高含硫氣田集氣總站工藝優(yōu)化改造及效果分析

紀(jì)妍妍 王增剛 張功臣 伍向洲 何茂華

中國石化中原油田普光分公司

普光氣田是我國迄今為止已投入開發(fā)的規(guī)模最大、豐度最高的特大型整裝海相氣田，普光主體探明儲量2 782.95×108m3，H2S 含量為12.31%～17.05%（體積分?jǐn)?shù)，下同），CO2含量為7.89%～10.53%[1]。集輸系統(tǒng)采用全濕氣加熱保溫混輸工藝，集氣站場具有加熱、節(jié)流、計量與外輸功能[2]。集氣總站為集輸系統(tǒng)的終點站與普光天然氣凈化廠合建，是連接集氣站和凈化廠的紐帶和橋梁，是普光氣田的關(guān)鍵裝置、甲級要害部位。集氣總站建于2008年7月，站場設(shè)計最大氣液分離能力5 600×104m3/d。集氣總站站場具有接收、分離、計量和輸送上游24 座集氣站產(chǎn)出的高含硫化氫氣體，以及反向輸送24 座集氣站需要的凈化燃料氣和接收清管器等功能。自2009 年10 月投產(chǎn)至今，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了10 年，實際生產(chǎn)中暴露出諸多問題，存在很大的安全隱患，處理工藝流程亟需優(yōu)化改造。通過集輸流程改造使集輸工藝更加切合普光氣田目前的生產(chǎn)運(yùn)行實際，進(jìn)一步降低管線腐蝕穿孔風(fēng)險和日常生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)成本，實現(xiàn)普光氣田“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的運(yùn)行目標(biāo)。

1 工藝現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 工藝流程

普光氣田集氣站井口產(chǎn)出高含硫化氫天然氣，經(jīng)加熱、節(jié)流、計量后外輸，經(jīng)集氣支線進(jìn)入4條集氣干線，然后輸送至集氣總站。進(jìn)入集氣總站后的天然氣，進(jìn)入4臺生產(chǎn)分離器氣液分離后，高含硫化氫天然氣經(jīng)孔板流量計計量后輸送至凈化廠進(jìn)行脫硫處理。氣液分離器后的高含硫污水通過排污系統(tǒng)進(jìn)入污水氣提塔進(jìn)行氮氣氣提，脫除污水中大部分硫化氫氣體，氣提后的污水輸送至氣田1#水處理站做進(jìn)一步處理。氣提分離出的混合氣先進(jìn)入火炬分液罐，再進(jìn)入尾氣回收裝置進(jìn)行處理。工藝流程如圖1所示。

1.2 存在的問題

（1）生產(chǎn)分離器分液能力不足，存在向凈化廠攜液風(fēng)險。在正常生產(chǎn)期間，原料氣中攜帶的部分液體，在集氣總站進(jìn)行分離后進(jìn)入凈化裝置。隨著氣田開發(fā)氣井產(chǎn)液量增加，由于普光氣田地處山區(qū)，在起伏的集輸管道低點產(chǎn)生積液，當(dāng)定期開展清管涂膜批處理作業(yè)時，集氣總站生產(chǎn)分離器出現(xiàn)分液能力不足、分離效率下降等問題，導(dǎo)致原料氣攜帶一定量成分復(fù)雜的含氯液體進(jìn)入凈化裝置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出裝置內(nèi)原料氣過濾器過濾聚結(jié)能力，污染了胺液系統(tǒng)。其中，位于原料氣管網(wǎng)末端的聯(lián)合裝置，尤其是第四聯(lián)合裝置帶液問題尤其突出，甚至出現(xiàn)胺液快速發(fā)泡、沖塔停機(jī)等異常工況。

