天然氣烴水露點(diǎn)控制問(wèn)題探討

申雷昆，蔣 洪

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500）

天然氣烴水露點(diǎn)控制問(wèn)題探討

申雷昆，蔣 洪

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500）

烴水露點(diǎn)為管輸天然氣的重要指標(biāo)，其高低對(duì)管道輸送有較大影響，因此如何控制露點(diǎn)在氣田處理工藝中成為最主要的內(nèi)容。目前，我國(guó)高壓氣田大多采用節(jié)流注醇控制烴水露點(diǎn)，但發(fā)現(xiàn)有些氣田低溫分離器入口溫度偏離設(shè)計(jì)值加大，低溫分離器出現(xiàn)堵塞以及外輸干氣存在反凝析現(xiàn)象、管道末站有液烴析出等問(wèn)題。經(jīng)研究得知:這些問(wèn)題主要是換熱器、低溫分離器選型不合理以及外輸干氣烴露點(diǎn)控制要求存在不足造成的。對(duì)于上述問(wèn)題，分別從工藝流程設(shè)計(jì)、低溫分離器及換熱器選型上提出解決方案。

露點(diǎn)；反凝析；醇；低溫分離器

天然氣處理中控制烴水露點(diǎn)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，國(guó)家規(guī)范GB17802－2012《天然氣》以及GB50251－2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)天然氣烴水露點(diǎn)做了明確說(shuō)明。不同氣質(zhì)條件控制烴水露點(diǎn)的方式不同，對(duì)于有壓差可利用的氣源，可通過(guò)J-T閥或膨脹機(jī)膨脹制冷實(shí)現(xiàn)脫水脫烴，由于J-T閥膨脹制冷工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備操作方便、能耗低，因此我國(guó)氣田應(yīng)用較多，如克拉美麗氣田、克深氣田、克拉2、迪那2、牙哈、吉拉克凝析氣田、榆林氣田、大牛地氣田等；對(duì)于壓差較少或無(wú)壓差可用的氣源可利用外冷實(shí)現(xiàn)脫水脫烴，外冷冷源由制冷劑提供（如丙烷、氨），我國(guó)長(zhǎng)北天然氣處理廠(chǎng)、榆林天然氣處理廠(chǎng)以及蘇里格第一天然氣處理廠(chǎng)等采用外冷實(shí)現(xiàn)脫烴[1-9]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外低溫法控制烴水露點(diǎn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[3，4]，部分天然氣處理廠(chǎng)的烴水露點(diǎn)比低溫分離器的溫度高很多，達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求；此外還發(fā)現(xiàn)部分氣田換熱設(shè)備及分離器有堵塞現(xiàn)象，本文將重點(diǎn)研究低溫法所存在的問(wèn)題以及提出改進(jìn)措施。

1 烴水露點(diǎn)控制方法

為滿(mǎn)足天然氣生產(chǎn)處理及管輸要求，必須將天然氣中的重?zé)N及水分離。對(duì)于氣質(zhì)較貧且只需滿(mǎn)足水露點(diǎn)要求的氣源可通過(guò)溶劑法、吸附法以及膜分離法等脫除天然氣中的水；對(duì)于需同時(shí)滿(mǎn)足烴水露點(diǎn)要求的原料氣，可采用低溫法實(shí)現(xiàn)脫水脫烴。

溶劑吸收法是通過(guò)溶劑吸收天然氣中的水分達(dá)到脫水的效果，常用溶劑有三甘醇（C6H14O4）等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于原料氣中攜帶有無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)雜質(zhì)、管道腐蝕產(chǎn)物等容易引起三甘醇發(fā)泡，因此應(yīng)當(dāng)增加過(guò)濾分離設(shè)備，減少雜質(zhì)對(duì)甘醇的影響[10-12]。

膜分離技術(shù)是在有壓差的條件下，不同分子通過(guò)膜的速率不同以及在膜表面吸附能力不同實(shí)現(xiàn)分離，是在擴(kuò)散、選擇性通過(guò)的綜合作用。對(duì)于高壓氣田氣，膜分離技術(shù)已成功應(yīng)用于脫水、脫烴以及脫酸氣。對(duì)于低壓原料氣，我國(guó)最早在勝利油田樁西采油廠(chǎng)應(yīng)用膜分離技術(shù)分離重?zé)N。該技術(shù)成本低、工藝簡(jiǎn)單、能耗低，具有廣闊的應(yīng)用前景[13，14]。

