天然氣低溫脫水復溫外輸技術應用研究

符中榜

摘 要：文章針對中高壓氣田開發中后期，因為生產井壓力逐漸遞減，大部分氣井壓力將不能滿足節流膨脹制冷所需壓差，從而達不到低溫分離條件的普遍情況，對利用小壓差節流低溫脫水復溫外輸工藝進行了初步應用研究。

關鍵詞：脫水；天然氣；制冷；節流

1 天然氣脫水技術

從油氣井流出的天然氣，一般含有飽和量的水蒸氣，有的含有相當數量的H2S和CO2等酸性氣體。氣體中存在過量的水汽不僅減少商品天然氣管道的輸送能力和氣體熱值，而且在油氣田集氣和氣體加工過程中由于氣體工藝條件的變化引起水蒸氣凝析，形成液態水冰或固態氣體水合物，從而增加集氣管路壓降，嚴重時將造成水合物堵塞管道，生產被迫中斷。當氣體中含有酸性氣體時，液態水更會加速H2S和CO2對管道和設備的腐蝕。因而，油氣田生產的天然氣一般總需要脫水，以滿足氣體后續加工工藝、管輸和商品天然氣對水含量的要求。天然氣的脫水方法一般可分為重力沉降法、溶劑吸收法、固體吸附法、低溫冷凝法和膜分離法等。氣田天然氣凈化脫水一般采用低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三種方法。

2 低溫脫水復溫外輸的應用研究

2.1 小壓差低溫脫水復溫外輸工藝研究的意義

低產氣田集輸工程按照壓力遞減特點將開采期劃分為有效利用地層壓力進行處理和輸送的高壓穩產期、采用適當工藝延緩外冷和增壓時機的中低壓過渡期以及外冷脫水、增壓外輸的低壓開采期等三個階段。低產氣田開發的價值是通過建設、運行、銷售等成本的綜合控制，最終達到預期的效益目標。具體到地面集輸系統來說，除基本建設投入外，運行成本的控制是不可忽視的效益增長點。因此，在制定具體工藝方案時，必須全面考慮資源的綜合利用。

對于低產氣田來說，開發前期氣井壓力較高，采用高壓集氣和節流膨脹制冷脫水工藝充分利用了地層能量，達到了節能降耗目的。隨著氣井壓力逐年遞減，當自然能量不能夠滿足節流膨脹后達到脫水所需的溫降時，可以采用兩種方法達到低溫脫水目的：第一，采用冷劑制冷方式對所需冷量加以補充，這需要以消耗電能作為代價；第二，采用降壓開采方式保證有足夠壓差實現節流膨脹制冷。無論采用以上哪種工藝，天然氣低溫脫水后，如不復溫后輸送，所攜帶的冷量將白白浪費。因此，天然氣脫水后的冷量回收不但可以有效降低氣田高、低壓采氣過渡期系統能耗，而且通過適當的工藝規劃，還可以起到延緩增壓時機的作用。

2.2 小壓差低溫脫水復溫外輸工藝原理

天然氣小壓差低溫脫水工藝復溫外輸就是通過一個小壓差節流使天然氣產生一個小溫降，以此溫降作為換熱器冷端溫差。選取足夠大的換熱器面積，使原料氣在此小冷端溫差下經換熱產生足夠大的溫降，以滿足天然氣脫水的要求，從而實現脫水后低溫天然氣攜帶冷量的有效回收。

穩產期后當地層壓力不能完全滿足節流脫水條件時，采用設計端面溫差2-3℃的高效換熱器回收外輸氣冷量，并通過原料氣富余的0.6-1.0MPa小壓差節流產生的小溫降，使原料氣滿足天然氣脫水的要求。

當開發后期無地層壓力可利用時，僅僅利用換熱器將進站天然氣與低溫分離后的天然氣進行換冷和小壓差節流制冷已不能滿足脫水要求，但換熱器回收的冷量依然可以有效降低外冷機組蒸發器熱流入口溫度，減小外冷機組功耗，滿足天然氣脫水和節能降耗的要求。

采用HYSYS軟件對復溫外輸低溫脫水工藝進行了穩態模擬，HYSYS推薦傳熱公式

假設在不增壓條件下集氣站最低外輸壓力4.2MPa，低溫脫水溫度-15℃（節流后），原料氣溫度18℃，模擬計算投產后正常運行所需節流壓差與換熱面積見表2-1。

通過模擬得出了總換熱系數與換熱面積的乘積KF值，換熱面積可由換熱器生產廠家提供的總換熱系數后得出，從而為換熱器選型提供依據。

2.3 實施低溫脫水復溫外輸工藝的技術關鍵

實施復溫外輸低溫脫水工藝必須解決兩個方面關鍵問題：

2.3.1 掌握工藝流程啟動及運行規律

工藝流程啟動是一個流體冷量積聚達到換熱量平衡的過程，換熱面積一定的前提下，為滿足脫水要求，并保證流體安全工作在流程設計溫度范圍內，需根據入口壓力變化情況分階段進行調整。

2.3.2 合理進行預冷換熱器選型及工藝設計

（1）抑制水合物生成。生產過程中，當壓力不變時，溫度必須過冷到理論平衡溫度以下若干攝氏度，并經一定誘導時間才能形成水合物晶核。低溫脫水工藝條件下，生成水合物的臨界溫度是15℃左右，原料氣經預冷換熱器與外輸干氣換熱后，溫度一般控制在-10～-12℃。有關工業實驗報告也表明，過冷度不超過7.49℃時，一般不形成水合物；而過冷度超過11.1℃時，在25min以內（甚至瞬間）就會形成水合物。因此，必須在預冷前向原料氣中加注水合物抑制劑。同時，預冷換熱器原料氣流道和流速設計應有利于排液。

（2）防止凝析油乳化。

（3）防止雜質聚集。

（4）工藝流程保冷。

參考文獻

[1] 姚光鎮主編.輸氣管道設計與管理[M].東營：石油大學出版社， 2009.

[2] 馮叔初，郭揆常編.油氣集輸與礦場加工[M].東營：石油大學出版社，2006.

[3] 李虞庚等編.氣田地面工程設計[M].東營：石油大學出版社，2010.