在老齡平臺(tái)上增加天然氣脫水設(shè)施的實(shí)踐

余俊雄，張繼偉，黃永鋒，宮有志，張 威

中海石油（中國(guó)） 有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津300451

某老齡平臺(tái)已服役15 年，經(jīng)過(guò)多次改擴(kuò)建，現(xiàn)有10 個(gè)樁腿。通過(guò)校核發(fā)現(xiàn)部分樁腿的樁基承載力安全系數(shù)接近規(guī)范允許的極限值。該平臺(tái)生產(chǎn)的伴生天然氣經(jīng)過(guò)增壓，進(jìn)入管網(wǎng)進(jìn)行交易，天然氣壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力為30×104m3/d，天然氣外輸量約15×104m3/d。2019 年預(yù)測(cè)即將進(jìn)入管網(wǎng)的其他油田的天然氣中二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)將達(dá)到6.88%～16.27%。二氧化碳遇水產(chǎn)生碳酸，對(duì)管道將產(chǎn)生腐蝕。為避免腐蝕發(fā)生，所有進(jìn)入管網(wǎng)的天然氣必須脫水，其水露點(diǎn)需＜-6 ℃@6200 kPaG。因此，為了讓該老齡平臺(tái)的伴生天然氣繼續(xù)進(jìn)入管網(wǎng)，需要在該平臺(tái)新增天然氣脫水裝置，否則伴生氣無(wú)法繼續(xù)外輸交易。增加脫水裝置的工作需根據(jù)平臺(tái)剩余空間和樁基承載情況，從方案篩選入手并進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

1 脫水方案篩選及適應(yīng)性優(yōu)化

由于此前為滿足滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)的需求，該平臺(tái)已經(jīng)多次增加設(shè)施設(shè)備，平臺(tái)的剩余空間不多，且部分樁基承載力已接近極限（見(jiàn)表1），所以現(xiàn)有平臺(tái)可增加設(shè)施的外觀尺寸和重量有限。如果在現(xiàn)有平臺(tái)外增加樁腿，不僅費(fèi)用很高，而且申請(qǐng)用海的時(shí)間也不短，考慮到費(fèi)用成本和時(shí)間成本因素，因此不考慮采用增加樁腿方案。脫水方案篩選需要充分控制設(shè)施的外觀尺寸和重量，需要考慮樁基的載荷分配，還需要考慮施工技術(shù)，因此在方案篩選時(shí)要進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

1.1 立足平臺(tái)現(xiàn)有設(shè)備的方案篩選

立足平臺(tái)現(xiàn)有的天然氣壓縮機(jī)、甲醇注入系統(tǒng)（運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2），對(duì)丙烷冷卻脫水方案、三甘醇脫水方案、分子篩脫水方案進(jìn)行了篩選。

表1 平臺(tái)改造前后樁基承載力狀態(tài)

（1） 丙烷冷卻脫水方案。由于某終端處理廠閑置了3 臺(tái)舊的丙烷壓縮機(jī)設(shè)備，所以優(yōu)先考慮采用丙烷冷卻天然氣脫水方案，以利用這3 臺(tái)舊壓縮機(jī)設(shè)備，其工藝流程如圖1 所示。經(jīng)過(guò)核算，該方案的撬塊質(zhì)量約80 t，整套裝置尺寸約為8 m×6 m×7 m，平臺(tái)原有20 t 吊車難以完成吊裝作業(yè)。

表2 平臺(tái)現(xiàn)有天然氣壓縮機(jī)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

圖1 丙烷冷卻天然氣脫水方案工藝流程

（2） 三甘醇脫水方案。三甘醇天然氣脫水方案的工藝流程如圖2 所示。夏季天然氣經(jīng)海水冷卻后溫度在40 ℃左右，經(jīng)模擬計(jì)算，三甘醇脫水后外輸氣最低露點(diǎn)為-10 ℃，接近管網(wǎng)露點(diǎn)要求，如果氣量發(fā)生波動(dòng)，容易造成外輸天然氣露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)[1]。經(jīng)核算三甘醇脫水撬塊質(zhì)量約35 t、撬塊尺寸約16 m×4.5 m×10 m。

