沁水盆地煤層氣站場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化和橇裝化設(shè)計(jì)淺析

胡建國(guó) 鄭 欣 薛 崗 閆曉峰 王彥良 彭 磊

(1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 710018;2.長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠,陜西 710021;3.長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠,陜西 710021;4.長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠,陜西 710200)

1 概述

1.1 國(guó)內(nèi)煤層氣資源及開發(fā)建設(shè)現(xiàn)狀

我國(guó)煤層氣資源十分豐富，是世界上繼俄羅斯、加拿大之后的第三大煤層氣儲(chǔ)量國(guó)，占世界排名前12位國(guó)家資源總量的13%。國(guó)土資源部、國(guó)家發(fā)改委2006年預(yù)測(cè)結(jié)果為36.81×1012m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。目前，在國(guó)內(nèi)已進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)的煤層氣田主要有沁水盆地和鄂爾多斯東緣盆地等煤層氣田，其中規(guī)模較大的典型煤層氣工程統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 國(guó)內(nèi)典型煤層氣工程統(tǒng)計(jì)

1.2 沁水盆地煤層氣田典型集輸工藝

國(guó)內(nèi)沁水盆地煤層氣田主要采用了“井口-采氣管網(wǎng)-集氣站-中央處理廠-外輸”的總工藝流程，采用了“排水采氣、低壓集氣、井口計(jì)量、井間串接、復(fù)合材質(zhì)、站場(chǎng)分離、兩地增壓、集中處理、無線傳輸、數(shù)字管理”的地面工藝。

集氣站采用“采氣干管來氣→分離器(過濾分離)→壓縮機(jī)(增壓)→二次分離(過濾分離)→外輸”的工藝流程。

中央處理廠內(nèi)采用先增壓后脫水的主體工藝流程。集氣干線來氣首先進(jìn)入集配氣系統(tǒng)清管接收，再進(jìn)入過濾分離系統(tǒng)進(jìn)行氣液分離，然后進(jìn)入增壓裝置，將壓力由1.0MPa(絕壓，下同)增壓至6.0MPa后進(jìn)入三甘醇脫水裝置脫水，以確保外輸氣的水露點(diǎn)，最后經(jīng)計(jì)量后輸往西氣東輸一線管道。

1.3 煤層氣田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的前提和必要性

隨著煤層氣田規(guī)?；_發(fā)以及近幾年的開發(fā)建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，集氣工藝技術(shù)相對(duì)成熟，具備了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基本條件。因此，煤層氣田以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化建設(shè)”這一集成創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段在煤層氣領(lǐng)域正在掀開序幕。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以使設(shè)備和材料供應(yīng)實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)運(yùn)行安全保障能力，確保整個(gè)煤層氣田安全高效的運(yùn)行；可以從根本上解決地區(qū)地形復(fù)雜、征地困難所造成的氣田場(chǎng)站選址晚、線路走向確定困難與建設(shè)周期短相矛盾的問題，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率；使材料準(zhǔn)備、施工圖會(huì)審、產(chǎn)建組織更加規(guī)范化、完善化，明顯降低工時(shí)，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，可以使建設(shè)過程中的監(jiān)督更加規(guī)范，最終提高建設(shè)質(zhì)量。

下面以沁水盆地煤層氣田實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)煤層氣標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路和具體做法說明如下，并對(duì)沁南東-夏店橇裝化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

2 沁水盆地煤層氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的思路

在煤層氣集氣工藝流程定型的前提下，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化建設(shè)形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系列化的設(shè)計(jì)和施工方法。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)按照“統(tǒng)一平面布局、統(tǒng)一工藝流程、統(tǒng)一設(shè)備選型、統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一單體安裝”五統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，針對(duì)地面建設(shè)內(nèi)容，以工藝技術(shù)優(yōu)化簡(jiǎn)化和定型為核心，以模塊設(shè)計(jì)為關(guān)鍵手段，對(duì)批量性、通用性、重復(fù)性的內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。使設(shè)計(jì)在煤層氣田的地面建設(shè)中趨于統(tǒng)一，具有科學(xué)性、合理性、通用性和先進(jìn)性。

