射流技術(shù)在油田放空天然氣回收工程中的應(yīng)用

雷 鍇，張彥鑫

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津 300450）

0 引言

某油田開采原油通過(guò)兩級(jí)分離器進(jìn)行油氣分離，實(shí)現(xiàn)原油穩(wěn)定。其中一級(jí)分離器分離出的天然氣進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)處理系統(tǒng)，經(jīng)增壓后一部分用于油田透平發(fā)電機(jī)及鍋爐加熱器燃料使用，大部分天然氣經(jīng)增壓后通過(guò)海管輸送到陸地，進(jìn)入陸地城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天然氣的回收利用。二級(jí)分離器分離出的天然氣因壓力低無(wú)法進(jìn)入壓縮機(jī)處理系統(tǒng)而直接通過(guò)火炬放空燃燒。

通過(guò)對(duì)放空氣取樣進(jìn)行組分分析，確定放空氣組成。根據(jù)組分分析結(jié)果，二級(jí)放空氣中C1～C3組分體積占比達(dá)83.61%，具有很大的回收價(jià)值，且回收后可減少直接CO2排放及燃料造成的碳排放，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

目前各油田的天然氣回收以增壓壓縮機(jī)回收為主，該技術(shù)應(yīng)用成熟，可供選擇的壓縮機(jī)型號(hào)較多，但前期投資較大，油田改造工作量大，后期操作維護(hù)成本較高。射流裝置應(yīng)用于低壓天然氣增壓項(xiàng)目，相比傳統(tǒng)的壓縮機(jī)回收系統(tǒng)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：一是投資小，回報(bào)周期短；二是占地面積小，流程改造工作量小，安裝方便；三是無(wú)需專人操作和后期維護(hù)，噴嘴壽命長(zhǎng)。

1 射流技術(shù)原理

天然氣射流增壓技術(shù)源于文丘里效應(yīng)原理，高壓流體通過(guò)噴嘴時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，即壓力降低，流速加快[1]，在噴嘴出口形成低壓區(qū)。高壓天然氣作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，由射流器裝置前端進(jìn)入，流經(jīng)噴嘴后進(jìn)入混合腔，在噴嘴出口形成負(fù)壓，將側(cè)面進(jìn)入的低壓天然氣吸入混合腔內(nèi)，兩者在混合室內(nèi)進(jìn)行速度均衡，混合后氣流由混合室進(jìn)入擴(kuò)散室而獲得增壓[2]，最 終混合后的天然氣經(jīng)過(guò)膨脹擴(kuò)壓達(dá)到設(shè)計(jì)的壓力， 見圖1。

圖1 射流裝置簡(jiǎn)圖Fig. 1 Jet device diagram

2 流程設(shè)計(jì)改造

該油田有2套天然氣處理系統(tǒng)。其中一套為燃料氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由燃料氣冷卻器、氣液分離罐、燃料氣壓縮機(jī)橇、燃料氣儲(chǔ)氣罐、燃料過(guò)濾器和燃料氣加熱器組成。來(lái)自原油處理器一級(jí)分離器的伴生氣，先經(jīng)燃料氣冷卻器冷卻至40℃，再由氣液分離罐脫液后進(jìn)入燃料氣壓縮機(jī)，經(jīng)兩級(jí)壓縮后，燃料氣的壓力由 350kPa增壓至2550kPa，高壓燃料氣通過(guò)壓縮機(jī)后冷卻器冷卻至40℃后進(jìn)儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)燃料氣過(guò)濾器過(guò)濾，最后經(jīng)燃料氣加熱器加熱至60℃，供透平發(fā)電機(jī)及鍋爐使用，剩余燃料氣進(jìn)入外輸氣儲(chǔ)罐通過(guò)外輸氣海管進(jìn)行外輸。燃料氣壓縮機(jī)橇含2臺(tái)壓縮機(jī)，單臺(tái)壓縮機(jī)處理量為10×104Sm3/d。

另外一套天然氣處理系統(tǒng)由天然氣冷卻器、氣液分離罐、天然氣壓縮機(jī)橇、出口滌氣罐組成，天然氣壓縮機(jī)橇含2臺(tái)高壓壓縮機(jī)，單臺(tái)處理量達(dá)15×104Sm3/d，壓縮機(jī)額定排放壓力為3900kPa，該系統(tǒng)天然氣經(jīng)增壓后直接進(jìn)入外輸氣海管。

二級(jí)分離器接收一級(jí)分離器處理后的原油，二級(jí)分離器設(shè)定壓力為50kPa，通過(guò)降壓進(jìn)行油氣再次分離實(shí)現(xiàn)原油進(jìn)一步穩(wěn)定，二級(jí)分離器處理后原油進(jìn)入電脫水器進(jìn)行深度脫水處理，原油含水率降低至0.5%以下后進(jìn)行外輸，見表1。

表1 二級(jí)分離器參數(shù)Tab.1 Parameters of second-stage separator

由于新系統(tǒng)天然氣處理量大，壓縮機(jī)排放壓力高，接入低壓氣回收系統(tǒng)不影響油田自身天然氣用戶，可用于支持射流器，提供高壓氣源。流程設(shè)計(jì)改造如圖2所示，粗線條為新增管線及閥組。