（3） 分子篩脫水方案。分子篩天然氣脫水工藝流程如圖3 所示。通常分子篩脫水裝置入口溫度不能大于35 ℃（因分子篩填料在40 ℃以上無(wú)吸水率曲線）。而在該平臺(tái)，夏季天然氣入口溫度52 ℃，經(jīng)海水冷卻后溫度在40 ℃左右波動(dòng)，導(dǎo)致重?zé)N無(wú)法全部脫除，容易造成分子篩中毒、粉碎、吸附能力差、再生頻率高、壽命縮短[2]。通過(guò)核算該方案新增設(shè)備撬質(zhì)量約53 t，撬塊尺寸約7.5 m×4.5 m×5 m。

鑒于分子篩天然氣脫水、三甘醇天然氣脫水方案的脫水效果難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，而丙烷冷卻天然氣脫水方案的設(shè)備重量、外觀尺寸較大，吊裝困難，因此篩選工作還需要擴(kuò)大范圍。

1.2 考慮平臺(tái)原有資源和新技術(shù)的方案篩選

圖2 三甘醇天然氣脫水方案工藝流程

圖3 分子篩天然氣脫水方案工藝流程

考慮充分利用平臺(tái)現(xiàn)有天然氣壓縮機(jī)能力為天然氣脫水方案的篩選提供新的可能性。為此采取了以下措施，即通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)一級(jí)、二級(jí)活塞行程以及滑油分配器注油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并更換部分動(dòng)態(tài)密封較差的部件，從而把天然氣壓縮機(jī)出口的壓力提高到8 MPa 以上。而后利用增壓的天然氣作為冷源，對(duì)天然氣進(jìn)行超音速脫水和J-T 閥節(jié)流制冷脫水，從而為天然氣脫水提供了兩種新的方案。

（1） 超音速脫水方案。天然氣超音速脫水的核心部件為3S[3]，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。天然氣超音速脫水工藝的流程簡(jiǎn)圖如圖5 所示。天然氣露點(diǎn)降至32 ℃左右時(shí)，原料氣入口溫度對(duì)裝置影響較大，本項(xiàng)目夏季天然氣入口溫度約85 ℃，經(jīng)海水冷卻器降為40 ℃，經(jīng)過(guò)處理后外輸露點(diǎn)約為5 ℃，不滿足要求[4]。

圖4 天然氣超音速脫水工藝的3S 結(jié)構(gòu)示意

圖5 天然氣超音速脫水方案工藝流程

（2） J-T 閥節(jié)流制冷脫水方案。J-T 閥節(jié)流制冷脫水方案工藝流程如圖6 所示。由于天然氣超音速脫水方案也不滿足需要，為了提高J-T 閥節(jié)流制冷脫水方案的可用性，把纏繞式換熱器（內(nèi)部形式見(jiàn)圖7） 這種新的技術(shù)運(yùn)用于低溫?fù)Q熱器，以降低設(shè)施的重量和外觀尺寸。該低溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)壓力8 MPa，功率22 kW，直徑600 mm，筒體長(zhǎng)度5 900 mm。主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積傳熱面積大、傳熱系數(shù)大、傳熱效率高[5]。J-T 閥節(jié)流制冷脫水方案主要設(shè)備如表3 所示。