2.1 工藝流程通用化

通過優(yōu)化、簡(jiǎn)化工藝流程，統(tǒng)一系統(tǒng)布局和生產(chǎn)工藝，使井場(chǎng)和集氣站的工藝流程基本一致，為井場(chǎng)和集氣站的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.2 井站平面標(biāo)準(zhǔn)化

在盡量減少占地和滿足功能需要的基礎(chǔ)上，對(duì)其布局進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，使井場(chǎng)、集氣站的工藝裝置區(qū)大小、方位統(tǒng)一，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的目的。

2.3 工藝設(shè)備定型化

對(duì)井場(chǎng)和集氣站使用的設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一外形尺寸、統(tǒng)一技術(shù)參數(shù)；同時(shí)保證質(zhì)量安全可靠、造價(jià)合理，為規(guī)模化采購(gòu)提供依據(jù)。

井場(chǎng)主要設(shè)備為旋進(jìn)流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)施等；

集氣站主要設(shè)備為一次過濾分離器、壓縮機(jī)組、二次過濾分離器、清管器收發(fā)球筒、污水罐等。

中央處理廠主要設(shè)備為段塞流捕集器、過濾分離器、壓縮機(jī)組、三甘醇脫水裝置、清管器收發(fā)球筒、污水罐等。

2.4 設(shè)計(jì)安裝模塊化

對(duì)于井場(chǎng)，利用三維設(shè)計(jì)手段，根據(jù)功能、組成對(duì)井口模塊劃分，模塊應(yīng)具有較強(qiáng)的通用性、互換性，易于模塊化組合。定型的單體模塊通過組裝、拼接就可以形成不同類型、不同規(guī)模井場(chǎng)的整體設(shè)計(jì)。

對(duì)于集氣站和中央處理廠，利用三維設(shè)計(jì)手段，根據(jù)功能、組成對(duì)集氣站進(jìn)行模塊劃分，模塊應(yīng)具有較強(qiáng)的通用性、互換性，易于模塊化組合。定型的單體模塊通過組裝、拼接就可以形成不同類型、不同規(guī)模站場(chǎng)的整體設(shè)計(jì)。

2.5 管閥配件規(guī)范化

管閥配件規(guī)范化就是針對(duì)目前國(guó)內(nèi)管閥配件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多、不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，規(guī)范工程中使用的各種類型的管閥配件，使材料、連接方式、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等統(tǒng)一，方便規(guī)模化采購(gòu)和生產(chǎn)維修。

2.6 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化

對(duì)井站標(biāo)識(shí)、環(huán)保措施、儀表、供電等配套標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，既反映企業(yè)整體形象又節(jié)約投資、講求實(shí)效，達(dá)到企業(yè)與周圍環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

2.7 安全設(shè)計(jì)人性化

堅(jiān)持“安全第一、環(huán)保優(yōu)先、以人為本”的設(shè)計(jì)理念，井場(chǎng)和集氣站安全措施全部滿足規(guī)范要求。其中包括：①在井口設(shè)置緊急關(guān)斷閥，防止安全事故發(fā)生；②在集氣站和中央處理廠設(shè)置氣動(dòng)緊急關(guān)斷閥，值班人員可以在值班室進(jìn)行控制，發(fā)生事故時(shí)可以緊急切斷氣源；③在生產(chǎn)區(qū)設(shè)置緊急逃生門，方便緊急情況下逃生。

2.8 設(shè)備材料國(guó)產(chǎn)化

設(shè)計(jì)時(shí)采用符合需要的國(guó)產(chǎn)化材料，是降低建設(shè)投資的重要手段。

2.9 生產(chǎn)管理數(shù)字化

利用現(xiàn)代成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，借助現(xiàn)有油田網(wǎng)絡(luò)資源，建立起全煤層氣田的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)源的自動(dòng)采集、處理和分析。

