DANA FPSO 天然氣處理工藝流程分析

屠 艷

（啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇啟東 226006）

0 引言

DANAFPSO項(xiàng)目由啟東中遠(yuǎn)為英國公司建造，用于英國北海WesternIsles 油田開發(fā)。項(xiàng)目采用Sevan400 圓筒型概念設(shè)計(jì)，是中國的首個(gè)FPSO 總承包項(xiàng)目。該FPSO 擁有40 萬桶儲(chǔ)油能力，日處理量44 000 桶，日處理油氣31.6MMSCFD，其主要功能是對(duì)海底原油進(jìn)行油氣處理，儲(chǔ)存和卸油等。本文針對(duì)該項(xiàng)目天然氣處理工藝進(jìn)行介紹，包括氣體 壓縮、脫水、除汞等流程。

DANA FPSO 用于接收距離2.5 km 遠(yuǎn)的兩個(gè)井下鉆井中心油氣，并向其供給生產(chǎn)所需注水和氣舉氣。每個(gè)鉆井中心分別有2 條生產(chǎn)立管、1 條注水立管和1 條氣舉管與FPSO 連接。其中南鉆井中心連接4 口生產(chǎn)井和4 口注水井，北鉆井中心連接5口生產(chǎn)井和3 口注水井。氣體外輸/供給管線與附近的Tern平臺(tái)外輸管線在海底匯合，一同外輸?shù)絅orth Cormorant 平臺(tái)，可以同時(shí)滿足前期多余氣體的外輸，同時(shí)后期由于氣體不足，可以提供FPSO 氣體的供給。

天然氣處理是FPSO 一項(xiàng)主要的功能，主要是將分離罐分離出來的天然氣進(jìn)行收集、分離凈化、增壓，最終供平臺(tái)各用戶使用。

處理后的氣體主要有以下幾種用途：

1）滿足自身平臺(tái)燃料需求和平臺(tái)用氣，主要作為透平發(fā)電機(jī)燃料、火炬系統(tǒng)匯管吹掃氣和氣浮裝置填充氣；

2）作為氣舉氣，滿足油田開發(fā)需求；

3）在開發(fā)前期，過剩的氣體通過海底輸送給其他平臺(tái)使用。

天然氣的處理包括氣體的壓縮增壓、除汞和脫水凈化。從1 級(jí)分離罐和2 級(jí)分離罐分離出的氣體根據(jù)壓力大小分別進(jìn)入低壓壓縮和高壓壓縮系統(tǒng)，低壓氣體經(jīng)過增壓后一同進(jìn)入高壓壓縮系統(tǒng)。氣體通過高壓一級(jí)壓縮后，依次進(jìn)行脫汞和脫水處理，然后進(jìn)行二級(jí)和三級(jí)壓縮以達(dá)到最終的處理標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)項(xiàng)目要求，處理后的氣體應(yīng)滿足FLAGS 管線輸入氣體技術(shù)參數(shù)[1]，見表1。

表1 外輸氣體技術(shù)參數(shù)要求

1 天然氣壓縮

天然氣壓縮是天然氣處理最重要的部分，主要是利用天然氣壓縮機(jī)組將分離出的低壓氣體加壓至滿足條件的外輸氣或者平臺(tái)供應(yīng)氣，并在壓縮過程中盡可能將氣體中的重組分剔除。

本項(xiàng)目為適應(yīng)不同壓力的氣體處理，分別設(shè)置高壓壓縮和低壓壓縮兩個(gè)系統(tǒng)。油井產(chǎn)出的油氣經(jīng)過水下生產(chǎn)系統(tǒng)匯入FPSO，在經(jīng)過減壓、加熱后進(jìn)入2 級(jí)三相分離器，一級(jí)分離器分離出的氣體（0.82 MPa）進(jìn)入高壓壓縮系統(tǒng)，二級(jí)分離器分離出的氣體（0.104 MPa）先進(jìn)入低壓壓縮系統(tǒng)增壓，然后與一級(jí)分離出的高壓氣體一同匯入高壓壓縮系統(tǒng)[2]。

1.1 天然氣低壓壓縮系統(tǒng)

低壓壓縮系統(tǒng)由兩組相同的入口冷卻器，洗滌罐，冷凝液回流泵和螺桿式低壓壓縮機(jī)組組成。從二級(jí)分離罐分離出的氣體，匯合其他系統(tǒng)回流的低壓氣體，首先通過入口冷卻器，將氣體從75℃冷卻至25℃，冷卻后的氣體進(jìn)入氣體洗滌罐分離，冷卻后的氣體經(jīng)低壓壓縮機(jī)組加壓至0.87 MP a 后送至高壓壓縮系統(tǒng)入口，分離出的冷凝液由回流泵重新送至分離系統(tǒng)進(jìn)行分離。典型的低壓壓縮系統(tǒng)如圖1 所示。

1.2 天然氣高壓壓縮系統(tǒng)

