集氣站放空系統改造可行性分析

溫立憲，許 勇，呂海霞，王 霄，劉 佳，陳 斌，曹敬敏，金連城

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

1 集氣站放空系統簡介

目前，集氣站大多采用設計初期安裝的放空分液罐對放空天然氣進行初步氣液分離，然后進入火炬進行燃燒處理，以實現天然氣放空作業。集氣站內放空作業有以下三種情況：實際生產過程中，當集氣站設備出現超壓，系統壓力高于安全閥設置壓力時，設備或管線上的安全閥將自動開啟進行泄壓；冬季生產過程中，由于氣井壓力高、環境溫度低，采氣管線極易出現水合物凍堵現象，此時采取放空作業降低采氣管線內壓力以解除凍堵；另外，部分氣井隨著生產周期的延長，氣井能力降低，難以將井筒內積液帶出，通過站內放空帶液確保氣井正常生產。集氣站生產流程（見圖1）。

集氣站內放空分液罐容積為1.35 m3，主要由筒體、放空及排污系統組成，放空天然氣進入分液罐中由于容積突然增大，使得放空氣體流速降低，有利于氣液分離，操作人員通過設備排污閥將分離的游離水排至污水罐中。氣液分離后的天然氣進入φ159×8高為15 m的放空直筒火炬，通過控制火炬頂部設置電子點火器將其引燃，放空分液罐和直筒火炬具體結構示意圖（見圖2、圖3）。

集氣站放空作業時應嚴格控制放空速度，放空天然氣先經過放空分液罐進行重力沉降氣液分離、絲網捕霧器攔截和聚集，分離后的天然氣中水含量極低。生產實際情況表明，采用放空分液罐和直筒火炬能夠滿足氣田開發初期集氣站放空作業。

2 集氣站放空系統存在問題分析

隨著靖邊氣田天然氣深入開發，氣井產水量逐年增多。同時泡沫排水采氣等輔助增產工藝，使得氣井產水波動較大。在日常生產放空作業時，由于放空速度過快，同時氣井產水量不穩定，經常出現氣水分離不充分情況。高速氣流攜帶部分油水混合物由火炬筒噴出，天然氣由母火引燃，氣田采出水散落在火炬筒周圍，污染周邊環境。出現火炬放空污染原因主要是氣井生產狀況發生變化，同時現有放空系統已不能適應氣井生產狀況變化對配套工藝的要求。具體分析如下。

2.1 氣井生產狀況變化

氣田開發初期，氣井能量充沛，產水較少，隨著氣田開發的不斷深入，氣井產水量不斷增大，部分氣井攜液能力降低，需加注起泡劑助排生產，產水很不穩定，從而增大了操作難度，給放空系統正常運行帶來很大的壓力。現對A集氣站生產氣井產水變化進行統計。

從A集氣站所轄氣井生產曲線可知，開發初期呈現出壓力高、產氣量大、產水較少等特點，隨著產氣量及地層壓力的降低，氣井攜帶游離水量增大，其中4#氣井最大產水為81 m3/d，最小為4 m3/d，產水波動范圍明顯，自2004年實施泡沫排水采氣工藝后，產水在10 m3/d左右。這種不穩定產水給集氣站放空作業帶來很大的難度。

2.2 放空系統分離設備現狀

現有放空系統核心分離設備為放空分液罐。放空分液罐為主要油水分離設備，根據氣液密度差異，采用重力沉降方式達到氣液分離的目的。液滴在隨氣流水平方向的速度u運動的同時，在重力作用下以沉降速度ut向下沉降。在水平速度u不變的情況下，液滴粒徑越大，沉降速度影響越大，受水平速度影響越少，逾先分離。以氣井進站壓力6.4 MPa為例，說明放空天然氣放空分離情況。當氣井進行放空解堵作業時，6.4 MPa高壓原料氣經過節流閥節流后瞬時流速可達370 m/s。在高速流體的作用下，原料氣中含有的游離水被拉拽成細小液體，形成氣霧混合流。混合后流體在經過放空分液罐時，一方面，由于節流元件的霧化作用，使得分離器中的液滴粒徑變小，受水平流速u的影響較大，受沉降流速ut影響變小，液滴通過分離器的時間變短，部分液滴來不及分離便被帶出分液罐。另一方面，由于流體在順壓力梯度下流動，受到出口向上氣流拉拽作用，干擾了部分液滴向下沉降運動，被帶出分液罐。

