海上平臺超壁厚低溫分離器選型分析

曹浩明，蔡廣遠(yuǎn)，譚紅瑩，王振伍，穆家華，左勇勝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋油氣平臺開發(fā)過程中，作為商品或長距離管道輸送，通常對天然氣烴露點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)控制，這就需要平臺上設(shè)置烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵設(shè)備就是低溫分離器。因烴露點(diǎn)控制工藝的需要，低溫分離器一方面要承受較高的設(shè)計壓力(高達(dá)10 MPaG以上)，另一方面也要承受較低的設(shè)計溫度(低至-55 ℃)。高壓低溫設(shè)計工況限制了容器的選材，通常選擇低溫碳鋼(09MnNiDR)。國內(nèi)主流供貨商反饋09MnNiDR超厚鋼板加工制造難度非常大，焊接沖擊合格率低，導(dǎo)致低溫分離器的采辦和制造均存在非常大的風(fēng)險，根據(jù)國內(nèi)加工制造工藝，廠家建議鋼板厚度最好不超過90 mm。在設(shè)備設(shè)計壓力和設(shè)計溫度確定的情況下，容器直徑是影響壁厚的最重要因素，直徑越大，容器壁越厚，因此若要控制設(shè)備壁厚，就必須在控制容器直徑方面上進(jìn)行重點(diǎn)研究。

文章以某海洋平臺烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計為例，對低溫分離器內(nèi)件選型和設(shè)備尺寸進(jìn)行分析探討。

1 項(xiàng)目概況

南海某氣田處理后的天然氣外輸至路上終端，為滿足下游用戶需求及保證長輸管道的輸送安全，需要對天然氣進(jìn)行脫水和脫烴處理，烴露點(diǎn)控制指標(biāo)為-5 ℃，因此在海洋平臺上設(shè)置了烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)，包括冷卻器、J-T閥、低溫分離器和凝析油輸送泵。作為烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該低溫分離器的功能為氣液兩相分離，采用立式容器，需處理的天然氣氣量為1 000×104Sm3/d，設(shè)計壓力為8.65 MPaG，設(shè)計溫度為-40 ℃，容器材料為09MnNiDR。

2 幾種不同內(nèi)件立式氣液兩相分離器介紹

氣液分離器的核心是氣液分離元件和除霧裝置，主要包括：重力分離器/分離罐、聚結(jié)分離器、葉片型分離器、金屬絲網(wǎng)分離器、軸向旋流氣液分離裝置和筒形過濾元件。已有的國內(nèi)海洋油氣處理平臺上，金屬絲網(wǎng)分離器應(yīng)用較普遍，純重力分離器和聚結(jié)分離器也有應(yīng)用。葉片型分離器和軸向旋流氣液分離裝置因受制于內(nèi)件專利限制，制造廠家較少，在海洋油氣平臺應(yīng)用較少，但因其分離效率較高、尺寸較小、綜合成本較低，同時也可以與其它的氣液分離元件或除霧裝置進(jìn)行組合，以適應(yīng)不同的使用條件和工藝要求，成為國外近幾年發(fā)展最快的分離器型式。表1為三種典型分離器性能對比。

表1 幾種分離器氣液分離性能對比表Tab.1 Comparison of gas liquid separation performance of several separators

從表1可看出，軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器在處理能力、分離效率和操作彈性等方面均明顯優(yōu)于常規(guī)分離器。

3 不同內(nèi)件形式對低溫分離器尺寸和壁厚的影響

氣液兩相分離器直徑計算公式[2]為：

(1)

式中:Q——處理氣量；K——設(shè)計常數(shù)，取決于分離器不同的內(nèi)件形式，同時也受操作條件影響；ρL——液體密度；ρg——?dú)怏w密度。

項(xiàng)目按照普通絲網(wǎng)分離器、聚結(jié)分離器和軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器(入口葉片+絲網(wǎng)+軸向旋流管，下同)三種分離器類型分別計算容器尺寸和壁厚，結(jié)果見表2。

表2 三種分離器對比Tab.2 Comparison of three kinds of separator

從表2可看出普通絲網(wǎng)分離器直徑最大，壁厚也最厚，達(dá)到100 mm，聚結(jié)分離器直徑為絲網(wǎng)分離器的85%，壁厚為絲網(wǎng)分離器的80%；高效內(nèi)件組合式分離器直徑為絲網(wǎng)分離器的71%，壁厚為絲網(wǎng)分離器的66%。