圖6 J-T 閥節(jié)流制冷天然氣脫水方案流程

表3 J-T 閥脫水主要設(shè)備

圖7 纏繞式內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式

J-T 閥節(jié)流制冷脫水裝置利用平臺(tái)壓力節(jié)流制冷脫水，所有設(shè)備集成在一個(gè)撬內(nèi)，包括海水冷卻系統(tǒng)（600LB）、節(jié)流制冷脫水系統(tǒng)（600LB）。裝置工藝性能滿足夏天7 MPaG、85 ℃進(jìn)氣要求；輕烴、重?zé)N分離后返回生產(chǎn)流程；利用平臺(tái)現(xiàn)有甲醇注入系統(tǒng)進(jìn)行防凍堵抑制劑注入[6]；整撬空載質(zhì)量26 t，操作質(zhì)量30 t。尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為7 m×3.2 m×3.8 m。夏季最高溫度時(shí)，天然氣來(lái)氣溫度85 ℃，入口壓力6～7.5 MPa，出口壓力4～5.5 MPa，經(jīng)J-T 閥后溫度降為-20 ℃，露點(diǎn)控制在-15 ℃。冬季最低溫度時(shí)，天然氣來(lái)氣溫度50 ℃，入口壓力5～7.5 MPa，出口壓力4～6.5 MPa，經(jīng)J-T 閥后溫度降為-20 ℃，露點(diǎn)控制在-15℃。該方案適合目標(biāo)平臺(tái)現(xiàn)有工況條件，而且技術(shù)比較成熟。

（3） 樁基載荷重新分配。如表1 所示，改造前A2、A3 的樁基承載力安全系數(shù)已經(jīng)接近極限值（2.0），樁基不能再增加承載力了。因此在考慮新J-T 閥節(jié)流制冷脫水撬的安裝位置時(shí)，把整撬質(zhì)量30 t 布置于IWP 頂層甲板北側(cè)B 軸的外面，如圖8所示，利用懸臂的杠桿原理，進(jìn)行樁基載荷的重新分配：增加B12、B11、B1、B2、B3 的樁基載荷，減輕A12、A11、A1、A2、A3 的載荷。經(jīng)強(qiáng)度校核，根據(jù)設(shè)備撬底座形式對(duì)甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，改造結(jié)構(gòu)用鋼量約5 t。在整體模型中加載計(jì)算，校核結(jié)果表明：改造后樁身強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，樁基承載力滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖8 J-T 閥天然氣脫水設(shè)備在頂層甲板北側(cè)的布置

2 J-T閥脫水設(shè)施安裝及脫水效果

設(shè)備空質(zhì)量約26 t，吊車吊裝能力只有20 t，無(wú)法整體吊裝，因此按下列方式進(jìn)行安裝：第一，把撬塊拆解，在平臺(tái)吊車覆蓋的范圍內(nèi)，將拆下的各部分逐一吊至頂甲板西北角；第二，組裝成撬，之后整體拖運(yùn)至安裝位置，再進(jìn)行固定；第三，在新增撬塊區(qū)域設(shè)置兩個(gè)可燃?xì)怏w探頭，增加噴淋裝置；第四，把新設(shè)施的工藝管道、海水管道、消防管道、甲醇管道、儀表信號(hào)、關(guān)斷控制接入平臺(tái)。安裝完成后，進(jìn)行調(diào)試并投入運(yùn)行。J-T 閥節(jié)流制冷脫水設(shè)施的運(yùn)行效果滿足了天然氣脫水要求，在流量波動(dòng)、下游流程動(dòng)態(tài)變化時(shí)，天然氣處理效果依然能達(dá)到要求，并有一定余量。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取以下措施：第一，充分利用平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)能力對(duì)天然氣進(jìn)行增壓，再把高壓天然氣作為冷源，對(duì)天然氣進(jìn)行J-T 閥節(jié)流制冷脫水；第二，采用纏繞式換熱器，縮減低溫?fù)Q熱器的尺寸和重量；第三，利用平臺(tái)懸臂的杠桿原理對(duì)樁基載荷進(jìn)行重新分配，使得J-T 閥節(jié)流制冷脫水新設(shè)備可以安裝在個(gè)別樁基載荷已經(jīng)接近臨界的老齡平臺(tái)上，最終實(shí)現(xiàn)老齡平臺(tái)天然氣干化后重新輸入管網(wǎng)，取得非常好的經(jīng)濟(jì)效益，為類似老齡平臺(tái)的改造利用積累了新的經(jīng)驗(yàn)[7]。