超音速天然氣脫水工藝的應用

周建，陳文峰，于成龍，余智

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院， 天津 300451）

天然氣脫水的主要方法有吸收法、吸附法、低溫脫水法等。海上濕天然氣脫水一般采用三甘醇脫水，三甘醇脫水工藝復雜，設(shè)備多，占地大。渤海某油田首次應用超音速天然氣脫水裝置，相關(guān)設(shè)備和配套設(shè)施均比三甘醇脫水裝置少，節(jié)省了投資費用和甲板面積。

1 超音速天然氣脫水工藝技術(shù)介紹

1.1 工作原理簡介

低溫旋流式超音速分離脫水技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種將超聲速噴管的膨脹制冷效應和離心分離高效地結(jié)合在一起的新型天然氣脫水及重烴氣體分離技術(shù)。

天然氣超音速脫水技術(shù)屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法。核心部件為超音速分離器，其基本原理是利用拉瓦爾噴管，使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，這時天然氣的溫度和壓力會急劇下降，使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴，然后在超音速下產(chǎn)生強烈的氣流旋轉(zhuǎn)將小液滴分離出來，并對干氣進行再壓縮[1]。低溫旋流式超音速脫水裝置結(jié)合了氣體動力學、熱力學和流體力學理論，利用旋流場分離經(jīng)絕熱膨脹形成的低溫冷凝水分和重烴組分，高效脫除天然氣中所含水分。有效縮減設(shè)備占地面積，減輕基礎(chǔ)負重，降本增效。

其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三部分組成：

（1）螺旋流生成段：高壓氣流在經(jīng)旋流器加速的同時，軸向流轉(zhuǎn)化為以切向速度和軸向速度共同主導的螺旋流，生成高速螺旋流后進入Laval噴管。天然氣原氣首先進入旋流器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高速的切向加速度旋流。在超音速噴管入口表面的切線方向產(chǎn)生一個或多個氣體射流，并在Laval噴管內(nèi)形成超音速流體。

（2）凝結(jié)分離段：螺旋氣流流經(jīng)Laval噴管后進一步加速，并達到超音速狀態(tài)。根據(jù)超音速流體特性，氣體流速達到超音速后，當流道截面擴張時氣體的壓力降低、溫度降低、速度增快，形成高速低溫低壓流體。溫度瞬間降至采出天然氣中水分及重質(zhì)烷烴等雜質(zhì)的露點以下，其中的水蒸氣和重烴達到過飽和狀態(tài)開始凝結(jié)，發(fā)生成核現(xiàn)象，并使之凝結(jié)成液滴。隨后，液滴在離心力的作用下被“甩”到管壁上。從而實現(xiàn)氣液分離。液滴受到離心力作用被拋至分離器環(huán)隙管壁，液體沿管壁流動，而管壁處的氣體將包含部分重烴和水分，經(jīng)排出口排出。剩余的大部分干氣居于主流中心進入分離器中心管。

（3）壓力回收段：脫水后的氣流經(jīng)漸擴管道降速增壓，氣流壓力恢復到進口壓力的70%～80%。用于管道輸送。

圖1 低溫旋流式超音速分離裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)特點

低溫旋流式超音速分離裝置技術(shù)特點如下：

（1）結(jié)構(gòu)巧妙，可將分離出水和輕烴液體連續(xù)排出，通過裝置本體凝液分離段的設(shè)計，將干氣和析出凝液分流，凝液從凝液排出口排出，工況連續(xù)穩(wěn)定。

（2）運行費用低。本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，運行和維護費用低。

（3）系統(tǒng)密閉無泄漏[2]。天然氣進入分離裝置后，依靠自身的功能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)脫水、脫烴，無需與外界進行物質(zhì)和能量交換，一切轉(zhuǎn)化過程均在本體內(nèi)完成。

（4）在同樣的壓力損失下，溫降更大。天然氣經(jīng)過拉法爾管節(jié)流降壓后，形成超音速流體，根據(jù)超音速流體特性，溫度和壓力持續(xù)降低。此時的氣體溫度值與傳統(tǒng)工藝相比更低。

（5）占地面積小，安裝靈活。低溫旋流式超音速分離裝置外形類似一段T型管道，占地面積小，且配套設(shè)施和閥門組件相對簡單，拆裝檢修方便。

2 超音速天然氣脫水工藝技術(shù)應用

2.1 應用項目簡介

超音速天然氣脫水技術(shù)研究及應用科研項目是中國海油承擔的“十三五”國家科技重大專項研究任務之一，依托渤海某油田開發(fā)項目實施，同步建造、調(diào)試、投運。