圖2 流程設(shè)計(jì)改造圖Fig.2 Process design reformation diagram

根據(jù)供氣系統(tǒng)處理能力，設(shè)計(jì)選用相應(yīng)的射流器。射流器本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 射流器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Jet device structure

將射流器接入油田 DCS 控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)場(chǎng)控制箱的信號(hào)源，通過(guò)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)針型閥桿動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)調(diào)整噴嘴的有效流通面積，達(dá)到調(diào)整高壓氣體流量的目的。射流器運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 射流器參數(shù)Tab.2 Parameters of jet device

3 回收過(guò)程記錄

導(dǎo)通回收流程，啟動(dòng)1臺(tái)壓縮機(jī)供給高壓氣，記錄不同射流器開度下射流器高壓端、低壓端、出口端壓力及二級(jí)分離器放空閥開度，如表3所示。

表3 射流器回收數(shù)據(jù)記錄1 Tab.3 Jet device data record one

調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不斷增大射流器開度過(guò)程中，高壓端壓力逐漸下降，達(dá)不到射流器運(yùn)行設(shè)計(jì)參數(shù)3850kPa，且低壓端壓力遠(yuǎn)大于二級(jí)分離器設(shè)定壓力50kPa，無(wú)法實(shí)現(xiàn)二級(jí)分離器放空氣回收。

將射流器開度調(diào)整至100%，啟動(dòng)第2臺(tái)壓縮機(jī)并逐步加載，通過(guò)持續(xù)增大射流器高壓端供氣量，使射流器高壓端壓力接近設(shè)計(jì)所需壓力，記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 射流器回收數(shù)據(jù)記錄2Tab.4 Jet device recycle data record two

從記錄數(shù)據(jù)可以看出，逐步增大供氣量的過(guò)程中，低壓端壓力呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，二級(jí)分離器放空閥的開度也逐漸變小，最低達(dá)到0開度，表明實(shí)現(xiàn)了二級(jí)分離器放空氣的零排放。DCS系統(tǒng)電腦顯示的二級(jí)分離器放空閥開度也記錄了明顯的下降過(guò)程，見圖4。

圖4 二級(jí)分離器放空閥開度曲線1Fig.4 Second-stage separator vent valve open curve one

逐步調(diào)小射流器開度，記錄數(shù)據(jù)，如表5所示。逐步關(guān)小射流氣開度，即降低射流器高壓端供氣量時(shí)，低壓端壓力呈現(xiàn)逐步上漲的趨勢(shì)，二級(jí)分離器放空閥開度也逐漸增大，放空氣量增加。DCS系統(tǒng)電腦顯示的二級(jí)分離器放空閥開度也記錄了該變化過(guò)程，如圖5所示。

表5 射流器回收數(shù)據(jù)記錄3Tab.5 Jet device data record three

圖5 二級(jí)分離器放空閥開度曲線2Fig.5 Second-stage separator vent valve open curve two

由放空閥開度曲線可以看出，在射流器開度大于75%時(shí)，射流器開度大小對(duì)二級(jí)分離器放空閥開度影響較小；射流器開度減小到75%時(shí)，二級(jí)分離器放空閥開度明顯增大，且波動(dòng)頻率和幅度也明顯增大。

4 結(jié)論及建議

在射流器高壓端供給壓力接近設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)且氣量滿足時(shí)，回收效果較好，能實(shí)現(xiàn)二級(jí)分離器放空氣的全部回收。在保持高壓端入口壓力穩(wěn)定的情況下調(diào)整射流器開度降低射流器高壓供氣量，射流器下降至一定程度時(shí)，回收效果出現(xiàn)顯著下降。按過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)射流器開度降至75%時(shí)，放空氣回收效果明顯下降?？梢娨獙?shí)現(xiàn)好的回收效果，需同時(shí)滿足供氣量及高壓端壓力需求。

根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，達(dá)到最佳回收效果時(shí)，高壓氣供氣量為23.5×104m3/d-1，實(shí)現(xiàn)二級(jí)分離器放空氣全部回收為1.5×104m3/d-1。整個(gè)調(diào)試過(guò)程中高壓供氣量保持在19.5×104m3/d-1以上，才能保證低壓氣有回收效果，按設(shè)計(jì)參數(shù)，高壓供氣量滿足最低5.89×104m3/d-1即可實(shí)現(xiàn)回收1.12×104m3/d-1，實(shí)際回收時(shí)高壓氣需求量已遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。

射流器的引射系數(shù)（驅(qū)動(dòng)入口天然氣流量與吸入口天然氣流量的比例關(guān)系）與混合出口和吸入口天然氣的壓縮比、驅(qū)動(dòng)入口和吸入口天然氣的膨脹比有 關(guān)[3]，在設(shè)計(jì)配氣的過(guò)程中應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)降低壓縮比和提高膨脹比。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，由于混合出口天然氣壓力和吸入口天然氣壓力均為流程壓力，即壓縮比一定，調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象為供氣量滿足設(shè)計(jì)需求的情況下，逐漸增大射流器開度過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)入口天然氣壓力迅速下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高膨脹比。經(jīng)分析認(rèn)為問(wèn)題在于射流器噴嘴選型不當(dāng)，需對(duì)噴嘴尺寸進(jìn)行重新校核，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流量下的高膨脹比，提高天然氣回收效果[4]。