圖1 低壓壓縮系統(tǒng)流程圖

高壓壓縮系統(tǒng)分為三級(jí)壓縮，系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。該壓縮機(jī)組由一套離心式壓縮機(jī)組組成。一、二級(jí)壓縮屬于同軸壓縮，一級(jí)壓縮后的氣體首先進(jìn)行氣體的脫水、分離和除汞，處理后的氣體繼續(xù)進(jìn)行二級(jí)和三級(jí)壓縮。來自一級(jí)分離器及低壓壓縮機(jī)系統(tǒng)的天然氣一起（混合氣的壓力：0.8 MPa，溫度：96℃），首先經(jīng)一級(jí)高壓壓縮機(jī)進(jìn)口冷卻器冷卻至30℃，再經(jīng)一級(jí)高壓壓縮機(jī)進(jìn)口洗滌器進(jìn)行分離，分離出的冷凝液經(jīng)高壓壓縮機(jī)液體循環(huán)泵，打回至一級(jí)分離器前的進(jìn)口加熱器，重新循環(huán)利用； 分離出的天然氣，進(jìn)入一級(jí)高壓壓縮機(jī)，增壓至3 MPa，此時(shí)增壓后的氣體溫度可達(dá)110℃，然后經(jīng)一級(jí)高壓壓縮機(jī)出口冷卻器冷卻至30℃，再通過一級(jí)高壓壓縮機(jī)出口洗滌器，分離出因溫度降低而析出的液體，該液體重新回到一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口冷卻器，繼續(xù)循環(huán)利用；洗滌器出口的天然氣進(jìn)行除汞和脫水處理，處理后的天然氣經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口洗滌器，進(jìn)一步分離出介質(zhì)中的冷凝液，隨后進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)增壓至7.4 MPa，天然氣溫度可達(dá)103℃左右，然后經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)出口冷卻器冷卻至28℃，為進(jìn)一步提純，滿足外輸氣體的露點(diǎn)的要求，氣體通過二級(jí)壓縮機(jī)之后，通過J-T 閥減壓降溫，進(jìn)一步除去氣體中的重組分。進(jìn)入三級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口洗滌器，進(jìn)一步分離出由于溫度降低而析出的冷凝液，天然氣進(jìn)入三級(jí)壓縮機(jī)增壓至14.25 MPa，溫度可達(dá)80℃，經(jīng)三級(jí)壓縮機(jī)出口冷卻器冷卻至50℃，天然氣根據(jù)用戶需要至氣舉采油或外輸。

離心壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中由于系統(tǒng)工況變化或人為誤操作產(chǎn)生氣體流量減小的狀況，使得進(jìn)入葉輪或擴(kuò)壓器管道的氣流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流量降到很低時(shí)，分離現(xiàn)象則達(dá)到最大化。當(dāng)氣流發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時(shí)會(huì)阻礙氣流的通過，這就使得另一端有著較高壓力的氣體返流到級(jí)里來。此時(shí)級(jí)里面氣體壓力增加，流量增加，又會(huì)重新把倒流回來的氣體重新壓出去。因此氣體在級(jí)與管道間往復(fù)徘徊，這就使得系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“喘振”[4]。為避免喘振現(xiàn)象對(duì)壓縮機(jī)組的傷害，通過動(dòng)態(tài)分析，在每一級(jí)壓縮機(jī)的出口分別安裝了防喘振和高溫氣體兩條回流管線，保證壓縮機(jī)入口有足夠的氣體，從而達(dá)到防喘振的目的。

2 天然氣除汞工藝

大多數(shù)天然氣中大多都含有痕量金屬元素汞及其化合物，并且地域差異很大。因汞具有高揮發(fā)性、強(qiáng)腐蝕性毒性，當(dāng)汞的含量超過一定值時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)、職業(yè)安全健康和工藝設(shè)備安全都有不利影響。因此，開發(fā)和利用含汞天然氣必須將天然氣中的汞脫除，降低天然氣中汞的含量。

目前，國內(nèi)外常用的天然氣脫汞工藝有化學(xué)吸附、溶液吸收、低溫分離、陰離子樹脂和膜分離等，目前普遍采用的是化學(xué)吸附工藝。通過前期數(shù)據(jù)表明，DANA FPSO 作業(yè)區(qū)域汞含量遠(yuǎn)高于外輸氣體的要求，因此，需對(duì)天然氣進(jìn)行脫汞處理，工藝流程圖如圖2 所示。項(xiàng)目中采用的脫汞工藝是通過化學(xué)吸附法，利用金屬硫化物或金屬氧化物與天然氣中的汞反應(yīng)，生成汞的化合物停留在脫汞劑中，從而將天然氣中的汞脫除。脫汞工藝流程如圖2 所示，一級(jí)壓縮機(jī)出口的氣體首先通過聚結(jié)器預(yù)處理，除去天然氣中的液滴和固體顆粒，然后通過裝有脫汞劑的除汞罐，除汞罐在不同層均有取樣點(diǎn)，出入口的壓差傳感器檢測(cè)罐子是否有堵塞。氣體通過脫汞罐之后，經(jīng)過過濾器除去氣體可能攜帶的脫汞劑顆粒，以免影響后續(xù)氣體的處理[3]。通過脫汞處理，最終使氣體中的汞含量低于0.01 ug/m3。

