小型撬裝天然氣處理技術(shù)的工藝優(yōu)化研究及應(yīng)用

黃博(克拉瑪依市富城能源集團(tuán)有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中最為重要的能源之一。為積極響應(yīng)國內(nèi)加快推進(jìn)天然氣體制市場化改革號(hào)召，2017年底國內(nèi)大面積推行“煤改氣”，同時(shí)由于國內(nèi)部分LNG 接收站未能按時(shí)投產(chǎn)以及中亞天然氣管道檢修的原因，造成天然氣供應(yīng)存在大量缺口。天然氣市場一度出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，引發(fā)國內(nèi)大面積“氣荒”。然而，我國的大型天然氣氣田較少，除了一些常規(guī)氣田外，在偏遠(yuǎn)地區(qū)存在大量零散的小氣田非常規(guī)天然氣，以及在油田試油試氣過程中由于無法有效回收造成的天然氣放空[1]。目前國家不僅要求對(duì)天然氣資源充分利用，同時(shí)環(huán)保部門也對(duì)放空天然氣進(jìn)行大力整頓，也促使小型撬裝化設(shè)備的快速發(fā)展。本文通過合理的優(yōu)化論證，將油田試油試氣裝置與小型撬裝化天然氣處理裝置合為一體，實(shí)現(xiàn)試油試氣過程中天然氣零放空。

1 小型撬裝化現(xiàn)狀

撬裝化設(shè)備靈活多變的特點(diǎn)，目前已在油氣田偏遠(yuǎn)井的天然氣回收中應(yīng)用，工藝技術(shù)較為成熟，單仍存在設(shè)備撬塊多，工藝安裝復(fù)雜，占地面積大等一系列問題需要進(jìn)一步研究。天然氣凈化處理裝置包括分離計(jì)量、增壓、脫水、脫烴、外輸計(jì)量以及制冷系統(tǒng)、烴液處理系統(tǒng)、CNG 槽車充裝系統(tǒng)、儀表自動(dòng)化系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)的輔助配套系統(tǒng)[2](圖1)。

圖1 天然氣凈化處理裝置

將上述工藝模塊組合在12～13 個(gè)撬設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)天然氣處理裝置撬裝化，一般包含：分離計(jì)量撬、增壓撬、脫水撬、低溫分離撬、制冷機(jī)撬、輕烴回收撬、輕烴儲(chǔ)罐撬、儀表風(fēng)撬、發(fā)電機(jī)撬、放空火炬、控制室及配電間等。撬與撬之間工藝管線采用法蘭形式連接，同時(shí)根據(jù)不同氣質(zhì)組分，可將不同功能的撬塊進(jìn)行組合，來達(dá)到工藝要求，生產(chǎn)出合格的商品天然氣。單套裝置搬遷時(shí)間一般為1～2 周，大大降低了新建天然氣處理裝置的建設(shè)時(shí)間及投資，同時(shí)設(shè)備也可多次利用。此外在設(shè)備維修時(shí)可將相應(yīng)備用的撬裝設(shè)備替代，解決了大規(guī)模停站檢修的時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場反饋，裝置的運(yùn)行時(shí)率可達(dá)95%以上。

2 設(shè)備撬塊優(yōu)化

在油田勘探發(fā)的過程中，對(duì)天然氣的回收主要分為兩種：一是氣油比較高的單井，該類氣壓力相對(duì)較低，含液量大；二是小氣藏中的氣井，該類氣一般壓力較高，含液量小，且壓力衰減較快。根據(jù)以上兩種情況在現(xiàn)有的撬裝化工藝基礎(chǔ)上，加入試油試氣中所需要的油嘴、分離計(jì)量模塊及段塞留捕集器。再結(jié)合前期現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)時(shí)暴露出的一些問題，通過對(duì)設(shè)備、工藝等方面的優(yōu)化，將撬裝化天然氣處理裝置所需要的12 個(gè)撬塊，通過合理的設(shè)計(jì)，將其高度集中制2 個(gè)撬塊中。根據(jù)不同需求增加儀控室、外置分離器及發(fā)電機(jī)撬，將設(shè)備數(shù)量控制在5 個(gè)以內(nèi)，同時(shí)所有工藝管線采用油壬快接形式，電纜采用快速航空插頭快接形式，大幅度的降低搬遷及安裝的工作量。

2.1 天然氣凈化撬

天然氣凈化撬主要包含了天然氣處理中的靜設(shè)備，包括段塞留捕集器、油嘴套、電加熱器、節(jié)流閥、分子篩、低溫分離器、閃蒸罐等，如圖2 所示。

圖2 天然氣凈化撬示意圖

2.2 壓縮機(jī)撬

壓縮機(jī)撬主要包含了天然氣處理中所需要的動(dòng)設(shè)備，如：壓縮機(jī)、空冷器、空壓機(jī)等[3]。該撬裝化設(shè)備將前置壓縮機(jī)與后置壓縮機(jī)合并為一臺(tái)壓縮機(jī)，共用一臺(tái)電機(jī)。前三級(jí)作為前置壓縮機(jī)使用，通過三級(jí)壓縮將0.2～0.3MPag 的低壓天然氣增壓至7～8MPag 的操作壓力；后三級(jí)作為后置壓縮機(jī)使用，將節(jié)流脫烴后的1.5MPag 壓力的商品天然氣增壓至20MPag 充裝CNG槽車，同時(shí)隨車配有簡易加氣柱，可直接接至槽車充裝CNG。