該油田產(chǎn)出的伴生氣先經(jīng)過冷卻、洗滌、壓縮機增壓，然后通過氣外輸海管輸送至鄰近平臺進一步處理，最終作為燃料氣供應透平主機燃燒，滿足平臺供電需要。將超音速天然氣脫水裝置接入壓縮機增壓流程下游，脫除伴生氣中含有的絕大部分水分，減輕下游平臺處理負荷。

2.2 處理方案

該油田伴生氣經(jīng)壓縮機增壓后主要參數(shù)如下：天然氣壓力：5.6MPa；天然氣溫度：45℃；天然氣日處理量：37萬方/天；天然氣組分如下：

Comp Mole Frac(Methane)0.6914 Comp Mole Frac(Ethane)0.1448 Comp Mole Frac(Prothane)0.0863 Comp Mole Frac(i-Buthane)0.0091 Comp Mole Frac(n-B thane)0.0243

Comp Mole Frac(i-Penthane)0.0039 Comp Mole Frac(n-Penthane)0.0041 Comp Mole Frac(n-He×ane)0.0022 Comp Mole Frac (Nitrogen)0.0008 Comp Mole Frac (CO2)0.0300 Comp Mole Frac(H2O)0.0021

天然氣脫水處理指標要求：烴、水露點要求：≤-6℃；天然氣壓力：4.4MPa。

根據(jù)處理指標要求，確定如下設(shè)計方案：利用天然氣產(chǎn)品氣的低溫與原料氣換熱，同時利用經(jīng)分離裝置分離出的液態(tài)輕烴，使輕烴與天然氣原料氣換熱氣化，為天然氣原料氣降溫。輕烴液體在0.35MPa下的泡點溫度為-41℃，通過控制輕烴回注量，可滿足天然氣外輸露點≤-6℃的要求。

天然氣原料氣首先經(jīng)過氣氣換熱器換熱，高溫原料氣與分離裝置出口低溫干氣換熱降溫。經(jīng)過一級降溫后的原料氣進入輕烴換熱器，輕烴在換熱器內(nèi)氣化，天然氣原料氣與之換熱降溫。經(jīng)過兩級降溫后的低溫原料氣經(jīng)過流量計計量進入分離裝置脫水脫烴。其中大部分的天然氣干氣從裝置出口排出，少量的干氣夾帶分離出的水和輕烴進入氣液分離器進行氣水分離。經(jīng)過分離后的天然氣與分離裝置出口的干氣管線進行匯總。經(jīng)過氣液分離器分離出的液體進入油水分離罐，將輕烴和水分離。凝析液根據(jù)壓力要求，接入平臺生產(chǎn)分離器。詳見圖2所示。

為清除Laval噴管表面可能形成的固態(tài)苯，在流程中設(shè)置了脫苯裝置——異戊烷循環(huán)沖洗泵撬。利用異戊烷與固體苯的互溶特性，將異戊烷液體在儲罐內(nèi)經(jīng)電加熱器加熱升溫，加熱后的異戊烷液體經(jīng)泵輸送至分離裝置內(nèi)，對分離裝置內(nèi)部組件進行浸泡沖洗，將堵塞在管道內(nèi)的苯凝固物進行脫除。以確保不會因苯的存在，造成超音速分離裝置內(nèi)部的堵塞，影響分離效果。

2.3 技術(shù)對比

三甘醇脫水與超音速天然氣脫水的技術(shù)對比見表1：

3 結(jié)論

綜上所述，超音速天然氣脫水工藝具有占地少、無塔設(shè)備、投資少等優(yōu)勢，在本項目獲得成功應用，可為超音速天然氣脫水工藝的海上推廣使用提供借鑒。后續(xù)項目設(shè)計過程中應關(guān)注設(shè)備壓降、流量適應范圍及脫苯等問題。

圖2 低溫旋流式超音速脫水工藝流程

表1 三甘醇脫水與超音速脫水對比表

◆參考文獻

[1] 何策，程雁，額日其太. 天然氣超音速脫水技術(shù)評析[J].石油機械，2006，34(5)：70-72.

[2] 武新偉，李俊. 超音速脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].能源與節(jié)能，2014，(4)：20-21.