集氣站放空氣的回收工藝探討

王曉雯

摘 要：大牛地氣田在勘探開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中有大量的天然氣被直接排放或火炬燃燒，目前開展了CNG、LNG、高壓引流等措施回收了部分天然氣，但與放空總量相比不足10%。文章著重探討集氣站放空氣的回收與利用，提出合理的技術(shù)建議，為氣田節(jié)能減排提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：集氣站；放空氣；減排技術(shù)；回收與利用

中圖分類號(hào)：TE868 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0175-02

1 集氣站放空氣的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

根據(jù)大牛地氣田氣藏特點(diǎn)和多年滾動(dòng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，形成了“井口不節(jié)流、高壓進(jìn)站”的標(biāo)準(zhǔn)化單井采氣流程。取消了氣井井場(chǎng)處理設(shè)施，集中在集氣站統(tǒng)一處理，因此氣井生產(chǎn)過(guò)程中的放空也集中在集氣站發(fā)生。

集氣站放空的天然氣不同于油田伴生氣回收，它具體有以下特點(diǎn)：

①瞬時(shí)流量大。最大瞬時(shí)流量達(dá)到2 000 Nm3/h。

②氣體含液量大，且攜帶有凝析油、甲醇等物質(zhì)，需要完全回收，流程中需多級(jí)氣液分離。

集氣站放空氣由于流程和壓力等級(jí)不同，分為高、中、低三級(jí)放空，放空管道均刷紅色漆。目前高壓壓力集中在4.5 MPa及以上，中壓集中在3.72 MPa，低壓集中在0.3 MPa及以下。

2 集氣站放空氣回收工藝選擇和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

集氣站高中壓放空氣在站內(nèi)匯總后，由DN80放空管道，進(jìn)入站外的放空火炬區(qū)。經(jīng)雙筒式分液罐分離后，氣體在火炬處點(diǎn)火燃燒；液體返輸回站內(nèi)經(jīng)油水計(jì)量罐后存放在油水緩沖罐。低壓放空氣經(jīng)DN25放空匯管直接進(jìn)入放空火炬點(diǎn)火燃燒。

2.1 回收氣的用途

集氣站放空氣回收后的用途有兩種：一是直接增壓后輸送到站內(nèi)；二是加工成CNG、LNG后外銷。本文重點(diǎn)探討直接輸送站內(nèi)。

2.2 回收系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)

高中壓放空氣經(jīng)分液罐后進(jìn)入火炬，由于罐體的設(shè)計(jì)壓力為0.3 MPa，因此出口處的壓力不大于0.3 MPa。低壓放空氣來(lái)自于儲(chǔ)罐等設(shè)備，壓力均為0.3 MPa。因此，放空區(qū)氣體的最高壓力為0.3 MPa，即為回收系統(tǒng)工藝氣的起點(diǎn)壓力。

考慮到回收的放空氣回注集氣站內(nèi)，因此選取站內(nèi)的壓力為回收系統(tǒng)工藝氣的終點(diǎn)壓力。集氣站共有三個(gè)壓力等級(jí)系統(tǒng)，分為進(jìn)站高壓區(qū)、中壓分離外輸區(qū)和低壓儲(chǔ)罐區(qū)。其中，氣田集氣站進(jìn)站壓力平均為7.68 MPa，出站壓力分布在3.56～4.05 MPa；低壓儲(chǔ)罐區(qū)的壓力全部為0.3 MPa。結(jié)合集氣站站內(nèi)工藝流程，目前僅在外輸系統(tǒng)有一處預(yù)留閥門DN150。因此，最合理的選擇是外輸區(qū)，將終點(diǎn)壓力選擇為3.8 MPa。

2.3 回收系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

2.3.1 回收工藝的篩選

目前國(guó)內(nèi)天然氣回收技術(shù)共有7類，考慮到集氣站遠(yuǎn)離城市配備有外輸系統(tǒng)且沒有低壓氣用戶，同時(shí)配備的變壓器負(fù)荷小供電能力有限，經(jīng)過(guò)比選，選擇耗電小、壓縮比高、流程簡(jiǎn)單的壓縮機(jī)增壓工藝回收放空氣。該流程所需的分液系統(tǒng)利用集氣站放空流程工藝。

2.3.2 取氣點(diǎn)位置的選取

考慮到放空氣需增壓，因此需要將氣體進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合現(xiàn)有的工藝流程，選取在分液罐后回收放空氣為較理想的點(diǎn)。

