淺談透平膨脹機在油田伴生氣脫水中的應用

李躍李慧靜王曉黎張逸超連洪江

（1.北京銷售分公司；2.大慶油田工程有限公司；3.國際石油工程有限公司）

原油在生產過程中會產生大量的伴生氣，油田伴生氣中含有大量水分、輕烴及其它組分。油田伴生氣在輸送時，會有凝析液析出（其主要成份是水、輕烴、雜質等），凝析液量較大時會對輸送管道造成堵塞或結冰。未干燥處理的“濕氣”也會對鍋爐、加熱爐造成腐蝕、凍結、熄火及爆膛等問題。為防止輸氣管線凍堵和末端用戶設備故障，對油田伴生氣進行脫水處理成為油田生產過程中的現實問題。

1 天然氣脫水方法

天然氣的脫水方法有很多，工業生產上常用的主要有固體干燥劑吸附法、溶液吸收法、冷卻脫水等。

1.1 固體干燥劑吸附法

固體干燥劑吸附法是利用干燥劑的微孔結構對水分子的超強吸附能力達到天然氣脫水的目的，天然氣脫水常用的干燥劑有硅膠、分子篩等。該方法可以做到天然氣的深度干燥，但缺點是干燥劑再生能耗較高、干燥劑的使用壽命較短、天然氣壓降大、一次性投資和運行費都較高，不適用于量較小的天然氣脫水。

1.2 溶液吸收法

溶液吸收法是利用脫水劑對水分子的超強親和吸收能力達到天然氣脫水的目的，常用的脫水劑是甘醇類化合物。甘醇脫水是目前世界上廣泛使用的脫水技術，但它必須以甘醇做吸附劑，脫除1 kg水需甘醇循環量大約在25～60 L[1]。天然氣中含有輕烴時會引起甘醇起泡、甘醇循環再生能耗高、甘醇受污染或分解后具有腐蝕性，加上甘醇脫水在設計和操作方面都要求比較嚴格，在規模較小的油田伴生氣脫水應用方面受到一定的限制。

1.3 冷卻脫水

冷卻脫水方法是通過天然氣冷卻降溫使其中的水汽冷凝并分離，達到脫水干燥的目的。對于壓力較低的氣源，可以通過外部制冷進行脫水；對于氣源壓力較高的氣源，可以采用膨脹制冷的方法進行脫水。

氣體膨脹降溫的制冷設備主要有熱分離機、氣波制冷機、節流設備及透平膨脹機等。熱分離機由于效率較低，在天然氣脫水領域應用的較少。氣波制冷機由于結構仍然比較復雜，對壓力有一定要求，應用范圍很小。節流設備在溫度較高時節流效率很低，不宜應用在溫度較高的區域，同時節流是連續流動的高壓氣體在絕熱和不做外功的情況下，突然通過一狹窄的通道，氣體的壓力明顯下降的過程，在油田伴生氣脫水方面的應用也受限制。透平膨脹機制冷是應用高壓氣體膨脹對外做功而熵不變，膨脹后氣體溫度降低同時產生冷量。

分析可知，要實現天然氣脫水需要消耗一定的能量或其它原料，但對于油田伴生氣脫水時露點要求一般不是很嚴格，如果大量投資去完成初脫水既不經濟又不科學。利用氣源壓力進行膨脹制冷脫水，可以作為油田伴生氣脫水的考慮思路。隨著高效緊湊換熱器和低溫透平膨脹機特別是高速氣體軸承透平膨脹機的發展，透平膨脹制冷機在普冷和深冷領域擁有了更廣闊的應用前景，而且小型逆布雷頓循環空氣制冷機已經研制成功并實際應用[2]。利用逆布雷頓回冷循環可以使冷量得到充分的利用，這就使得小型透平膨脹機制冷成為可能，保證了在低壓差下仍然可以使系統得到較大的溫降。

2 透平膨脹機脫水裝置流程設計

2.1 天然氣透平脫水裝置流程設計

某油田伴生氣氣源的壓力0.30MPa、流量2×104m3/d、溫度25℃，考慮利用逆布雷頓回冷循環方法，將透平膨脹機制冷流程融入其中，確定天然氣透平膨脹脫水裝置的基本流程，見圖1。

該天然氣透平膨脹機脫水裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣膨脹制冷裝置、液體收排裝置、過濾裝置及儀表指示和控制系統組成。

2.1.1 熱交換裝置

熱交換裝置又稱換熱器或回熱器，其功能是利用經過膨脹降溫后的干氣與管線輸來的油田伴生氣進行熱交換，使進入設備的油田伴生氣快速降溫。

2.1.2 氣液分離裝置

氣液分離器裝置主要有兩級分離器、指示儀表和控制閥門組成。一級分離器的主要作用是對經換熱器后溫度有一定降低的油田伴生氣進行首次分離，除去其中一部分水、輕烴及雜質；二級分離器的主要作用是對伴生氣進行二次分離，進一步除去水和輕烴成分，提高天然氣的干燥度。

2.1.3 天然氣膨脹制冷裝置

天然氣膨脹制冷裝置主要由透平膨脹機、氣體軸承、安保系統、增壓系統等組成。該裝置主要是透平膨脹機脫水裝置的核心設備，利用油田伴生氣自身輸送壓力進行膨脹制冷脫水和增壓制動。

透平膨脹機組需要采用天然氣潤滑的氣體軸承（或進口高速油軸承），使膨脹機在安裝、使用及維護變得更簡單方便；需要配置完善的安全保護系統，以保證機組長期工作而無需維護、維修，提高了透平膨脹機組的整機效率[3]。此外，透平膨脹機的選取要以進出口壓力，膨脹效率，膨脹溫度等多種參數共同確定，提交參數向生產廠家定購合適產品。

2.1.4 液體收排裝置

液體收排裝置主要由集液罐、液位控制器、排液泵等組成，其作用是收集、外排透平膨脹機分離出的液體，確保膨脹制冷系統運行的穩定性。

2.1.5 過濾裝置

為使裝置可以持續正常運轉，在換熱器入口，膨脹機入口等精密裝置前分別安裝了過濾器，避免雜質進入而影響儀器正常運轉。

2.2 天然氣透平脫水裝置特點及應用效果

天然氣透平膨脹機脫水裝置，利用油田伴生氣自身輸送壓力進行膨脹制冷脫水和增壓制動，具有投資小、節能環保、安全高效的天然氣脫水的特點。該裝置在油田投入使用后，油田伴生氣的露點由13℃降至-3℃，脫水率達到90%以上，脫水效果顯著。

3 結語

針對部分油田氣體處理站來氣壓力較小、氣量不大的實際情況，利用油田伴生氣自身輸送壓力進行膨脹制冷脫水和增壓制動，將油田伴生氣由濕氣處理成干氣，同時分離出水、輕烴和雜質，是油田生產中比較高效、節能環保的伴生氣干燥系統。天然氣透平膨脹機脫水裝置特別適用于油氣田的采集邊緣零星小氣井、中轉站、聯合站及其它小型場合的天然氣脫水和干化。

[1]氣體加工和供應者聯合會(美).氣體加工工程數據手冊[M].北京:石油工業出版社,1980:269.

[2]林韶寧,姚艷霞,王可,等.小型透平逆布雷頓循環空氣制冷機的研制[J].低溫與超導,2004,32(2):1-4.

[3]姚海.一種新的低溫透平膨脹機優化設計方法[J].低溫工程,1998,(103):46-50.