熱后作為外輸氣。

    離開(kāi)斷塞流捕集器與生產(chǎn)分離器的液體經(jīng)一級(jí)閃蒸換熱器加熱后進(jìn)入一級(jí)閃蒸分離器完成氣液分離,離開(kāi)一級(jí)閃蒸分離器分出的氣相去低溫分離器,液相經(jīng)降壓后再進(jìn)入二級(jí)閃蒸換熱器,進(jìn)一步升溫后進(jìn)二級(jí)閃蒸分離器完成油、氣、水三相分離,二級(jí)閃蒸分離器分出的氣相去富氣壓縮機(jī),水相去乙二醇再生裝置,凝析油與液烴分離器來(lái)凝析油混合后進(jìn)入凝析油緩沖罐,離開(kāi)緩沖罐的氣相去富氣壓縮機(jī),而液相進(jìn)凝析油穩(wěn)定塔進(jìn)行穩(wěn)定處理,穩(wěn)定塔塔頂富氣去富氣壓縮機(jī),離開(kāi)塔釜的穩(wěn)定凝析油經(jīng)過(guò)二級(jí)閃蒸換熱器、輕烴復(fù)熱器、氣-液換熱器順序換熱降溫后,進(jìn)入穩(wěn)定凝析油儲(chǔ)罐。

    1.段塞流捕集器;2.生產(chǎn)分離器;3.氣/氣換熱器;4.一級(jí)閃蒸分離;5.二級(jí)閃蒸分離;6.低溫分離器;7.凝析油穩(wěn)定塔;8.緩沖分離;9.液烴分離器;10.壓縮機(jī)入口分離器;11.輕烴復(fù)熱器;12.氣/液換熱器;13.二級(jí)加熱器圖1 克拉美麗氣田天然氣處理工藝流程

    1.2 天然氣組成及處理裝置運(yùn)行參數(shù)

    1.2.1 天然氣組成

    進(jìn)入天然氣處理裝置的原料氣組分見(jiàn)表1。

    表1 進(jìn)裝置原料氣組成

    名稱C1C2C3iC4nC4iC5組成x/(%)8287256792642079408560265名稱nC5C6C7+O2CO2N2組成x/(%)02040438049300102795467

    1.2.2 處理裝置運(yùn)行參數(shù)

    隨著克拉美麗氣田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā),天然氣進(jìn)裝置氣量、壓力以及溫度等都發(fā)生了變化,偏離處理裝置設(shè)計(jì)值。克拉美麗氣田天然氣處理裝置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)見(jiàn)表2。

    表2 處理裝置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)

    序號(hào)節(jié)點(diǎn)名稱設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)際參數(shù)1天然氣進(jìn)裝置壓力/kPa900075002天然氣進(jìn)裝置溫度/℃16263一級(jí)注醇量/(L·h-1)30384二級(jí)注醇量/(L·h-1)40445節(jié)流前壓力/kPa900074606節(jié)流前溫度/℃-5127節(jié)流后溫度/℃-17-368節(jié)流后壓力/kPa4000~500042609外輸干氣水露點(diǎn)/℃≤-10℃-3610外輸干氣烴露點(diǎn)/℃≤-10℃-3611液烴分離器溫度/℃25~304012液烴分離器壓力/kPa15001200

    1.3 裝置存在的問(wèn)題

    根據(jù)表2可知:隨著克拉美麗氣田的開(kāi)發(fā),天然氣進(jìn)裝置壓力下降,天然氣進(jìn)裝置溫度增高以及天然氣氣量不足等,導(dǎo)致處理裝置運(yùn)行中存在諸多問(wèn)題:

    1)天然氣進(jìn)裝置壓力下降,使節(jié)流膨脹沒(méi)有足夠壓差,節(jié)流后溫度升高,導(dǎo)致水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)無(wú)法滿足外輸天然氣水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)控制要求,天然氣進(jìn)裝置的溫度為26 ℃、壓力對(duì)露點(diǎn)和節(jié)流溫差的影響見(jiàn)圖2。

    圖2 天然氣進(jìn)裝置壓力對(duì)露點(diǎn)和節(jié)流溫差的影響

    由圖2可知,外輸氣的露點(diǎn)隨著天然氣進(jìn)裝置壓力降低而升高。在目前天然氣進(jìn)裝置的溫度為26 ℃時(shí),當(dāng)進(jìn)裝置壓力下降到7 500 kPa時(shí),外輸氣露點(diǎn)為-3 ℃左右,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值-10 ℃。故現(xiàn)有裝置對(duì)壓力下降較快氣田的適應(yīng)性較差。

    2)天然氣進(jìn)裝置的溫度高于設(shè)計(jì)值16 ℃,造成天然氣預(yù)冷后的溫度升高,高于設(shè)計(jì)值;在天然氣裝置壓力 7 500 kPa 時(shí),使用現(xiàn)有預(yù)冷氣換熱器,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬,進(jìn)裝置天然氣溫度變化對(duì)外輸天然氣水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的影響見(jiàn)圖3。

