甲醇自動加注技術在輕烴外輸系統(tǒng)的應用

胡建立（大慶油田建設集團有限責任公司工程公司第二工程處）

甲醇自動加注技術在輕烴外輸系統(tǒng)的應用

胡建立（大慶油田建設集團有限責任公司工程公司第二工程處）

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴含有部分水，冬季管輸時為防止出現(xiàn)水合物凍堵而加注甲醇。甲醇加注量過多，增加裝置的物耗和能耗。為了解決上述問題，新建了一套甲醇自動加注防凍堵系統(tǒng)，通過對輕烴含水量的檢測和輕烴輸送量的綜合計算，適時調(diào)節(jié)甲醇加注量，實現(xiàn)了既不發(fā)生凍堵，又節(jié)能的目的。每年節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，經(jīng)過裝置實際運行檢驗，應用效果良好。

輕烴輸送；水合物；凍堵；甲醇；自動加注

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴通常含有0.005%～ 0.01%的游離水，冬季向外輸送時，需要持續(xù)加注甲醇以防止發(fā)生水合物凍堵。甲醇加注量為統(tǒng)一規(guī)定的輕烴輸送量的3%～5‰，每年消耗甲醇較多，約為160～170 t。為解決該問題，真正做到生產(chǎn)裝置的節(jié)能、環(huán)保，需要在原油穩(wěn)定裝置內(nèi)部新建一套甲醇自動加注撬裝系統(tǒng)，在裝置外輸輕烴時，自動啟動自適應甲醇加注系統(tǒng)，保證裝置的安全平穩(wěn)運行。

1 輕烴輸送凍堵的成因

1.1 水合物形成的機理

當C1～C4的烷烴分子溶于水時，水分子將圍繞著這些烷烴分子定向排列，形成不穩(wěn)定晶核簇，這些不穩(wěn)定簇在水合物生成過程中起著基塊的作用，這段時期是水合物生成的誘導期。不穩(wěn)定晶核簇一旦形成就可以迅速生長聚集形成穩(wěn)定的晶核，這就是水合物的生長階段。如果在該階段輸送的輕烴受到的擾動力、驅(qū)動力較大，作用力越強，水合物生長的速率越快[1]。

1.2 水合物形成的條件

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴含有部分C1～C4的烷烴組分，而且含水比較多。輕烴在輸送管道中，當壓力和溫度都達到一定范圍時會形成烴類水合物。烴類水合物的形成條件比較溫和，通常溫度范圍是10℃以下，壓力范圍在3～5 MPa之間。水合物很容易在管道的轉(zhuǎn)彎或者節(jié)流等流體出現(xiàn)擾動處聚集，堵塞輸送管道。水合物生成的臨界溫度見表1。

表1 水合物生成的臨界溫度

2 甲醇自動加注技術

甲醇是一種無色、透明、易燃和有毒的液體，能與水和大多數(shù)有機物相混溶，遇到熱、明火或氧化劑容易著火。反復接觸甲醇蒸氣會導致失明，甚至死亡，有一定的危險性。

南八原油穩(wěn)定裝置原來的2臺甲醇加注泵在輕烴外輸泵房內(nèi)，甲醇泵為容易泄漏的柱塞泵，泄漏的甲醇在泵房內(nèi)聚集，對巡檢的員工有毒害性。本項目的實施，將甲醇自動加注的撬裝系統(tǒng)置于泵房外，應用的隔膜泵是無泄漏泵，平時該撬裝系統(tǒng)的維護量很小，杜絕了員工的中毒風險。

2.1 加注甲醇防止輕烴發(fā)生水合物凍堵的機理

防止輕烴輸送時發(fā)生水合物凍堵就必須破壞水合物形成的條件，提高輕烴溫度和改變流體形態(tài)都很難實現(xiàn)。通過加入水合物抑制劑,水合物的生成曲線可移向較低溫度,經(jīng)常采用的水合物抑制劑有甲醇、乙二醇和三甘醇等[2]。在工程上，甲醇是優(yōu)良的熱力學抑制劑，通過向輕烴內(nèi)加注甲醇阻止游離水析出，能夠杜絕烴類水合物的生成。

2.2 甲醇自動加注系統(tǒng)的工藝技術方案

在原油穩(wěn)定裝置輕烴外輸泵房外安裝甲醇自動加注撬裝系統(tǒng)，甲醇泵的安裝高度低于甲醇儲罐的最低高度。該撬裝系統(tǒng)由2臺變頻電動機驅(qū)動的隔膜計量泵、1套耐低溫的甲醇泵控制PLC和1個變頻電動機動力柜組成。甲醇自動加注系統(tǒng)的出口線安裝手動截止閥和單流閥各1臺，并碰接在原甲醇系統(tǒng)出口管線的單流閥后側(cè)，與原系統(tǒng)并聯(lián)；甲醇泵入口安裝截止閥和過濾器，出口安裝超壓回流保護。

