加熱爐天然氣凈化裝置的研制

2010-09-01 00:59:52遼河油田金馬公司集輸生產QC小組

石油工業技術監督 2010年8期

遼河油田金馬公司集輸生產QC小組

（遼寧盤錦 124010）

加熱爐天然氣凈化裝置的研制

遼河油田金馬公司集輸生產QC小組

（遼寧盤錦 124010）

小組概況

表1為小組概況。

表1 小組概況

選擇課題

金馬油田開發公司集輸作業區共管理著20臺加熱爐，主要承擔著海外河油田和小洼油田的原油脫水和原油外輸加熱的任務。為了實現節能降耗，在2007年到2008年6月之間作業區用20臺相變加熱爐替代了陶纖氈加熱爐。目前作業區使用的天然氣為自產的套管氣，含有一些油污凝液（指的是天然氣中含有的原油、水等雜質），雖然套管氣在到達聯合站后進入加熱爐前已經通過油氣分離裝置進行了凈化，但是由于相變加熱爐的自動化程度較高，尤其是燃燒器系統的減壓閥、自動檢漏儀、火焰監測器等元件非常精密，對天然氣的凈化質量要求較高，在相變加熱爐的技術要求中規定：天然氣中凝液含量小于5%。而通過檢測部門對套管氣的檢測，其天然氣油污凝液含量在3%～10%之間波動，據統計2008年9～12月份，因天然氣中油污凝液含量超標，造成相變加熱爐燃燒器系統充油故障停爐46次，維修費用高達26萬元，這不僅增加了維修成本的支出，更重要的是影響了聯合站的安全、連續生產。為了確保相變加熱爐的正常運行，防止充油故障停爐事件的發生，就需要改善進入相變加熱爐的天然氣質量，為此小組成員研究在相變加熱爐之前安裝一個天然氣凈化裝置，來提高天然氣的凈化效果。

小組成員通過網上查詢、市場調查、咨詢專家,了解到目前沒有生產、銷售適合我們生產需求的天然氣凈化裝置,也沒有可以借鑒的資料。那么研制一種新型的加熱爐凈化裝置勢在必行,為此我小組確定活動的課題為:加熱爐天然氣凈化裝置的研制。

設定目標

通過調查，相變加熱爐運行對天然氣質量要求是凝液含量小于5%。因此，小組將活動目標設定為：凈化后的天然氣中凝液含量小于5%。

提出方案并確定最佳方案

根據目標，小組成員制定了研制天然氣凈化裝置的流程（見圖1），從各個環節進行多方案的分析和選擇。

圖1 研制加熱爐天然氣凈化裝置流程圖

1 選擇天然氣凈化裝置的外形結構

針對“天然氣凈化裝置的外形結構”這個主題，小組召開會議利用頭腦風暴法提出的4種可選方案進行比較（見圖 2）和（表 2）。

圖2 天然氣凈化裝置的外形結構方案圖

通過以上的分析，我們選擇立式圓柱形做為天然氣凈化裝置的外形結構。

2 確定天然氣凈化裝置的尺寸

根據相變加熱爐的日最大耗氣量，天然氣的相對密度、壓力、溫度等參數，小組成員委托有資質的設計單位，對立式圓柱形凈化裝置的外形結構尺寸進行了設計：外徑為325mm，高為740mm。外形尺寸（見圖 3）。

3 選擇天然氣凈化裝置的制作材料

依據GB 150-1998《鋼制壓力容器》和《壓力容器安全技術監察規程》的規定，結合本地市場狀況及我作業區天然氣具有的腐蝕性，小組選擇了45#鋼、2Cr13不銹鋼、20CrMo合金鋼3種材料，找有資質的設計單位進行設計預算，分別從制作成本和耐腐蝕性方面進行了分析（見表3）。

經過對比分析，雖然2Cr13不銹鋼的制作成本比其他兩種材質高，但考慮到我們使用的天然氣具有一定腐蝕性，為了保證長時間的安全使用，我們選擇2Cr13不銹鋼作為立式圓柱形凈化裝置的材料。