3 沁水煤層氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的實(shí)施方法

3.1 井場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化

(1)平面布置

井場(chǎng)無人值守，場(chǎng)地只作簡(jiǎn)單處理。平面布置根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)和功能將井場(chǎng)分成兩個(gè)區(qū)，即抽油機(jī)及采氣樹區(qū)和輔助生產(chǎn)區(qū)。兩區(qū)相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)系，既減少相互影響，又滿足生產(chǎn)要求。

生產(chǎn)區(qū)主要包括抽油機(jī)和采氣樹。

輔助區(qū)主要包括集氣橇和燃?xì)饧瘹馇?、?chǔ)水池、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和配電柜(電氣、儀表和通信三合一)等。

(2)工藝流程

井口采用抽油機(jī)將儲(chǔ)層的水采出，排至儲(chǔ)水池，根據(jù)具體水質(zhì)情況進(jìn)行處理。

煤層氣解吸后由套管采出，通過井場(chǎng)旋進(jìn)流量計(jì)計(jì)量后，經(jīng)采氣管線輸送至集氣站。在井場(chǎng)預(yù)留排采放空接口，作為排采用。

3.2 集氣站標(biāo)準(zhǔn)化

集氣站主要功能為接收周邊井場(chǎng)來氣、過濾分離、增壓、二次過濾分離、計(jì)量外輸、清管等。設(shè)計(jì)規(guī)模劃分為10×104m3/d、20×104m3/d、30×104m3/d、50×104m3/d四種規(guī)模，壓力等級(jí)為1.6MPa。

(1)平面布置

總平面布置根據(jù)生產(chǎn)性質(zhì)和功能將集氣站內(nèi)、外分成三個(gè)區(qū)，即：生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)、放空區(qū)。考慮到生產(chǎn)區(qū)內(nèi)壓縮機(jī)組噪音對(duì)住站人員影響較大，壓縮機(jī)布置在集氣站生活區(qū)最遠(yuǎn)端。各區(qū)相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)系，既減少相互影響，又滿足生產(chǎn)要求。

生產(chǎn)區(qū)主要包括：進(jìn)站區(qū)、分離區(qū)、增壓區(qū)、污水罐區(qū)、二次分離器區(qū)、計(jì)量外輸區(qū)及收發(fā)球筒區(qū)。

生活區(qū)主要包括：值班室、休息室、壁掛爐間、廚房、餐廳、工具間、空壓機(jī)房、低壓配電間及10kV開關(guān)室等。

放空區(qū)：放空區(qū)位于全站最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)。

(2)工藝流程

集氣工藝流程：自氣井輸送來的煤層氣經(jīng)采氣干管0.05～0.15MPa進(jìn)站后，經(jīng)分離器進(jìn)行氣液分離后，進(jìn)入壓縮機(jī)組增壓，增壓后的煤層氣壓力為1.2～1.4MPa，經(jīng)空冷器冷卻至50～54℃后二次分離，經(jīng)計(jì)量后外輸。流程示意圖見圖1。

(3)集氣站標(biāo)準(zhǔn)化模塊構(gòu)成

集氣站標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)共包括說明書、 設(shè)備表、進(jìn)站區(qū)、分離區(qū)、增壓區(qū)、二次分離區(qū)、計(jì)量區(qū)和清管器發(fā)送/接收區(qū)，采出水儲(chǔ)罐區(qū)等裝置區(qū)的工藝自控流程圖和平面布置圖等內(nèi)容。

圖1 集氣站工藝流程示意圖

3.3 中央處理廠標(biāo)準(zhǔn)化

處理廠主要采用增壓脫水工藝，主要功能為接收周邊集氣站來氣、預(yù)分離、增壓、脫水、計(jì)量外輸?shù)?。設(shè)計(jì)規(guī)模劃分為100×104m3/d、150×104m3/d、300×104m3/d三種規(guī)模，壓力等級(jí)為7.0MPa。

(1)平面布置

總平面布置劃分為4個(gè)功能區(qū)：生產(chǎn)區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、公用工程區(qū)和生產(chǎn)辦公區(qū)。