在輕烴外輸泵房內(nèi)輕烴外輸泵入口前某一合適位置，安裝在線輕烴含水分析儀一臺，分析儀輸出的輕烴含水信號引入撬裝PLC內(nèi)；輕烴外輸質(zhì)量流量計輸出信號引入撬裝PLC，此信號與輕烴含水量信號通過相應的函數(shù)計算出甲醇的加注量和變頻電動機對應的輸入頻率，從而自動調(diào)節(jié)甲醇泵的加注量。改造示意見圖1。

圖1 甲醇自動加注系統(tǒng)改造示意圖

2.3 甲醇自動加注系統(tǒng)控制方案

1）當PLC檢測到環(huán)境溫度不高于10℃時，啟動輸烴加注甲醇程序。

2）PLC讀入輕烴質(zhì)量流量計和輕烴含水分析儀數(shù)據(jù)，計算出輕烴內(nèi)含水總量，通過甲醇水溶液的性質(zhì)計算出理論甲醇加注量。其中，甲醇泵排量和變頻電動機的運行頻率成正比。南八原油穩(wěn)定項目中選擇的甲醇體積分數(shù)為65%，此時對應的凝固點約為-70℃（表2）。

表2 甲醇水溶液體積比和凝固點對應

甲醇泵的電動機工作輸入頻率由式（1）計算得出：

H——電動機輸入頻率，Hz；

F——輕烴質(zhì)量流量計流量，t/h；

A——輕烴含水率，%。

3）甲醇泵的啟停和輕烴外輸泵啟動信號與環(huán)境溫度信號做與運算的輸出相關聯(lián)，當結果為真時，甲醇泵自動啟動。

4）主甲醇泵啟動失敗后自動切換啟動輔助甲醇泵，并輸出報警信號。

5）輕烴外輸泵停止3 s后，停甲醇泵。

6）如果輕烴流量或輕烴含水分析儀輸入信號任意一個有故障時，則PLC向主控室DCS上輸出聲光報警，撬裝PLC自動將甲醇加注量控制程序的輸出置為最大值，即PLC控制變頻電動機的頻率為50 Hz，甲醇泵注入量為150 L/h，直到輸入信號正常為止。

7）如果環(huán)境溫度低于10℃，且輕烴泵處于運行狀態(tài)，但是甲醇泵沒有運行，則PLC向DCS輸出報警。

8）DCS上顯示甲醇自動加注系統(tǒng)甲醇泵的運行狀態(tài)和PLC與DCS通訊是否正常狀態(tài)，如果出現(xiàn)PLC與DCS通訊故障，則在DCS上顯示聲光報警，提示必須進行維修。

（9）如果PLC存在故障，而此時輕烴泵必須啟動，則手動啟動輕烴泵房內(nèi)的備用甲醇泵。

控制邏輯圖見圖2。

圖2 甲醇自動加注控制邏輯圖

2.4 技術應用效果

甲醇自動加注系統(tǒng)自從2014年在南八原油穩(wěn)定裝置現(xiàn)場應用以來，從未出現(xiàn)過輕烴輸送管線凍堵現(xiàn)象。按照2013年的裝置物耗統(tǒng)計，南八原油穩(wěn)定裝置原來每年需要加注甲醇約160 t，本項目實施后每年只需要加注甲醇12 t左右。每年可節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，直接經(jīng)濟效益20余萬元。

輕烴內(nèi)加注的甲醇會聚集在丙烷餾分中，過量地加注會導致下游化工裝置催化劑失活，間接經(jīng)濟效益也很大。

2.5 系統(tǒng)存在的問題

1）甲醇計量泵對甲醇的計量是開環(huán)的，實際甲醇的加注量是由計算得出，不能直觀反映甲醇加注量。

2）輕烴輸送管線可能距離很長，當環(huán)境溫度下降，系統(tǒng)開始加注甲醇時，管線里的輕烴有可能形成烴類水合物。

3 結論

甲醇自動加注系統(tǒng)運用了輕烴含水率與輕烴外輸流量計算出輕烴含水量，從而計算出需要加注的甲醇量和電動機對應頻率。PLC通過檢測環(huán)境溫度和輕烴泵的運行狀態(tài)自動判斷是否啟動甲醇泵，實現(xiàn)了南八原油穩(wěn)定輕烴管輸時能夠既防止出現(xiàn)水合物凍堵，又可實時調(diào)節(jié)加注量。提高了甲醇加注效率，降低了甲醇的消耗，保障了原油穩(wěn)定裝置及輕烴管網(wǎng)的平穩(wěn)運行。

[1]李明川，樊栓獅.天然氣水合物形成過程3階段分析【J].可再生能源，2010，28（5）：80-83.

[2]王海霞,陳保東,陳樹軍.輸氣管線中水合物的形成及預防[J].天然氣與石油，2006，24（1）：29-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.017

2016-05-27

（編輯 李珊梅）

胡建立，工程師，2002年畢業(yè)于佳木斯工學院（機械設備與工藝專業(yè)），從事油田建設方面工作，E-mail：163daqing@163. com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田建設集團有限責任工程公司第二工程處，163000。