表2 天然氣凈化裝置外形結構方案的分析選擇

表3 凈化裝置材料的選擇

4 選擇天然氣凈化裝置的凈化方式

鑒于相變加熱爐使用的天然氣為采油站回收的套管氣，含有大量油污凝液的特點，小組成員運用頭腦風暴法，提出了以下幾種凈化方式，整理成樹圖（見圖 4）。

圖4 選擇天然氣凈化裝置的凈化方式樹圖

方案提出后，小組成員對這3種方案同時在海0#、1#、2#相變加熱爐上進行了現場試驗。

（1）第1方案的試驗分析

小組成員在立式圓柱形凈化裝置內用不銹鋼做成一組斜板，使含油污天然氣在進入凈化裝置后先流經斜板，通過撞擊斜板，氣體被迫繞流，由于氣流方向的改變和液滴的慣性，使污油碰到經常潤濕的板組結構表面上，與表面上的液膜聚結成較大液滴，靠重力沉降至裝置底部，而凈化后的天然氣則進入相變加熱爐燃燒器（見原理圖5）。小組成員委托有生產資質的廠家在凈化裝置內部設計并安裝一組間距為20mm的5塊斜板，在海0#相變加熱爐氣管線上安裝，進行為期一個月的試驗（表4）。

（2）第2方案的試驗分析

小組成員在立式圓柱形凈化裝置內用不銹鋼板做成可拆洗過濾擋孔組，靠污油慣性碰撞、擋孔組直接攔截進行除油，污油流入凈化裝置底部，凈化后的天然氣進入相變加熱爐燃燒器（原理圖6）。小組成員委托有資質廠家在凈化裝置內部，設計并安裝了5排孔隙為2mm的過濾擋孔組，分層排列至凈化裝置內，小組成員在1#爐氣管線上安裝，進行為期1個月的試驗（表5）。

表4 方案1試驗分析表

表5 方案2試驗分析表

（3）第3方案的試驗分析

小組成員在立式圓柱形凈化裝置內部設計一組由擋板、擋油帽和過濾擋孔組成的凈化裝置，當含污油氣體進入凈化裝置后先撞擊擋板，部分污油被分離出來，上升的氣體經過擋油帽和過濾擋孔時，進行碰撞與過濾分離使天然氣中含有的油污吸附在擋油帽的斜面上并聚集成油滴，下滑落到凈化裝置的底部，經過3次凈化后的天然氣進入相變加熱爐的燃燒器（原理圖7）。小組委托有資質廠家進行了加工，并在2#爐氣管線上安裝，進行了為期一個月的試驗(表 6)。

根據1個月現場試驗的情況，這3種方案都為可選方案，為了選擇最佳的凈化方式，小組對這3種方案從凈化效果、成本、排污方面進行了對比，作出了評價對比表7。

表6 方案3試驗分析表

表7 凈化方式方案的評價對比表

從表中我們可以看出，在凈化效果和成本上，方案3優于方案1、2；在排污方面，則是方案2優于方案1、3。通過小組成員的分析，在選擇凈化方式最佳方案上最主要是看凈化的效果，對于排污問題我們可以在“選擇天然氣凈化裝置的排污方式”上加以考慮，為此，小組選擇方案3“用不銹鋼板做成一組由擋板、擋油帽和過濾擋孔組成的凈化裝置，進行碰撞與過濾凈化”作為天然氣凈化裝置的凈化方式。