生產(chǎn)區(qū)：集配氣區(qū)(清管區(qū)、分離區(qū)和外輸計(jì)量區(qū))、增壓站、脫水裝置區(qū)等。集配氣區(qū)位于廠區(qū)南側(cè)，便于集氣干線進(jìn)廠。

輔助生產(chǎn)區(qū)：放空分液區(qū)、火炬區(qū)、溶劑材料庫(kù)等。

公用工程區(qū)：供水站、污水處理站、110kV變電站、10kV開關(guān)站、供熱系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、空氮站等。

生產(chǎn)辦公區(qū)：中控樓、食堂等。

(2)處理廠工藝流程

處理廠典型工藝流程見圖2。各區(qū)塊集氣干線來氣首先進(jìn)入集配氣裝置，在清管作業(yè)時(shí)負(fù)責(zé)清管器的接收；再進(jìn)入過濾分離器，負(fù)責(zé)對(duì)原料氣進(jìn)行氣液分離；然后進(jìn)入增壓裝置增壓，壓力由0.9MPa增壓至6.0MPa；之后進(jìn)入三甘醇脫水裝置脫水，確保外輸氣的水露點(diǎn)；最后經(jīng)計(jì)量后輸往外輸管道。

圖2 處理廠典型工藝流程圖

①增壓流程

集配氣裝置來原料氣進(jìn)入增壓裝置，來氣經(jīng)計(jì)量裝置進(jìn)入往復(fù)式壓縮機(jī)組增壓，壓力由0.9MPa增壓至6.0MPa，之后進(jìn)入脫水裝置。每臺(tái)壓縮機(jī)入口設(shè)置緊急關(guān)斷閥，并配置“8”字盲板，以便于檢修時(shí)的關(guān)斷。

②脫水流程

從增壓系統(tǒng)來的5.8～6.0MPa濕煤層氣進(jìn)入過濾分離器，將水、潤(rùn)滑油等脫除到1μm以下，以保證脫水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。經(jīng)過過濾分離器的煤層氣由吸收塔下部進(jìn)入吸收塔下部氣液分離腔，通過規(guī)整填料床層，被三甘醇吸收掉水份，出塔后經(jīng)過套管式換熱器，計(jì)量調(diào)壓后外輸。

三甘醇吸收塔、三甘醇再生橇、煤層氣過濾分離器的污水匯管后進(jìn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

③集配氣裝置

集氣干線的原料氣進(jìn)入集配氣裝置，進(jìn)站前設(shè)緊急截?cái)嚅y，緊急截?cái)嚅y完成在處理廠或集氣干線出現(xiàn)緊急情況下的自功切斷。在集氣裝置經(jīng)旋風(fēng)分離器、過濾分離器分離出攜帶的液體、粉塵及機(jī)械雜質(zhì)，進(jìn)干線計(jì)量后輸往增壓裝置；脫水裝置來的凈化氣計(jì)量后外輸。

(3)處理廠標(biāo)準(zhǔn)化模塊構(gòu)成

處理廠標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)包括說明書、設(shè)備表、物料平衡圖、清管區(qū)、分離區(qū)、增壓區(qū)、脫水區(qū)、計(jì)量外輸區(qū)和等裝置區(qū)的工藝自控流程圖和平面布置圖等內(nèi)容構(gòu)成。

4 沁南東-夏店煤層氣站場(chǎng)橇裝化設(shè)計(jì)

4.1 沁南東-夏店煤層氣概述

沁南東-夏店地區(qū)地處山西省東南部，隸屬山西省長(zhǎng)治地區(qū)。建設(shè)區(qū)域主要位于長(zhǎng)治市所轄的襄垣縣、屯留縣和長(zhǎng)子縣境內(nèi)。