（2）排污、放空管線腐蝕。普光氣田累計發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔75 個，分酸分離器排污管線腐蝕穿孔40個，計量分離器排污管線腐蝕穿孔16 個，放空管線腐蝕穿孔4個，排污管線、放空管線腐蝕穿孔占80%，排污、放空管線材質(zhì)為A333[3]。通過集氣站檢維修發(fā)現(xiàn)腐蝕點數(shù)量呈逐年上升趨勢，主要發(fā)生在排污、放空管線底部、彎頭處。解剖發(fā)現(xiàn)放空管線頂部腐蝕很小，而底部出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，EDS測試發(fā)現(xiàn)底部垢物中的礦化度顯著高于頂部，主要是由于凝析水積液造成放空管線腐蝕。排污管線檢修發(fā)現(xiàn)腐蝕主要發(fā)生在2013 年以后，排污分支管底部、彎頭、排污匯管等容易產(chǎn)生積液的部位。排污系統(tǒng)垢樣分布在管線、設(shè)備底部，主要成分為S單質(zhì)，含有部分腐蝕產(chǎn)物Fe 和有機(jī)物，排污系統(tǒng)積液加速了排污管線底部腐蝕。綜合考慮安全及投資，管線材質(zhì)由A333提升至INCOLOY 825。

圖1 集氣總站改造前工藝流程Fig.1 Process flow before transformation of the main gas gathering station

（3）高級孔板流量計維護(hù)成本高。集氣總站4條集氣干線輸送的高含硫天然氣經(jīng)氣液分離后采用高級孔板流量計進(jìn)行計量，為確保計量準(zhǔn)確，高級孔板流量計需要定期進(jìn)行清洗、校驗、更換孔板等維護(hù)作業(yè)。作業(yè)施工過程中需要對高級孔板流量計上、下游截斷放空，這樣不但影響計量而且安全風(fēng)險高，孔板和密封圈等材料價格昂貴，維護(hù)成本高。

（4）氣井產(chǎn)出地層水，氯離子含量超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。隨著氣田開發(fā)的進(jìn)行邊水逐步推進(jìn)，氣井產(chǎn)水量逐年增加，而且部分氣井產(chǎn)出水型發(fā)生變化。在凈化廠投產(chǎn)前，氣田試采的天然氣樣本中不含有氯離子，因此設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中原料氣氣體組成不考慮氯離子，凈化廠裝置原料氣管線選材為316L。但實際運(yùn)行后，根據(jù)集氣總站生產(chǎn)分離器液樣化驗分析，生產(chǎn)分離器出口液滴中氯離子質(zhì)量濃度在7 000～10 000 mg/L，平 均 為8 500 mg/L。根 據(jù)NACE 標(biāo)準(zhǔn)，316L 奧氏體不銹鋼材料對氯離子濃度要求如下：溫度＜60 ℃、H2S 分壓＜350 kPa時，氯離子質(zhì)量濃度不得超過50 mg/L，所以凈化廠原料氣攜帶氯離子濃度已遠(yuǎn)超出設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)要求，存在氯離子誘導(dǎo)的硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。原料氣管線輸送介質(zhì)壓力高（8.4 MPa）、硫化氫含量高（15%～18%），一旦發(fā)生氯離子誘導(dǎo)的硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，原料氣泄漏量大、速度快，波及范圍廣，存在人員中毒、火災(zāi)爆炸、環(huán)境污染等風(fēng)險。

（5）東西區(qū)無法隔離，不能實現(xiàn)分區(qū)停產(chǎn)檢修。集氣總站上游4條管線來氣氣液分離后，匯合成兩路，分別進(jìn)入凈化廠的東區(qū)和西區(qū)酸氣處理單元。站內(nèi)流程統(tǒng)籌考慮，共用一套控制系統(tǒng)。目前凈化廠分東西區(qū)系列，可分區(qū)獨立停產(chǎn)檢修。集氣總站僅一套控制系統(tǒng)，無法實現(xiàn)分區(qū)停產(chǎn)檢維修，集輸流程也無法實現(xiàn)徹底機(jī)械隔離。