原因主要有：

①雙筒式閃蒸分液罐可減少放空過(guò)程中天然氣攜帶游離水情況，消除氣體流速控制不當(dāng)導(dǎo)致游離水進(jìn)入放空火炬帶來(lái)的安全隱患[1]。

②分液罐的設(shè)計(jì)尺寸為Φ1 400×5 770，滿足分離氣體中液滴直徑大于300μm 的工藝設(shè)計(jì)條件[2]。

③分液罐和放空火炬間安裝有阻火器，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)切換，保證集氣站放空系統(tǒng)正常運(yùn)行。

④高中壓放空氣均經(jīng)分液罐進(jìn)入火炬，在該點(diǎn)接入回收系統(tǒng)可最大程度地回收。

世界上早有在火炬系統(tǒng)回收的技術(shù)。1998年Umoe工藝技術(shù)公司（UPT）開發(fā)的火炬放空氣回收技術(shù)在北海挪威海區(qū)迅速興起。Gull-faks A是第一座安裝該系統(tǒng)的平臺(tái)，每年節(jié)資近 2 000萬(wàn)挪威克朗，平均每年可外輸0.23×108 m3的氣體[3]。

2.3.3 回注點(diǎn)位置的選取

高壓系統(tǒng)：主要是進(jìn)站閥組區(qū)，壓力多在 8MPa以上，且影響到全部進(jìn)站生產(chǎn)單井，因此不宜設(shè)置為回注點(diǎn)。

低壓系統(tǒng)：集氣站內(nèi)低壓系統(tǒng)允許收集氣體的設(shè)備是分水包。該設(shè)備公稱直徑為600 mm、高度為2 930 mm，最大工作壓力為0.3 MPa?？紤]到集氣站瞬間放空量較大，對(duì)分氣包容積要求較大，因此不宜選擇為回注點(diǎn)。

中壓系統(tǒng)：主要分布著各類生產(chǎn)與計(jì)量分離器，是集氣站生產(chǎn)的核心區(qū)域，任何一臺(tái)設(shè)備、環(huán)節(jié)停產(chǎn)都將影響全站生產(chǎn)。其中，計(jì)量分離器設(shè)計(jì)時(shí)考慮接入8口氣井，若仍有未使用的流程可作為備選方案；外輸管道上設(shè)置有預(yù)留閥門，可作為回注點(diǎn)。

結(jié)合多數(shù)集氣站現(xiàn)場(chǎng)情況和大牛地氣田滾動(dòng)開發(fā)模式，在外輸管道上選取預(yù)留閥門為回注點(diǎn)最佳。

2.3.4 回收核心設(shè)備的選取

放空氣含有少量的液體，壓縮比達(dá)到12.6，排氣范圍為1～5×104m3/d，經(jīng)過(guò)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍的分析比較，決定選用往復(fù)式壓縮機(jī)。

2.4 回收系統(tǒng)工藝路線

回收系統(tǒng)具體工藝路線為：

①放空氣體經(jīng)分離罐上部管路進(jìn)入回收設(shè)備即三級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)；

②放空氣體進(jìn)入增壓機(jī)后，依次一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)壓縮，壓力增至4.0 MPa。壓縮后的氣體含液量很小，滿足外輸要求可直接輸入站內(nèi)的外輸管線；

③壓縮過(guò)程中分離出的液體通過(guò)泵自動(dòng)打入分離罐下部液箱內(nèi)；

④原火炬流程保留，僅在分液罐上部管路安裝一個(gè)截?cái)嚅y和破裂膜片作為備用。若放空氣體量較大，回收裝置來(lái)不及處理，或設(shè)備維護(hù)檢修期間，氣體通過(guò)原流程放空；

⑤回收設(shè)備的啟停、各級(jí)溫度和壓力、瞬時(shí)流量、總流量、電壓電流、總功率等參數(shù)可在站內(nèi)監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)管，可遠(yuǎn)程操作。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)防控及措施

天然氣是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度達(dá)到550 ℃即可燃燒。天然氣爆炸范圍也很小，當(dāng)濃度達(dá)到5%～15%就會(huì)爆炸。因此，回收系統(tǒng)重點(diǎn)需要防控三方面的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.1 防控空氣混入管道

一是根據(jù)放空量選擇合適排量的設(shè)備。理論上電機(jī)功率足夠大，便可及時(shí)抽走放空的天然氣，但會(huì)帶來(lái)設(shè)備負(fù)荷大、能耗高的問(wèn)題。需要準(zhǔn)確測(cè)算放空氣量選用合適的機(jī)型。