從09MnNiDR超厚鋼板加工制造和焊接沖擊工藝難度上來看，絲網(wǎng)分離器因壁厚達(dá)到100 mm，焊接沖擊良品率低。聚結(jié)分離器和軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器鋼板厚度低于90 mm，主流廠家可以生產(chǎn)，同時軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器的壁厚更小，焊接沖擊合格率更高。從計算結(jié)果也可以看出，因軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器尺寸小和鋼板厚度薄，其設(shè)備重量僅為26 t，遠(yuǎn)低于絲網(wǎng)分離器的61 t，大大降低了設(shè)備布置空間和重量，對于布置緊湊的海洋平臺來說，空間和重量尤為關(guān)鍵。

軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器既解決了該低溫分離器遇到的09MnNiDR超厚鋼板加工制造和焊接沖擊合格率低的問題，又大大降低了布置空間、設(shè)備重量和平臺承重，因此，選擇該類型分離器作為本油氣平臺烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)的低溫分離器。

4 軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器

軸向旋流高效組合內(nèi)件分離器是近幾年發(fā)展較快的新型分離器，有以下三種分離元件：葉片形入口裝置、絲網(wǎng)除霧器和軸向旋流管。該分離器同時具有聚結(jié)分離器、旋流管除霧器和立式分離器的優(yōu)點(diǎn)，其特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少、氣體處理能力強(qiáng)、效率高(氣液分離達(dá)99%以上)、高液體處理能力和操作彈性大。

葉片形入口裝置對入口流體進(jìn)行初級氣、液分離，具有承受較高進(jìn)口動能、良好的氣體分布和達(dá)到95%液體分離效率；絲網(wǎng)除霧器，安裝在葉片形入口裝置和軸向旋流管之間，當(dāng)氣體負(fù)載系數(shù)為0.25 m/s時，除霧器將會被淹泛沒，這時它具有聚結(jié)器的作用，增加通過除霧器的液滴尺寸，并促進(jìn)旋流管中的氣液分離；當(dāng)氣體負(fù)載系數(shù)小于0.01 m/s時，旋流管的分離效率降低，這時除霧器則具有非常好的除霧作用；軸向旋流管是一種軸向旋流除沫裝置，可使流入旋流管的流體產(chǎn)生加速渦流旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下,液滴穿過氣流移動，直到與旋流管壁碰撞和聚積，并完成了液滴的分離和氣流的除霧過程。

5 結(jié)論

海洋平臺受制于空間布置特點(diǎn)，往往對設(shè)備尺寸要求較高，故占地面積小且處理高效的設(shè)備更適合應(yīng)用在海洋平臺上。由于海洋油氣行業(yè)開發(fā)工業(yè)更注重設(shè)備的成熟性和工藝處理的安全可靠性，常規(guī)金屬絲網(wǎng)分離器和聚結(jié)分離器在目前的海洋油氣平臺中的應(yīng)用更為廣泛。

軸向旋流高效組合式內(nèi)件分離器具有氣液分離效率高、處理量大和操作彈性高等特點(diǎn)，能夠較好的應(yīng)用在對尺寸、重量和布置空間要求較高的海洋平臺上，尤其適用于烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)中的低溫分離器。

更為關(guān)鍵的是由于降低了容器的直徑，故而大幅降低了容器壁厚，所以從源頭上解決了09MnNiDR低溫超厚鋼板加工制造難度大和焊接沖擊合格率低的問題，避免了工程制造難題，大大降低了工程造價。

隨著我國海洋油氣工業(yè)逐步走向深水油氣田的開發(fā)，天然氣露點(diǎn)必將成為天然氣處理和外輸?shù)闹匾笜?biāo)要求，作為烴露點(diǎn)控制的關(guān)鍵設(shè)備——低溫分離器必將會越來越多的應(yīng)用在天然氣處理工藝流程中。為解決低溫超厚鋼板加工制造難度大和焊接沖擊合格率低的問題，建議推廣高效分離內(nèi)件在低溫分離器上的使用，比如軸向旋流高效組合內(nèi)件式分離器，以縮小容器尺寸，降低容器壁厚，從源頭解決工程實(shí)際問題。