    圖3 天然氣進(jìn)裝置溫度對(duì)露點(diǎn)的影響

    3)天然氣處理量下降明顯,偏離設(shè)計(jì)操作彈性范圍較大。

    4)乙二醇再生裝置因水分蒸發(fā)導(dǎo)致重沸器鹽析堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重。

    因此“高壓注醇、節(jié)流膨脹制冷、淺冷分離脫水脫烴”天然氣處理工藝對(duì)天然氣進(jìn)裝置的溫度和壓力適應(yīng)性較差,已經(jīng)無(wú)法滿足氣田進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的需要。

    2 處理裝置工藝改造方案

    2.1 裝置總體改造方案

    目前,克拉美麗氣田天然氣處理裝置的外輸氣露點(diǎn)受原料氣溫度、壓力等因素影響明顯,已經(jīng)無(wú)法滿足氣田進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的需要。為增強(qiáng)天然氣處理裝置對(duì)克拉美麗氣田后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的適應(yīng)性,提出“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝[2],見(jiàn)圖4。取消了注醇防凍系統(tǒng)和乙二醇再生系統(tǒng),增加了分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)裝置改動(dòng)較小,可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備[3-5]。

    圖4 克拉美麗氣田天然氣處理裝置改造方案示意圖

    來(lái)自生產(chǎn)分離器的氣相進(jìn)入分子篩吸附脫水,可使水露點(diǎn)降至-50 ℃以下,脫水后天然氣進(jìn)入氣/氣換熱器預(yù)冷后再經(jīng)過(guò)J-T閥節(jié)流進(jìn)一步降溫,然后再經(jīng)丙烷制冷系統(tǒng)補(bǔ)充冷量,使天然氣中重?zé)N盡可能冷凝下來(lái),以保證烴露點(diǎn),最后從低溫分離器出來(lái)的干氣經(jīng)過(guò)氣/氣換熱器回收冷量后外輸[6-8]。

    2.1.1 分子篩干燥系統(tǒng)

    分子篩干燥器選擇雙塔工藝,切換周期8 h,采用差壓再生工藝,其單塔循環(huán)為:加熱再生→冷吹→充壓→并流切換→吸附→卸壓后準(zhǔn)備再生[9-15],切換步驟見(jiàn)表3。

    對(duì)分子篩干燥器進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì):處理量為150×104m3/d,選擇4 A型分子篩,分子篩平均直徑3.2 mm,分子篩堆積密度660 kg/m3。計(jì)算得到分子篩干燥器塔直徑1 800 mm,高度7 200 mm。

    表3 干燥塔切換步驟

    項(xiàng)目切換步驟所用時(shí)間吸附熱吹(再生)4h冷吹3h升壓25min并流切換切換10min泄壓(準(zhǔn)備再生)開(kāi)始吸附25min

    2.1.2 丙烷制冷系統(tǒng)

    新增丙烷制冷系統(tǒng),丙烷制冷系統(tǒng)采用兩級(jí)制冷循環(huán)[16-18],工藝流程見(jiàn)圖5。

    圖5 丙烷制冷流程

    圖5中離開(kāi)儲(chǔ)罐的丙烷經(jīng)節(jié)流后壓力降為149 kPa,丙烷進(jìn)入閃蒸罐經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流壓力降至99 kPa,溫度降為-42.7 ℃,經(jīng)過(guò)換熱器后,丙烷進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)增壓至630 kPa,與閃蒸罐罐頂?shù)臍庀啾閰R合,經(jīng)丙烷壓縮機(jī)二級(jí)增壓至1 155 kPa,經(jīng)空冷器冷卻后進(jìn)入丙烷儲(chǔ)罐繼續(xù)循環(huán)[19-20]。

    2.2 工藝改造后裝置運(yùn)行參數(shù)

    將原裝置改造為“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝后,克拉美麗氣田天然氣處理裝置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表4。

    工藝改造后,外輸干氣的烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)均能滿足設(shè)計(jì)要求≤-10 ℃,且從表4可以看出:

    1)采用分子篩吸附脫水,外輸氣的水露點(diǎn)受原料氣壓力、溫度及流量影響很小,水露點(diǎn)控制有保證,可控制在<-30 ℃。同時(shí),還可以消除處理裝置因水合物而導(dǎo)致的凍堵隱患。

    2)在原料氣有壓差可用時(shí),利用J-T閥獲得部分冷量;在沒(méi)有壓差或原料氣溫度較高時(shí),可以通過(guò)調(diào)節(jié)丙烷循環(huán)量來(lái)適應(yīng)原料氣溫度、壓力及流量的變化。

    3)采用“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝對(duì)原料氣的適應(yīng)性很好,烴露點(diǎn)控制穩(wěn)定。

    2.3 工藝改造工程量及投資

    工藝改造工程量及主要設(shè)備投資見(jiàn)表5。

    表4 工藝改造后處理裝置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)