另外，放空分液罐的絲網捕霧器是由f 0.25 mm的1Cr18NiTi不銹鋼絲手工纏繞制成，根據相關的腐蝕研究資料表明，當溶液中的H2S質量分數為（10～200）×10-6時，該材料隨著質量分數增加，表明氧化膜開始破壞，腐蝕將逐漸加劇。（1）地質研究表明，靖邊氣田天然氣中硫化氫占0.014%～0.098%，平均約為691 mg/m3，局部含量較高，最高達到20 g/m3；（2）由于上述客觀原因，隨著設備服役年限增長，高礦化度游離水及含硫天然氣對分液罐補霧絲網的侵蝕造成大部分絲網破損嚴重，其捕捉細小液滴的能力被削弱。

同時，由于放空火炬僅為φ159×8的立管，結構簡單，不具備氣液分離能力，若放空作業操作速度過快，高速氣流攜帶游離水進入火炬立管的機率增大，將影響火炬的正常燃燒，輕則污染周邊環境，重則導致含硫化氫天然氣擴散危急居民安全。

因此，放空分液罐和直筒火炬無法滿足生產放空作業需求，需對放空系統進行改進以滿足放空作業需求，消除放空系統缺陷造成的安全隱患。

3 集氣站放空系統改造

3.1 更換放空分液罐為雙筒式閃蒸分液罐

為減少放空過程中天然氣攜帶游離水情況，消除氣體流速控制不當導致游離水進入放空火炬帶來的安全隱患，近年來，新建集氣站均采用雙筒式閃蒸分液罐，放空天然氣中攜帶的游離水沉積在積液包中，利用電動球閥控制閃蒸分液罐液位，進而很大程度上減少了放空氣體攜帶游離水情況。雙筒式閃蒸分液罐具體結構示意（見圖4）。

放空氣體從氣進口進入，在導流板的作用下，氣流作旋轉運動，氣體中的液滴向管壁聚結，并隨氣流一起向下進入罐體內的折流板中，折流板進一步吸收液滴的動能，減少液滴的反彈和霧化，最后向下積聚在罐體的底部積液包中。

溶解有可燃氣體組份的凝液在閃蒸分液罐內實現氣液分離過程；分離出的液相經排液口排出；氣相則進入旋流管，沿螺旋隔板作強制旋流運動。由于強制的反復的旋流運動，氣體中的液滴在離心力作用下向旋流管內壁聚結，小液滴聚集成大液滴，氣量較小時，向下沉降進入罐體1的底部；氣量較大時，這些聚集的大液滴，會隨氣流向上運動，進入固定閥罩，由于流通截面的擴大，流速降低，向下沉降落入水封液中，補充水封液。進入固定閥罩的氣流，通過固定閥罩和浮動閥罩之間狹小的環形縫隙，進入其頂部的封閉空間內，使封閉空間內的壓力升高，當壓力產生的向上作用力大于浮動閥罩的重量時，浮動閥罩向上運動，向上運動過程中，封閉空間的容積不斷擴大，減緩了向上運動的速度，隨著氣體流量的增加，浮動閥罩不斷的向上移動，直至固定閥罩上面的通氣孔被打開，氣體經水封液上面的通氣孔從出氣口流出；氣體流量變化時，通氣孔的開度隨著變化，此時浮動閥罩內外的壓差產生的向上作用力，正好等于浮動閥罩向下的重力，浮動閥罩受力平衡，通氣孔處于一定的開度。氣體經水封液上面外環空間通過時，部分較大的液滴或霧狀液滴在慣性和離心力作用下，沖向吸收吸附層，吸收吸附層可以有效地吸收液滴的動能，避免液滴的反彈和霧化，使液滴吸附于吸收吸附層上面，并向下流入水封液中，水封液超過一定量時，經回流管流入罐體1的底部。若不進行放空和閃蒸作業時，罐體1內的氣量減少，氣壓降低，浮動閥罩依靠重力向下運動，支撐于支承板上，其下端沉沒于水封液中，罐體處于水封狀態，通過以上過程就完成了閃蒸、分液和水封阻火的作用功能。雙筒式閃蒸分液罐具有集凝液閃蒸、可燃氣體分液、氣體阻火的水封功能于一體的優點，它節省材料，占用場地面積小，結構簡單，成本低，利用率高。在通常情況下罐體壓力為常壓，只有在集氣站進行放空作業或者在分離器排液過程中才承壓存液，設備本體上安全閥的起跳壓力設定為2.5 MPa，有效地保證了設備安全運行。