低溫法是通過(guò)降低原料氣的溫度使氣體中的水及重?zé)N冷凝聚集沉降達(dá)到氣液分離的效果。目前采用低溫分離工藝的氣田一般采用膨脹制冷或者外加冷源制冷。膨脹制冷工藝是利用高壓天然氣通過(guò)J-T閥、膨脹機(jī)或超音速?lài)姽芘蛎洰a(chǎn)生冷量使得水和重?zé)N聚結(jié)實(shí)現(xiàn)氣液分離，其中J-T閥工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少，大多數(shù)高壓氣田采用J-T閥制冷工藝[15]。典型的節(jié)流注醇低溫分離工藝流程圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 典型節(jié)流注醇低溫分離工藝流程

2 低溫法控制烴水露點(diǎn)問(wèn)題分析

在研究大量節(jié)流膨脹制冷注醇防凍堵工藝的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，烴水露點(diǎn)一般比低溫分離器溫度高5℃~10℃[16]。但有些氣田烴水露點(diǎn)與設(shè)計(jì)值相差太大[1-4]，烴露點(diǎn)達(dá)不到管輸要求，其原因在于低溫分離器以及換熱設(shè)備的效率不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；外輸氣中含有的水化物抑制劑對(duì)露點(diǎn)檢測(cè)也有較大影響。

2.1 低溫分離器選型不合理、分離效果差

低溫分離器作為氣液分離的關(guān)鍵設(shè)備，其分離壓力溫度及選型對(duì)分離效果起到?jīng)Q定性作用。低溫分離器有旋流分離器以及重力式分離器與分離元件組合型等。分離器的高效分離元件主要有高效絲網(wǎng)除霧器、高效折流板除霧器和高效渦流板除霧器。為提高其低溫分離器氣液分離效果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用高效、合理的內(nèi)部分離元件。部分氣田低溫分離器選型及干氣烴水露點(diǎn)（見(jiàn)表1），從表1中可以發(fā)現(xiàn)，低溫分離器溫度遠(yuǎn)低于烴水露點(diǎn)溫度，與設(shè)計(jì)值相差較大，分離器的氣液分離效果差。氣質(zhì)中含有的蠟成分造成低溫分離器出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，致使分離效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)堵塞物質(zhì)（見(jiàn)圖2），因此如何正確選擇分離器及高效元件是滿(mǎn)足生產(chǎn)的關(guān)鍵。

此外，采用低溫分離法脫水脫烴時(shí)為防止水合物生成，通常采用注防凍劑（乙二醇）防止水合物生成。乙二醇作為關(guān)鍵的防凍劑，注入位置及噴注效果對(duì)防止水合物有較大影響。如果分離器分離效果差，外輸氣中如果含有微量的乙二醇，烴露點(diǎn)將提高8℃左右。

表1 低溫分離器選型及外輸氣烴水露點(diǎn)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)分離出堵塞物

2.2 換熱器選型不合理

換熱器種類(lèi)較多，常見(jiàn)的有板式、板翅式、管殼式、繞管式一級(jí)熱管管式換熱器。當(dāng)前，油氣處理廠(chǎng)大量采用管殼式換熱器，針對(duì)高壓氣質(zhì)引進(jìn)了固定管板式換熱器以及繞管式換熱器。水合物抑制劑的噴注位置一般選在固定管板式換熱器的管板處[17]，如果噴注不均勻或噴注位置不合理，在管束中極易產(chǎn)生水化物。

采用注醇、節(jié)流工藝控制烴水露點(diǎn)的克拉瑪依油田天然氣處理廠(chǎng)，其換熱器采用的是繞管式換熱器，由于原料氣中含有的固體雜質(zhì)易向下沉積，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了堵塞的情況，造成換熱效果降低，致使低溫分離器溫度升高，露點(diǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

2.3 管輸末端有烴析出

天然氣處理廠(chǎng)脫水脫烴后，高壓天然氣經(jīng)管道輸送至外輸總站，然后再輸送至各個(gè)門(mén)站，由于管道中天然氣壓力逐漸降低，在末站交接點(diǎn)有凝液析出。對(duì)某氣質(zhì)采用HYSYS軟件模擬節(jié)流低溫脫水脫烴工藝，該氣質(zhì)的烴露點(diǎn)設(shè)定是以滿(mǎn)足外輸總站交接點(diǎn)處無(wú)烴析出，外輸干氣相包圖（見(jiàn)圖3）。從圖3可以得出，隨著壓力降低露點(diǎn)溫度升高，因此在末站交接處可能有凝液析出。

我國(guó)管道末站向用戶(hù)供氣壓力通常分三個(gè)等級(jí)，分別為1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa，通過(guò)HYSYS軟件模擬，該外輸干氣組分在1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa壓力下氣相分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系（見(jiàn)圖4）[18，19]。從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，當(dāng)溫度小于10℃時(shí)氣相分?jǐn)?shù)開(kāi)始變化，也就意味著氣體中有液體析出，由此可得出在管輸末站向用戶(hù)交接壓力條件下有烴析出。