3 工藝優(yōu)化

HYSYS 模擬軟件在石油化工行業(yè)中有廣泛的利用，通過建立相應(yīng)的模型，通過軟件計(jì)算可得出所需要的結(jié)果，對(duì)設(shè)備參數(shù)優(yōu)化及調(diào)整有著重要的意義。采用HYSYS 化工模擬軟件對(duì)撬裝化天然氣處理工藝進(jìn)行模擬，通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整，降低設(shè)備能耗，提高設(shè)備的利用率。

3.1 HYSYS穩(wěn)態(tài)建模

將1～25MPa 的來氣分為兩類，第一類為“低壓氣”，壓力小于7MPag；第二類為“高壓氣”，壓力大于7MPag。圖3 為壓力不超過7MPag 的情況。將通過節(jié)流閥將壓力穩(wěn)定在0.2MPag，進(jìn)入壓縮機(jī)前三級(jí)增至7MPa。增壓后的天然氣通過分子篩脫水后進(jìn)行節(jié)流將天然氣溫度節(jié)流至1.5MPa，溫度降低至-35℃進(jìn)入低溫分離器分離出天然氣與烴液。分離出的天然氣與節(jié)流前的天然氣換熱后返回至壓縮機(jī)后三級(jí)增壓至20MPag。增壓后的天然氣通過簡易加氣機(jī)充至CNG 槽車運(yùn)輸。低溫分離器底部分離出的液烴經(jīng)過閃蒸罐穩(wěn)定。

圖3 壓力小于7MPag穩(wěn)態(tài)建模

圖4 為壓力大于7MPag 的情況。高壓井口來氣由電加熱器加熱后，通過油嘴(或節(jié)流閥)節(jié)流至7MPag 后進(jìn)入分子篩進(jìn)行脫水。脫水后工藝流程與第一類“低壓氣”工藝流程一致。

3.2 加熱節(jié)流模塊優(yōu)化

根據(jù)焦耳湯姆森定律，由于天然氣在節(jié)流降壓過程中伴隨有溫度的降低，當(dāng)溫度低于天然氣水合物形成溫度時(shí)會(huì)發(fā)生“凍堵”，因此在節(jié)流前必須進(jìn)行加熱，由于節(jié)流壓差越大，溫降也會(huì)越大，則加熱器所需要的加熱負(fù)荷也就越高[4]。通過HYSYS模擬進(jìn)行分析，節(jié)流壓差與加熱器溫度關(guān)系如圖5 所示。

圖4 壓力大于7MPag穩(wěn)態(tài)建模

根據(jù)圖5 所示，當(dāng)壓力達(dá)到最高壓力25MPag 時(shí)，電加熱器最大負(fù)荷為14kW。按照?qǐng)D中原料氣壓力及電加熱器負(fù)荷關(guān)系，將壓力與電加熱器負(fù)荷聯(lián)鎖，根據(jù)不同壓力調(diào)節(jié)電加熱器負(fù)荷，由此達(dá)到節(jié)能的效果。

圖6 天然氣節(jié)流制冷

3.3 制冷方式的優(yōu)化

天然氣制冷有制冷機(jī)制冷和節(jié)流制冷兩種形式，制冷機(jī)制冷是通過對(duì)冷劑壓縮再膨脹降溫通過換熱器與天然氣換熱達(dá)到制冷效果[3]。節(jié)流制冷是利用氣體的焦耳—湯姆森定律，天然氣在節(jié)流降壓過程中伴隨有溫度的降低，利用天然氣自身的壓力通過節(jié)流后的氣體冷量在換熱器中降低來氣溫度，再節(jié)流制冷，循環(huán)最終平衡達(dá)到數(shù)學(xué)極限，制冷溫度達(dá)-35℃至-40℃(圖6)。

節(jié)流脫烴與制冷機(jī)相比設(shè)備數(shù)量少，工藝流程簡單，節(jié)流截止閥屬于靜設(shè)備管理更為方便，因此節(jié)流制冷脫烴的方式更適合撬裝化設(shè)備。

4 結(jié)語

通過對(duì)天然氣凈化處理的整個(gè)工藝流程進(jìn)行研究和優(yōu)化，將原本復(fù)雜笨重的天然氣處理裝置集合在兩個(gè)撬體中，通過合理的優(yōu)化組撬甚至可以將整撬放置在平板車上，作為移動(dòng)化的設(shè)備在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行天然氣回收。此外針對(duì)原料氣壓力溫度的控制以及后端脫烴流程的優(yōu)化，將工藝流程在滿足處理要求的前提下最簡化，降低運(yùn)行的成本。本文提到的小型撬裝化處理設(shè)備，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的單井天然氣回收有一定的意義。