3.2 更換直筒火炬為旋風式氣液分離型火炬

為解決直筒火炬放空過程中攜帶液體嚴重的問題，經調研論證，選用旋風式氣液分離型火炬代替原有直筒火炬。改型火炬的本體是由漸縮的筒體組成，放空天然氣沿底部直徑最大的筒體切向進入火炬內部，切向進入的天然氣受筒體器壁的約束由上向下作螺旋運動，由于水滴和天然氣的密度差，導致游離水向心力大于氣體的向心力，水滴的質量越大，向心力作用效果越明顯，從而實現氣體和水分的進一步分離，分離后的氣體由頂部排出，由母火引燃。同時，放空時打開火炬底部排污閥門及時排放分離出的污水，避免了積水過多導致天然氣攜帶水對火炬燃燒的不利影響。RH-II型火炬結構（見圖5）。

旋風式放空分液火炬核心設備為旋風分離器，放空天然氣在旋風分離器內的運動情況（見圖6）。

分離因數KC是反映旋風分離器的重要指標，它表示離心沉降速度與重力沉降比值，分離因素表示如下：

其中uT為切向速度，R為軸心距。以50 m/s放空速度核算旋風分離器Kc值（R為0.33 m），計算Kc得為770，即在6.4 MPa氣井放空解堵時，旋風分離器的分離效率為重力分離的770倍。

4 集氣站放空系統改造效果評價

為了評價集氣站放空系統的可行性，選取雙筒式閃蒸分液罐+旋風式氣液分離型火炬配套的放空系統和放空分液罐+直筒火炬配套的放空系統進行效果評價。

4.1 現場采用雙筒式閃蒸分液罐+旋風式氣液分離型火炬放空系統

為評價雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率，必須對其進出口水含量進行測定，鑒于氣井放空過程中天然氣含水量較多，成分復雜，不能滿足目前儀器測量及化學測量天然氣水含量方法必要條件，通過對放空系統由雙筒式閃蒸分液罐與旋風分離器配套組成的B、C、D、E集氣站冬季生產放空帶液情況進行統計來評價雙筒式閃蒸分液罐的分離效率（見表1）。

表1 雙筒式閃蒸分液罐運行情況統計表

從表1可知，雙筒式閃蒸分液罐的氣液分離效率在85%以上。從現場生產情況來看，旋風式放空分液火炬出口天然氣處燃燒充分，未有液體噴出，認為放空過程中的攜帶液體已在上游分離設備中分離完全。

4.2 現場采用放空分液罐+直筒火炬放空系統

為了評價放空分液罐的分離效率，選取產水量較大的4#試驗氣井進行，利用進站總機關放空針閥控制放空速度，分別在放空分液罐及旋風式放空分液火炬底部排放污水，具體試驗流程（見圖7）。

在進站總機關處放空帶液1 h，火炬底部排污約1.7 m3污水，集氣站內放空分液罐排污約為2.3 m3。通過對A集氣站的實驗分析，已燃燒的天然氣中游離水含量近似為零，而通過計算η=2.3/（1.7+2.3）×100%=58%，即就是放空分液罐的氣液分離效率僅為58%，由此驗證了采用放空分液罐+直筒火炬的放空系統由于放空分液罐的分離效率低已不能滿足目前生產的需要。

通過上述實驗及統計分析，由于雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率在85%以上，加之配套使用旋風式放空分液火炬能夠完全消除放空攜液環境污染問題。

5 結論

采用雙筒式閃蒸分液罐和旋風式放空分液火炬相結合的放空工藝模式能夠很好地適應集氣站產水量大、出水不穩定氣井的放空作業，消除了放空過程中，氣井采出水對周邊環境的污染問題，消除了硫化氫擴散威脅周圍居民人身安全的風險，具有明顯的社會效益，建議推廣應用，為氣田開發奠定堅實的健康、安全、環境基礎。

［1］萬征平，陳亞凌，劉學蕊，等.三甘醇脫水過程中吸附硫化氫研究及環境保護技術研討［J］.石油化工應用，2012，31（4）：91-93.

［2］馮叔初，等.油氣集輸與礦場加工［M］.北京：石油大學出版社，1992.