高含硫天然氣三相分離器分離性能實驗研究

李連春 王樹濤 王立滿 葉 海 古小紅 汪沈陽 管 峰孔凡勝 郭富永 王詠梅

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司；2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司）

普光氣田是我國建設(shè)開發(fā)規(guī)模最大、豐度最高的高含硫氣田，其地質(zhì)條件復(fù)雜，氣田含硫量高，具有強(qiáng)腐蝕性，會影響化工產(chǎn)品質(zhì)量，而且容易造成環(huán)境污染， 開發(fā)過程中普遍存在出水問題，地面集輸系統(tǒng)容易產(chǎn)生硫沉積［1］。

因此，在高含硫氣田開采生產(chǎn)過程中，要采用合理的天然氣處理工藝， 提升天然氣開采效益，同時避免造成環(huán)境污染［2］。目前高含硫氣田面臨的主要問題是產(chǎn)水和硫沉積問題［3］。 地層產(chǎn)水和單質(zhì)硫沉積對氣田的生產(chǎn)開發(fā)已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響，現(xiàn)有的氣液兩相分離器無法高效進(jìn)行氣、液、硫分離，進(jìn)而影響到天然氣的開采和集輸。 因此，為了保證地面集輸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行，解決由于硫單質(zhì)沉積帶來的上述問題，特提出采用旋流脫固技術(shù)對氣液固三相進(jìn)行分離，從而控制地層水和單質(zhì)硫不進(jìn)入或少進(jìn)入集輸系統(tǒng)，提高外輸天然氣氣質(zhì)，對減輕集輸系統(tǒng)設(shè)施的腐蝕、保證集輸管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義［4］。

針對現(xiàn)有問題，筆者通過三相分離器縮尺工藝樣機(jī)的設(shè)計與實驗， 對其分離性能進(jìn)行測試，明確其處理能力，并確定最優(yōu)分離器內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)和分離參數(shù)，準(zhǔn)確掌握高含硫天然氣三相分離特性，為高含硫天然氣三相分離提供工程化應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1 三相分離器性能實驗

1.1 實驗裝置及流程

實驗系統(tǒng)在文獻(xiàn) ［5］ 的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改設(shè)計，包括動力系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實驗樣機(jī)（圖1）。其中，動力系統(tǒng)提供較為準(zhǔn)確的氣相、水相和固相流量；測量系統(tǒng)對各相流量、水中含固及氣中含液固等數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計量與測定；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)實驗系統(tǒng)中流量、壓力及溫度等信號的采集。

圖1 實驗系統(tǒng)簡圖

實驗流程如圖2 所示，空氣通過空壓機(jī)壓縮進(jìn)入氣體緩沖罐緩沖穩(wěn)壓，經(jīng)孔板流量計或渦街流量計計量后進(jìn)入三相混合器（橙色管線）；固體顆粒和水在固液混合罐中均勻混合，并在離心泵作用下進(jìn)行輸送， 經(jīng)質(zhì)量流量計計量后進(jìn)入三相混合器（藍(lán)色管線）。 氣液固三相在混合器內(nèi)進(jìn)行混合，流經(jīng)一定長度后進(jìn)入實驗樣機(jī)。氣液固三相進(jìn)入三相分離器內(nèi)，在每根旋流管內(nèi)均勻分配，并且在強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)力作用下氣體攜帶部分液滴和固體顆粒由溢流排氣口排出， 而液固相在重力沉降作用下，液相經(jīng)排液管進(jìn)入液相儲存罐，固相經(jīng)排砂管進(jìn)入固相儲存罐。在液相儲存罐內(nèi)，液固發(fā)生進(jìn)一步分離，經(jīng)過分離器分離后，氣相排空。 同時在三相分離器氣相出口進(jìn)行氣相的取樣。

圖2 實驗流程圖

單根旋流管可通過鑄造或者焊接成型，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 旋流管實物如圖4 所示。

圖3 單根旋流管結(jié)構(gòu)圖

圖4 旋流管實物圖

1.2 介質(zhì)物性參數(shù)

實驗所用的介質(zhì)為普光氣田高含硫天然氣，氣體組分中主要成分為甲烷、硫化氫、二氧化碳，其中甲烷含量70%，硫化氫含量高達(dá)15%，二氧化碳含量10%。 介質(zhì)的密度為7.64kg/m3，粘度為0.18mPa·s。