2 工藝流程優(yōu)化改造

2.1 增設(shè)段塞流捕集裝置

集氣總站增加段塞流捕集裝置與生產(chǎn)分離器串聯(lián)，形成氣液二次分離系統(tǒng)。管線中氣液混合物先經(jīng)過段塞流捕集裝置進(jìn)行一次氣液分離再進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行二次氣液分離。段塞流捕集器由4臺氣液旋流分離器、1臺臥式儲液罐組成，每套設(shè)備單獨成橇[4]。段塞流捕集裝置的氣液旋流分離器和臥式儲液罐分開，4 條干線（1#、2#、3#、4#）分別串聯(lián)1套氣液旋流分離器，與新增的捕集器裝置串聯(lián)使用。單個段塞流氣液旋流分離器處理能力為1 400×104m3/d。單個段塞流臥式儲液罐的尺寸為DN 2600 mm×9 200 mm，其作用主要是防止段塞流量過大導(dǎo)致氣液旋流分離器出現(xiàn)“淹塔”現(xiàn)象。

段塞流捕集裝置運(yùn)用OLGA 2000多相流瞬態(tài)模擬軟件進(jìn)行設(shè)計，分別對正常工況和清管批處理工況進(jìn)行段塞流跟蹤模擬，獲取管道運(yùn)行的工況、最大的液塞量和持續(xù)時間。以1#管道普光102集氣站至集氣總站為例，管道長6.8 km，規(guī)格為508 mm×22.2 mm。經(jīng)OLGA 2000 軟件模擬，當(dāng)1#管道進(jìn)行批處理作業(yè)時，清管產(chǎn)生的最大股段塞流量為95.4 m3。段塞流捕集裝置的選型綜合考慮傳統(tǒng)容器式、指式和容積式三者的特點[5-6]，指式段塞流捕集裝置太長，不適應(yīng)普光集氣總站目前總體布局要求，容積式段塞流捕集裝置與傳統(tǒng)容器式段塞流捕集裝置相比，容積率大，最低液位低，同樣的處理能力，容積式尺寸小，滿足普光集氣總站總體布局要求[7]。選型對比情況分別見表1和表2。

表2 傳統(tǒng)容器式與容積式段塞流捕集裝置對比Tab.2 Comparison of traditional container type slug flow trap with volumetric slug flow trap

2.2 排污、放空管線材質(zhì)升級改造

集氣總站是連接集氣站和凈化廠的紐帶和橋梁，是普光氣田的要害部位。綜合考慮安全及投資，排污和放空管線由316L 升級至INCOLOY 825，鎳基合金管材具有很強(qiáng)的抗硫化氫腐蝕能力，升級后可有效降低管線腐蝕穿孔風(fēng)險。

2.3 安裝超聲波流量計代替孔板流量計

外夾式超聲波流量計具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、操作簡便、安裝無需破管等特點，多用于大管道流量的測量，它采用了先進(jìn)的數(shù)字相關(guān)技術(shù)和智能自適應(yīng)聲波技術(shù)，測量穩(wěn)定性好[8-9]。但對安裝人員要求高，安裝水平直接影響測量精度（圖2），長時間運(yùn)行后，耦合劑失效或傳感器位置改變都會影響測量，需定期維護(hù)。

圖2 超聲波流量計安裝Fig.2 Installation of ultrasonic flowmeter

2.4 增設(shè)水洗脫氯裝置

圖3 改造后工藝流程Fig.3 Process flow after transformation

集氣總站水洗脫氯裝置借鑒煤化工合成氣氣體脫氯技術(shù)，主要是對原料氣進(jìn)行水洗，降低天然氣中氯離子含量，消除下游管道、設(shè)備氯離子腐蝕風(fēng)險[10]。在集氣總站內(nèi)增設(shè)兩列天然氣水洗除氯裝置、兩列酸水汽提裝置及相應(yīng)的公用工程設(shè)施。其中一列天然氣水洗除氯+酸水汽提用于處理東區(qū)天然氣，另一套用于處理西區(qū)天然氣，每列裝置規(guī)模為50×108m3/a，年運(yùn)行時長8 000 h。