圖3 外輸干氣相包圖

圖4 不同壓力下溫度與氣相分?jǐn)?shù)關(guān)系

3 解決方案

3.1 多級(jí)分離工藝

對(duì)氣田處理規(guī)模大、氣質(zhì)較富且含有重?zé)N的低溫控制烴水露點(diǎn)工藝，可采用多級(jí)分離脫水脫烴流程，多級(jí)分離不僅可提高分離效果，解決分離器堵塞問(wèn)題，而且也降低了注醇量及乙二醇再生能耗，兩級(jí)分離工藝流程圖（見(jiàn)圖5）。

運(yùn)用HYSYS軟件對(duì)一級(jí)和二級(jí)分離工藝模擬分析，在相同的烴水露點(diǎn)條件下（水露點(diǎn)-21℃，水化物生成溫度-25℃），兩級(jí)分離注醇量較一級(jí)分離大幅減少，約為一級(jí)分離注醇量的1/3，二級(jí)分離的烴水露點(diǎn)隨注醇量增加還可進(jìn)一步降低可達(dá)-30℃，由于注醇量減少，乙二醇再生可大幅降低重沸器負(fù)荷，總體來(lái)說(shuō)二級(jí)分離效果明顯。原料氣組分（見(jiàn)表2），一級(jí)分離與二級(jí)分離注醇量與水合物生成溫度的模擬結(jié)果（見(jiàn)圖6）。

3.2 小壓差、大面積換熱工藝

對(duì)于高壓氣田開(kāi)發(fā)后期或低壓凝析氣田，原料氣壓力較低，控制烴水露點(diǎn)的工藝主要采用的外冷法，但其能耗高。為減少系統(tǒng)能耗，可采用小壓差、大面積換熱產(chǎn)生較大溫降實(shí)現(xiàn)脫水脫烴。小壓差、大溫降分離流程已在長(zhǎng)慶榆林、長(zhǎng)北氣田成功應(yīng)用，并取得良好的節(jié)能效果[20，21]。

3.3 關(guān)鍵設(shè)備選型

氣田低溫分離器大多采用重力分離器與高效元件組合，高效元件作為氣液分離的核心組件，其氣液分離效果對(duì)外輸干氣烴水露點(diǎn)起決定性作用，部分高效分離元件分離效果（見(jiàn)表3）。從表3可以看出，高效絲網(wǎng)型分離元件分離效果最好，可100%除去大于2 μm~3 μm的液滴，但在克深處理廠(chǎng)發(fā)現(xiàn)含重?zé)N和蠟的低溫原料氣易造成高效絲網(wǎng)元件堵塞；高效葉片式分離元件可100%去除大于8 μm的液滴且壓降小，該分離元件分離原理是以多次改變氣體從入口到出口的方向，氣體強(qiáng)迫夾帶的小液滴沖擊葉片表面，在葉片表面形成液膜、聚集實(shí)現(xiàn)氣液分離，可有效防止含重?zé)N或蠟的原料氣堵塞問(wèn)題。

圖5 兩級(jí)分離工藝

圖6 不同分離級(jí)數(shù)下注醇量與水合物生產(chǎn)溫度的關(guān)系

表2 原料氣組分

表3 部分高效分離元件分離效果

圖7 雙筒臥式分離器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于原料氣處理量大并且含有重?zé)N的低溫分離工藝，低溫分離器可采用帶葉片式除霧器的雙筒臥式分離器，葉片式除霧器保證氣液分離效果并防止重?zé)N堵塞，臥式雙筒結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足較大處理量、為氣液分離提供了充足的停留時(shí)間并且可以防止液體的二次夾帶。雙筒臥式分離器（見(jiàn)圖7）。

換熱器作為回收冷量的關(guān)鍵設(shè)備，換熱效果的好壞將直接影響原料氣節(jié)流后進(jìn)低溫分離器溫度。對(duì)于壓力大于10 MPa的高壓原料氣，可滿(mǎn)足高壓條件換熱的換熱器結(jié)構(gòu)有板翅式[22]、繞管式、管殼式。板翅式與繞管式換熱器對(duì)原料氣氣質(zhì)要求較嚴(yán)格，換熱介質(zhì)需為較清潔、無(wú)腐蝕的原料氣，因此用在含有雜質(zhì)的原料氣換熱不合適，容易造成換熱器堵塞。管殼式以有無(wú)溫差補(bǔ)償分為兩類(lèi)，由于管殼式中殼程和管程存在較大溫差，可產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，需選用帶有膨脹節(jié)或U形管式的管殼式換熱器。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，固定管板采用薄管板結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器有效解決了高壓條件下大溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，并且管束易于清洗更換，造價(jià)低廉。當(dāng)前我國(guó)已可以自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)采用薄管板的、且無(wú)膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，在塔里木油田得到廣泛應(yīng)用[23]。此外，為強(qiáng)化換熱器傳熱效果，換熱管可選用帶有翅片的換熱管。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)目前低溫脫水脫烴分離工藝分析，氣田烴水露點(diǎn)控制不達(dá)標(biāo)的主要原因在于換熱器及低溫分離器選型不合理，分離效果不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為滿(mǎn)足露點(diǎn)生產(chǎn)要求，提出以下建議:

（1）對(duì)于處理較大、氣質(zhì)較富且含有重?zé)N的氣田，可通過(guò)優(yōu)化低溫分離工藝，如采用多級(jí)分離實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)控制，來(lái)減少系統(tǒng)能耗。

（2）選擇合理的分離設(shè)備及換熱器。對(duì)于高氣液比并含有蠟的原料氣建議采用帶葉片式除霧器的雙筒臥式分離器；換熱器應(yīng)選用耐高壓的固定管板式換熱器。

（3）我國(guó)《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)烴露點(diǎn)控制還存在不足，沒(méi)有明確交接點(diǎn)位置，造成管輸天然氣末站有液烴析出，如何確定烴露點(diǎn)有待進(jìn)一步研究界定。

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長(zhǎng)慶油田累計(jì)生產(chǎn)原油突破3億噸

截至4月10日，有近47年開(kāi)發(fā)歷史的長(zhǎng)慶油田，累計(jì)生產(chǎn)原油3.001 1億噸。

從油田會(huì)戰(zhàn)開(kāi)始就大力弘揚(yáng)解放軍精神、延安精神及大慶精神鐵人精神的長(zhǎng)慶人，用科學(xué)求實(shí)和苦干實(shí)干的實(shí)際行動(dòng)，攻克了油氣勘探開(kāi)發(fā)的一道道難關(guān)。到2006年，長(zhǎng)慶油田原油年產(chǎn)量一舉突破1 000萬(wàn)噸，建成我國(guó)第一個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)的低滲透油田，步入大型油田行列。近幾年，在超低滲及致密油的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，長(zhǎng)慶油田通過(guò)精細(xì)勘探、超前注水、油藏改造、水平井鉆井、體積壓裂、吞吐采油等一系列新工藝新技術(shù)，讓華慶、合水、環(huán)江、新安邊、鎮(zhèn)原、吳起等一個(gè)個(gè)致密油田，出現(xiàn)在長(zhǎng)慶油田的版圖上，并實(shí)現(xiàn)了效益開(kāi)發(fā)。目前，這些致密油區(qū)塊的年產(chǎn)量均達(dá)百萬(wàn)噸以上。昔日被國(guó)外專(zhuān)家打入“死牢”的區(qū)塊，如今個(gè)個(gè)成為長(zhǎng)慶油田年穩(wěn)產(chǎn)5 000萬(wàn)噸油氣當(dāng)量的中堅(jiān)力量。至2016年，長(zhǎng)慶油田致密油年產(chǎn)量已達(dá)1 000萬(wàn)噸以上。

長(zhǎng)慶油田原油年產(chǎn)量自2011年突破2 000萬(wàn)噸后，如今每年都穩(wěn)產(chǎn)在2 400萬(wàn)噸左右。原油產(chǎn)量成為長(zhǎng)慶油田年穩(wěn)產(chǎn)5 000萬(wàn)噸的半壁江山。

（摘自中國(guó)石油新聞中心2017-04-14）

Discussion on dew point control of natural gas hydrocarbon water

SHEN Leikun，JIANG Hong
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

Hydrocarbon and water dew point as an important standard of pipeline gas,the dew point has great influence on pipeline,so how to control the dew point become the main content in gas treatment.At present,J-T valve refrigeration and glycol anti-freezing is common in most high pressure gasfield.But we found that the low temperature separator's inlet temperature deviates from the design value in some gasfield,the low temperature separator blockage,retrograde condensation phenomenon and liquid hydrocarbon in pipeline. The reason of these problems is due to the unreasonable selection of heat exchangers and low temperature separator and hydrocarbon dew point control shortcomings.To solve the above problems,the paper main through study technique design,low temperature separator and heat exchanger type selection to put forward the solutions.

dew point；retrograde condensation；alcohol；low temperature separator

TE965

A

1673-5285（2017）04-0136-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.034

2017－03-09

申雷昆，男（1990-），碩士研究生，現(xiàn)就讀于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，主要從事天然氣處理方向的研究工作，郵箱:shenleikun@126.com。