    序號(hào)節(jié)點(diǎn)名稱工藝改進(jìn)參數(shù)實(shí)際參數(shù)1天然氣進(jìn)裝置壓力/kPa4000500060007000750075002天然氣進(jìn)裝置溫度/℃2626262626263一級(jí)注醇量/(L·h-1)-----384二級(jí)注醇量/(L·h-1)-----445節(jié)流前壓力/kPa3920492059206920742074606節(jié)流前溫度/℃6565656565127節(jié)流后溫度/℃-17-42-65-617-677-368節(jié)流后壓力/kPa2500312537504300460042609丙烷制冷前溫度/℃-15-37-57-73-96-10丙烷制冷后溫度/℃-20-20-20-20-20-11外輸干氣水露點(diǎn)/℃-3269-3309-3383-344-358-7712外輸干氣烴露點(diǎn)/℃-147-151-155-161-166-3613液烴分離器溫度/℃3993673383103094014液烴分離器壓力/kPa140014001400140014001200

    表5 工藝改造工程量及主要設(shè)備投資

    項(xiàng)目數(shù)量/套單價(jià)/萬(wàn)元丙烷制冷系統(tǒng)11600分子篩干燥器21050管線改造1150乙二醇加注系統(tǒng)1拆除乙二醇回收系統(tǒng)1拆除總計(jì)-2800

    2.4 工藝改造可行性分析

    工藝改造的主體是增加了分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),去除了乙二醇脫水及再生裝置。僅需增加2臺(tái)分子篩干燥器和1套丙烷制冷系統(tǒng),工程改造量不大,在目前的裝置上易于實(shí)施。

    3 工藝改造后的效果

    3.1 工藝改造后的適應(yīng)性

    工藝改造的關(guān)鍵在于分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),其中分子篩脫水系統(tǒng)控制水露點(diǎn),丙烷制冷系統(tǒng)控制烴露點(diǎn)。

    采用分子篩吸附脫水具有顯著優(yōu)點(diǎn),外輸天然氣水露點(diǎn)低,對(duì)原料氣溫度、壓力及流量的變化不敏感,不存在氣體水合物凍堵問(wèn)題,而且無(wú)嚴(yán)重的腐蝕及起泡[3-4]。丙烷制冷可以很好地調(diào)控系統(tǒng)的溫度,控制烴露點(diǎn)值[5]。

    在進(jìn)料溫度為26 ℃、氣量150×104m3/d和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時(shí),外輸氣烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)隨進(jìn)氣壓力的影響見(jiàn)圖6。

    由圖6可知,由于分子篩脫水系統(tǒng)脫水性能優(yōu)異,水露點(diǎn)值較低,且隨壓力升高而升高,均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值-10 ℃。

    在進(jìn)料壓力為7 000 kPa、氣量150×104m3/d和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時(shí),進(jìn)料溫度對(duì)烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)的影響見(jiàn)圖7。

    圖6 外輸氣烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)隨進(jìn)氣壓力的影響

    圖7 外輸氣烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)隨進(jìn)氣溫度的影響

    由圖7可知,進(jìn)氣溫度的變化對(duì)水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)影響較小,烴露點(diǎn)依然控制在-20 ℃左右,烴露點(diǎn)隨進(jìn)料溫度上升而略有升高,但幅度較小。

    在進(jìn)料壓力為7 000 kPa、溫度為26 ℃和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時(shí),原料氣處理量對(duì)烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)的影響見(jiàn)圖8。

    圖8 外輸氣烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)受原料氣處理量的影響

    從圖8可知,處理量的變化對(duì)水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)影響也較小。

    由圖6、8可知,裝置工藝改造后,進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度及處理量的變化對(duì)外輸干氣的烴露點(diǎn)和水露點(diǎn)影響較小,裝置適應(yīng)能力較好。若原料氣進(jìn)裝置壓力下降,可以通過(guò)增加丙烷循環(huán)量,使制冷系統(tǒng)的制冷量增加,以保證外輸氣烴露點(diǎn)。若原料氣進(jìn)裝置的溫度、氣量發(fā)生改變均可通過(guò)對(duì)丙烷循環(huán)量的調(diào)節(jié),來(lái)保證外輸氣烴露點(diǎn),過(guò)程簡(jiǎn)便快捷。

    因此,隨氣田開(kāi)采的進(jìn)程,采用“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝對(duì)天然氣氣質(zhì)變化有較好的適應(yīng)性。

    3.2 工藝改造后的經(jīng)濟(jì)性

    將工藝改造方案的費(fèi)用匯總后,經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)核算,主要財(cái)務(wù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

    表6 工藝改造經(jīng)濟(jì)核算

    項(xiàng)目數(shù)量/套單價(jià)/萬(wàn)元丙烷制冷系統(tǒng)11600分子篩干燥器21050管線改造1150乙二醇加注系統(tǒng)1拆除乙二醇回收系統(tǒng)1拆除總計(jì)-2800

    工藝改造后,靜態(tài)投資回收期較短,符合經(jīng)濟(jì)效益。

    4 結(jié)論

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    10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.004

    2016-04-07

    王治紅(1974-),男,四川成都人,副教授,碩士,主要從事天然氣處理與加工、石油煉制與加工方向教學(xué)和科研工作。

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