1.3 工況條件

根據(jù)普光氣田增壓先導(dǎo)實驗工程要求，確定樣機(jī)實驗工況為12 組，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 樣機(jī)測試實驗工況

（續(xù)表1）

2 三相分離器分離性能實驗結(jié)果分析

2.1 氣相出口液固粒徑分布

12 個實驗工況下氣相出口激光粒度儀分析結(jié)果如圖5 所示。 根據(jù)測試結(jié)果可以看出，不同操作工況下，氣相出口液固顆粒體積分?jǐn)?shù)隨顆粒直徑的變化趨勢基本相同， 顆粒直徑小于10μm時，氣相出口液固顆粒體積分?jǐn)?shù)處于極不穩(wěn)定的波動狀態(tài)，但當(dāng)顆粒直徑大于10μm 時，氣相出口液固顆粒體積分?jǐn)?shù)迅速下降到趨近于0， 且保持穩(wěn)定狀態(tài)。 說明流體經(jīng)過三相分離器，可以脫除絕大部分顆粒直徑大于10μm 的液固相顆粒，分離效果顯著。

圖5 不同實驗工況下氣相出口液固顆粒粒徑分布

2.2 不同工況對三相分離器分離性能的影響

分離效率作為一種重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，不僅在質(zhì)與量上充分體現(xiàn)出裝置工作運(yùn)行性能的好壞程度，而且可以用于評定設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)選取的合理程度，這對衡量整套系統(tǒng)的完善程度提供了堅實的科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

2.2.1 入口壓力對三相分離器分離效率的影響

實驗過程中，其他條件不變，只改變分離器入口壓力，壓力控制參照文獻(xiàn)［6］中的方法，通過測定分離器氣相出口處的液滴夾帶率和硫固顆粒含量，得出液相和固相的分離效率與三相分離器入口壓力之間的關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 入口壓力對三相分離器固相和液相分離效率的影響

從圖6 可以看出， 隨著入口壓力的變化，液相分離效率維持在90%以上，固相分離效率維持在85%左右，隨著入口壓力的增大，固相和液相分離效率都在逐漸上升，但當(dāng)壓力增大到7.5MPa時，繼續(xù)增大壓力對分離效率的影響減小，液相分離效率在94%左右保持穩(wěn)定，固相分離效率在87%左右保持穩(wěn)定?？紤]增大壓力的同時，成本也會隨之增加，而當(dāng)壓力過高時，對分離效率的影響微乎其微，所以入口壓力需要保持在適度范圍內(nèi)，不宜過高。

2.2.2 處理氣量對三相分離器分離效率的影響

按照同樣的單一變量分析法， 其他條件不變，只改變處理氣量，測定液相和固相的分離效率，如圖7 所示。 從圖7 可以看出，隨著處理氣量的上升， 分離器液相和固相的分離效率均下降，處理氣量越少， 三相分離器的分離效率越高，隨著處理氣量的增大， 分離器的負(fù)荷也隨之增大，不利于高含硫天然氣液固相的分離， 實驗中，處理氣量最小情況下，液相和固相的分離效率能分別達(dá)到95%和90%左右， 雖然分離效率很高，但考慮氣田廠開采天然氣的成本因素和經(jīng)濟(jì)因素，處理氣量反映了分離器的處理能力大小，處理能力越大氣田廠產(chǎn)值越高，收益越高。 所以處理氣量不宜過小，綜合考慮應(yīng)在25×104～35×104m3/d 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖7 處理氣量對三相分離器固相和液相分離效率的影響

3 結(jié)論

3.1 通過對出口氣體進(jìn)行檢測，氣相出口檢測到的顆粒數(shù)逐漸減少， 說明流體經(jīng)過三相分離器，可以脫除粒徑大于10μm 的絕大部分液固相，分離效果顯著。

3.2 隨著入口壓力的增大，三相分離器的分離效率也隨之增大，但當(dāng)增大到7.5MPa 時，分離效率增幅趨于平緩，考慮成本因素，分離器入口壓力不宜過高，綜合考慮，入口壓力在7.5MPa 時分離效果較好。

3.3 隨著處理氣量的上升，分離器液相和固相分離效率均下降，綜合考慮，處理氣量應(yīng)在25×104～35×104m3/d 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，既能保證分離效率，也能獲得較高收益。