2.5 增加1套控制系統(tǒng)，便于分區(qū)獨立檢維修

為實現(xiàn)集氣總站分區(qū)獨立停產(chǎn)檢修，在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加1套控制系統(tǒng)，同時在東西區(qū)聯(lián)通閥門后增加8字盲板，實現(xiàn)機(jī)械隔離。改造后的工藝流程和現(xiàn)場布置如圖3和圖4所示。

圖4 改造后現(xiàn)場布置Fig.4 Site layout after transformation

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

（1）減小生產(chǎn)分離器氣液分離量，降低向凈化廠攜液污染胺液系統(tǒng)風(fēng)險。根據(jù)生產(chǎn)考核安排，在氣量產(chǎn)量達(dá)到2 700×104m3/d 和3 000×104m3/d 時分別對段塞流捕集裝置整體性能進(jìn)行了考核，在定期進(jìn)行大管道批處理清管作業(yè)時，段塞流捕集裝置也能夠達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

表3 大管道批處理時段塞流捕集裝置氣液處理能力數(shù)據(jù)Tab.3 Gas-liquid processing capacity data of slug flow capture device in large pipeline batch processing

（2）超聲波流量計計量能夠達(dá)到現(xiàn)場工況要求。通過對改造后的超聲波流量計計量數(shù)據(jù)與地質(zhì)配產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并對氣井調(diào)產(chǎn)后再次進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明超聲波流量計計量滿足現(xiàn)場工況要求，計量最大誤差小于±4%，其對比情況見表4。

表4 超聲波流量計計量結(jié)果對比Tab.4 Measurement result comparison of ultrasonic flowmeter

（3）水洗脫氯效果良好，能夠達(dá)到設(shè)計要求。水洗脫氯裝置建成投運(yùn)后，向凈化廠輸送的原料氣中氯離子濃度達(dá)到設(shè)計要求，降低了氯離子誘導(dǎo)輸氣管線發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險。水洗脫氯裝置投運(yùn)前后取樣化驗數(shù)據(jù)對比見表5。

優(yōu)化后的工藝流程解決了集氣總站因生產(chǎn)分離器分液能力不足而導(dǎo)致的氯離子含量超標(biāo)、管線腐蝕穿孔和硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂等風(fēng)險問題，避免了向凈化廠攜液導(dǎo)致凈化裝置胺液污染，具有重要的安全效益和社會效益。同時引進(jìn)低維護(hù)成本的超聲波流量計代替高級孔板流量計，降低了日常運(yùn)行維護(hù)成本，確保了普光氣田甲級要害部位集氣站總站的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

表5 水洗脫氯裝置投運(yùn)前后取樣化驗數(shù)據(jù)對比Tab.5 Comparison of sampling test data of water eluting chlorine device before and after commissioning

4 結(jié)論

通過對集氣總站進(jìn)行工藝流程優(yōu)化改造，成功解決了集氣總站目前存在的問題，普光氣田集輸系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性和流程切換的靈活性明顯提升，并取得以下認(rèn)識：

（1）安裝段塞流捕集裝置與生產(chǎn)分離器串聯(lián)構(gòu)成氣液二次分離系統(tǒng)，可以解決集氣總站生產(chǎn)分離器分液能力不足、分離效率下降的問題。

（2）放空、排污管線（A333 材質(zhì)）積液是導(dǎo)致管線腐蝕加快的主要原因，鎳基合金管材抗腐蝕能力很強(qiáng)、價格高，集氣站設(shè)計時應(yīng)綜合考慮安全和投資成本。

（3）超聲波流量計在大管道、原料氣氣質(zhì)較穩(wěn)定的場所計量精度能夠達(dá)到計量要求。

（4）高含硫天然氣經(jīng)水洗脫氯后，原料氣液滴中氯離子質(zhì)量濃度可以控制在50 mg/L以下。