圖2 脫汞工藝系統(tǒng)流程圖

3 天然氣脫水工藝

從地下油氣層產(chǎn)出的油氣往往含有大量的游離水和飽和水，通過分離得到的氣體除去了大部分游離水，但其中仍存在大量結(jié)合水和水蒸氣。這些水分仍然對(duì)天然氣的利用和集輸產(chǎn)生不利影響：當(dāng)天然氣被壓縮或冷卻時(shí)，水蒸氣會(huì)轉(zhuǎn)變成液態(tài)或固態(tài)。液態(tài)水會(huì)降低輸氣效率和天然氣的熱值，同時(shí)也會(huì)加速管道和設(shè)備的腐蝕，固態(tài)水會(huì)堵塞管道和閥門。因此，天然氣在使用或進(jìn)入外輸管網(wǎng)之前，必須除掉這部分水分，使天然氣中水分含量滿足相關(guān)規(guī)范。含水量指標(biāo)有“絕對(duì)含水量”和“露點(diǎn)溫度”兩種表示方法。前者指單位體積天然氣中水的含量，后者指一定壓力下，天然氣中水蒸氣開始冷凝結(jié)露的溫度。

常用的脫水工藝方法有低溫分離法、溶劑吸收法、固體吸附法和膜分離法。其中，溶劑吸收法憑借其高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等特點(diǎn)，在國內(nèi)外使用的最為廣泛。DANA FPSO 是利用三甘醇作為溶劑脫水，將含水量降低到30 ppmv，保證脫水后的含水量滿足外輸要求（≤35 ppmv）。天然氣在除汞之后，緊接著進(jìn)行脫水處理。脫汞后的氣體（濕氣）從接觸塔的底部進(jìn)入，自下而上與從頂部進(jìn)入的貧三甘醇接觸，天然氣中的水被貧三甘醇充分吸收后從塔頂流出。接觸塔出口管線安裝有露點(diǎn)分析儀，檢測(cè)處理后的氣體的含水量，含水量正常的氣體一部分作為燃料氣供給其他設(shè)備使用，另一部分進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)繼續(xù)進(jìn)行增壓。如果出口氣體含水量過高，未到達(dá)處理要求，氣體會(huì)通過旁路管線直接進(jìn)入火炬系統(tǒng)燃燒[4]，脫水工藝如圖3 所示。

貧三甘醇自塔頂進(jìn)入，吸收濕氣中的水分后成為富液，富液從塔底流出，經(jīng)過再生回收裝置后循環(huán)注入到接觸塔中。三甘醇再生裝置的工藝流程為：貧甘醇→接觸塔→回流冷卻器→閃蒸罐→精濾器→活性炭過濾器→貧/富液換熱器→蒸餾柱、重沸器→汽提塔→貧/富液換熱器→緩沖罐→循環(huán)泵→貧甘醇冷卻器→接觸塔（三甘醇循環(huán)使用）。從接觸塔下部出來的富液，首先經(jīng)蒸餾柱頂部冷凝回流器的管程進(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸罐的作用是提供迅速氣化和氣液分離的空間，閃蒸出富液中溶解的天然氣、芳香烴、二氧化碳等輕組分，經(jīng)過閃蒸后的富液先后經(jīng)過TEG 精過濾器、活性炭過濾器，除去溶液中的機(jī)械雜質(zhì)和降解產(chǎn)物，過濾后的富液通過貧/富液換熱后進(jìn)入蒸餾柱，然后在重沸器內(nèi)再生為貧液，再生過程中向汽提塔內(nèi)通入處理后的干氣作為汽提氣，將貧液進(jìn)一步提純。提純后的貧液經(jīng)過貧/富液換熱器后，進(jìn)入緩沖罐儲(chǔ)存（至少可供使用14 天），緩沖罐與汽提塔的平衡管線保證兩個(gè)系統(tǒng)的壓力相同，有利于進(jìn)一步分離。緩存罐內(nèi)的貧液最后通過循環(huán)泵，在經(jīng)過貧液冷卻器冷卻后，送至接觸塔頂部再與濕氣逐級(jí)接觸脫水。冷卻的目的是為了保證循環(huán)回塔頂?shù)呢氁旱臏囟仁冀K高于入口濕氣溫度5℃，以防烴類在接觸塔內(nèi)冷凝而 引起發(fā)泡，貧甘醇溫度過高則常造成脫水不深，因此，貧甘醇的溫度亦不宜過高[5]。

圖3 TEG 脫水工藝系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

油田開發(fā)的天然氣處理，作為FPSO 一項(xiàng)重要的工藝流程，不僅對(duì)油氣的充分利用有積極作用，同時(shí)也降低了平臺(tái)的能源消耗，減少了廢氣的排放。本文介紹DANA FPSO 項(xiàng)目天然氣處理的工藝流程和技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)于油處理和水處理，由于篇幅本文就不再展開，通過本文的介紹和總結(jié)，希望對(duì)往后FPSO 工藝設(shè)計(jì)有所幫助。