二是回收系統(tǒng)工作時(shí)，與分離罐相連的火炬管線關(guān)閉，回收系統(tǒng)的放空氣體通常設(shè)置正常值。若超過(guò)設(shè)計(jì)值，回收系統(tǒng)關(guān)閉，火炬管線上的閥門自動(dòng)或人工打開。

三是選用的電器設(shè)備全部為防爆產(chǎn)品。

四是電控箱與設(shè)備安裝符合防爆距離要求，并在站內(nèi)監(jiān)控室遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備有故障會(huì)及時(shí)報(bào)警，出現(xiàn)險(xiǎn)情可及時(shí)自?；蛉斯ねC(jī)。

2.5.2 防控天然氣泄漏

一是做好設(shè)備的安裝和防震等工作。

二是定期巡查，做好生產(chǎn)管理。

三是安裝氣體監(jiān)測(cè)傳感器，一旦泄露及時(shí)報(bào)警。

2.5.3 防控火炬回火

一是保留系統(tǒng)中原有的阻火器。為防止在回收作業(yè)的同時(shí)低壓系統(tǒng)放空，由于放空火炬安裝自動(dòng)點(diǎn)火裝置，因此需要保留原有的阻火器防止回火。

二是在分液罐出口管道上安裝破裂膜片。一方面可阻擋回火，另一方面防止回收系統(tǒng)超壓時(shí)無(wú)法放空，作為備用。

3 集氣站放空氣回收效果預(yù)測(cè)

3.1 項(xiàng)目整體投資概算

方案1：選擇燃?xì)怛?qū)往復(fù)式壓縮機(jī)組（排量1 000～2 000 Nm3/h，功率208 kW，燃?xì)庀?6 Nm3/h），回收率可達(dá)100%。設(shè)備投資273萬(wàn)元，流程改造和安裝調(diào)試費(fèi)用50萬(wàn)元，日常維護(hù)運(yùn)行成本暫不考慮，項(xiàng)目總費(fèi)用為323萬(wàn)元。

方案2：選擇9 K機(jī)型（排量375 Nm3/h，功率55 kW），2臺(tái)回收裝置，回收率可達(dá)60%。設(shè)備投資180萬(wàn)元，現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)輸、安裝和調(diào)試費(fèi)約20萬(wàn)，項(xiàng)目總費(fèi)用為200萬(wàn)元。

結(jié)論：每座集氣站實(shí)現(xiàn)回收能力2 000 Nm3/h，需要投資費(fèi)用350萬(wàn)元。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

大牛地氣田目前共投產(chǎn)62座集氣站，如果能安全將放空氣回收，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 集氣站直接增產(chǎn)2.14%～10%

以2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，平均每天的放空氣量為23.55×104 m3/d，全廠平均日產(chǎn)為1 096×104 m3/d，占比達(dá)到2.14%。以12號(hào)集氣站為例，平均日產(chǎn)量25×104 m3/d，每天放空的氣約為2～3×104 m3/d，約占全站產(chǎn)量的10%，經(jīng)回收系統(tǒng)增壓回輸站內(nèi)可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)10%的目標(biāo)。按照回收50%計(jì)算，全年可增加銷售額7 951.06萬(wàn)元（天然氣價(jià)格1.8元/m3）。

3.2.2 每年可大幅減少溫室氣體排放

以2015年總放空量0.9×108 m3為例，放空氣回收率達(dá)到50%，則每年可減少溫室氣體排放量達(dá)到7.92×104 tCO2（燃燒 1 m3天然氣，產(chǎn)生1.76 kg的二氧化碳），參與碳交易可獲得396萬(wàn)元。

結(jié)論：每年回收50%的放空氣，在31座集氣站開展回收，可獲得經(jīng)濟(jì)效益為8 346.06萬(wàn)元。

3.3 社會(huì)效益分析

①減少集氣站周邊環(huán)境和土地的污染。放空系統(tǒng)設(shè)有分液罐，但在放空過(guò)程中仍有少量的液體被帶到火炬中噴灑到周邊的土壤中。由于液體中含有甲醇（易燃有毒）、少量的凝析油（易燃）、地層水等，給周邊環(huán)境帶來(lái)影響。

②減少了天然氣的燃燒量，實(shí)現(xiàn)了氣田的清潔生產(chǎn)。

③通過(guò)回收系統(tǒng)將放空氣中的液體充分回收，同時(shí)通過(guò)自控系統(tǒng)，可減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)全文分析，在31座集氣站投資10 850萬(wàn)元回收放空氣，每年可獲利8 346.06萬(wàn)元，投資回收期僅為1.3 a，并且社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益巨大，可盡快試驗(yàn)后推廣應(yīng)用。

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