集氣站采用低壓集氣，壓縮機(jī)前一級(jí)分離，兩級(jí)增壓，壓縮機(jī)后二級(jí)分離，分子篩脫水后直接輸往地方建成洪洞～長(zhǎng)子支線分輸閥室和臨近供氣用戶，增壓工藝選擇兩級(jí)增壓，初期生產(chǎn)可由1級(jí)增壓至1.2～1.4MPa外輸供地方用戶，后期可選擇二級(jí)增壓供氣。兩級(jí)增壓更便于壓縮機(jī)組橇裝化，簡(jiǎn)化施工程序。

4.2 橇裝化設(shè)備和規(guī)格

站內(nèi)成橇設(shè)備主要是螺桿式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)，二級(jí)分離器和分子篩脫水裝置。

(1)橇裝螺桿式壓縮機(jī)

裝置主要外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為6.0m×2.5m×2.7m，單臺(tái)處理量分別為為10～12×104m3/d。采用額定功率560kW電機(jī)帶動(dòng)，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力0.05～0.15MPa，壓縮機(jī)出口壓力 1.20～1.40MPa。

機(jī)組工藝氣管路主要包括自動(dòng)進(jìn)氣切斷閥和自動(dòng)排氣切斷閥，止回閥、自動(dòng)旁通閥及管路安全閥、放空閥及排污管路。實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的安全輸送和機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)、加載、卸載、空負(fù)荷及負(fù)荷運(yùn)行。整個(gè)壓縮機(jī)采用橇裝，無基礎(chǔ)安裝。

(2)橇裝往復(fù)式壓縮機(jī)

裝置主要外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為9.5m×3.0m×2.66m。單臺(tái)處理量分別為為10～12×104m3/d。采用額定功率315kW電機(jī)帶動(dòng)，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力1.0～1.2MPa，壓縮機(jī)出口壓力4.0～4.2MPa。

機(jī)組工藝氣管路主要包括自動(dòng)進(jìn)氣切斷閥和自動(dòng)排氣切斷閥、止回閥、自動(dòng)旁通閥及管路安全閥、放空閥及排污管路。實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的安全輸送和機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)、加載、卸載、空負(fù)荷及負(fù)荷運(yùn)行。

(3)橇裝分離機(jī)組(壓縮機(jī)后)

壓縮機(jī)組后設(shè)置二級(jí)分離器2具，集成在一個(gè)橇體上。單具最大處理規(guī)模為10～20×104m3/d，橇體處理規(guī)模為20～40×104m3/d，設(shè)計(jì)壓力5MPa。

(4)橇裝分子篩脫水裝置

在二次分離器后設(shè)置分子篩脫水裝置2套。裝置主要外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為4.77m×2.17m×3.22m，每套處理規(guī)模為10～20×104m3/d，設(shè)計(jì)壓力5MPa，保證外輸商品氣的氣質(zhì)要求。整個(gè)裝置將吸收塔和再生塔集成在一個(gè)橇體上。

[1] 王登海，鄭欣，薛崗.煤層氣地面工程技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2014.

[2] 王紅霞.煤層氣集輸與處理[M].北京:中國(guó)石化出版社,2013.

[3] 王紅霞，李娜，張璞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊集氣站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì).天然氣工業(yè)，2010,30(6)：84-86.

[4] 許茜，薛崗，周玉英，等.沁水盆地煤層氣氣田集氣站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì).石油工程建設(shè)，2010,36(1)：104-105.

[5] 劉袆，楊光，王登海，等.蘇里格氣田地面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì).天然氣工業(yè)，2007，27(12)：124-125.

[6] 薛崗，許茜，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化.天然氣工業(yè)，2010,30(6)：87-90.

[7] 許茜,薛崗，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊采氣管網(wǎng)的優(yōu)化[J].天然氣工業(yè)，2010，30(6)：91-93.

[8] 王紅霞,劉祎,王登海,等. 沁水盆地煤層氣地面工藝技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):109-110.

[9] 劉燁,巴璽立,劉忠付,等.煤層氣地面工程工藝技術(shù)和優(yōu)化分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2008,19(4):34-37.

[10] 王紅霞,李娜,張璞,等. 沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊集氣站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè),2010,30(6):84-86.