5 選擇天然氣凈化裝置的排污方式（表8）

表8 凈化裝置排污方式的選擇

6 確定最佳方案

通過以上一系列的分析實驗和對比選擇，根據可操作性、液面凈化可控制性、排污方便性等方面要求，小組人員確定了研制加熱爐天然氣凈化裝置的最佳方案（圖8）。

圖8 研制天然氣凈化裝置的最佳方案

制定對策

小組全體成員根據確定的最佳方案制定了相應的對策計劃表9。

對策實施

根據對策計劃表9，經申報公司生產技術科和資產科批準后作業區進行了實施。

表9 對策計劃表

1 確定天然氣凈化裝置詳細結構尺寸

小組委托有資質的設計單位進行天然氣凈化裝置的詳細設計：

（1）為方便拆洗操作，在凈化裝置的頂部設計一個可開啟的密封上蓋。

（2）確定天然氣凈化裝置內部各部件尺寸：內部浮球外徑150mm，連桿長度550mm，傳動桿長度190mm，擋板長度120mm，擋板過濾孔φ10mm。

（3）確定排污預警界限：為了保證其凈化效果，設定在污油液位升到擋板下邊緣處時，開始報警，當污油液位升到擋油帽下邊緣時塞堵完全封閉出口。

（4）繪制天然氣凈化裝置的內部結構示意圖（如圖9所示）。

2 加工制作并現場實施

小組成員委托有生產資質的廠家按照圖紙制作了一臺，并在0#相變加熱爐上安裝試驗，在試驗的1個月里，0#相變加熱爐沒有因天然氣含油污多造成熄火故障發生，預警排污4次，排污后，又恢復正常工作。具體實物（見圖10）。

由此看來，該加熱爐天然氣凈化裝置凈化效果良好，能夠及時預警員工進行排污。小組人員在肯定實施效果的同時也提出：由于實施1個月期間，沒有出現報警失靈現象，那么長時間運行如果出現其預警排污功能失靈，又或者預警了而員工未及時排污能否實現設計要求，能否影響相變加熱爐正常運行呢？

為了確保小組活動能夠取得長遠的效果，小組成員對報警失靈情況在停用的相變加熱爐上進行了有針對性的試驗：當污油液位上升到預警線時，相變加熱爐報警后，不進行排污仍繼續觀察，當污油液位上升到塞堵封閉線時，出氣管線被塞堵完全封閉，出口壓力表讀數為零，加熱爐熄火停爐。此時，我們對其進行排污，當污油排空后出口壓力表讀數仍為零，無法啟運加熱爐，說明塞堵沒有開啟，導致氣源中斷。懷疑是凈化裝置內部的故障，在對其停運拆開檢查發現凈化裝置內部塞堵已經開啟，小組成員進行全面檢查安裝后，出口壓力恢復正常，加熱爐順利啟運。那么為什么會出現這種現象呢？在分析原因過程中，小組成員想到了，在對凈化裝置進行拆開檢查的過程中，對其卸壓放空時曾聽到內部發出一響聲，小組成員斷定應是塞堵開啟上提時所發出的聲音。為什么塞堵在排污之后沒有馬上開啟，而是在放空后才開啟呢？小組成員對塞堵進行了受力分析（圖11）。

當塞堵封閉時，由于持續供給其壓力，塞堵上面所受的壓力大于下面所受的壓力，所以該塞堵無法向上運動，只有其上下面受同等的壓力時，塞堵才能打開。為了解決此問題，小組成員設計一個平壓聯通，來保證塞堵上面、下面受同等的壓力（見圖12）。

我們委派有資質的廠家在試驗的凈化裝置上安裝一平壓聯通，并按照上述方法重新試驗，當污油排污完閉時，只需打開平壓聯通開關，塞堵就會開啟，出口正常通氣。

實施效果：

小組委托有資質廠家制作了3臺帶有平壓聯通的立式圓柱形凈化裝置圖（圖13、圖14）于2009年7月10日～9月10日在海一聯發生充油停爐故障較多的相變加熱爐上進行了安裝驗證，經過2個月的試驗，因天然氣含油污造成的加熱爐故障次數為零，凈化后的天然氣中凝液含量小于5%。實現了預期目標。為此，又在作業區其它17臺相變加熱爐上安裝了該裝置。