海上油氣田天然氣脫水方法及其存在問題與解決措施

張重德　夏明磊　劉杰　梁震　王偉

【摘 要】論文對比了幾種天然氣脫水方法，介紹了其基本原理及優缺點并指出了今后天然氣脫水的研究方向。目前，天然氣脫水主流方法是甘醇脫水，但是甘醇脫水存在設施占地面積大、處理量小等問題，制約了其在海上油氣田天然氣脫水的應用。論文對現行三甘醇系統中出現的問題進行了歸納總結，并提出了相應的解決措施；提出采用超重力技術對天然氣進行脫水，超重力技術的應用提高了甘醇的傳質系數，這樣就解決了甘醇脫水處理量不足的問題，同時超重力機占地面積小，更加符合海上平臺的作業要求；提出了采用陶瓷膜過濾器旁路對甘醇富液進行過濾處理，進一步凈化甘醇溶液，減少甘醇的損失量。

【Abstract】This paper compares several natural gas dehydration methods， introduces their basic principles， advantages and disadvantages， and points out the research direction of natural gas dehydration in the future. At present， the main method of natural gas dehydration is dehydration of glycol， but the dehydration of glycol has many problems， such as large occupied area and small amount of treatment， which restricts its application in natural gas dehydration in offshore oil and gas fields. This paper summarizes the current three glycol system problems， and puts forward corresponding solving measures； puts forward dehydration of natural gas by high gravity technology， the application of high gravity technology improves the mass transfer coefficient of glycol， this would solve the problem of insufficient glycol dehydration treatment， and high gravity the machine covers an area of small， more in line with the offshore platform operation requirements； paper also puts forwards filtrating the glycol liquid by ceramic membrane filter bypass， to further purify glycol， reduce the loss of glycol.

【關鍵詞】天然氣脫水；三甘醇；超重力；陶瓷膜過濾

【Keywords】natural gas dehydration； triethylene glycol； hypergravity； ceramic membrane filter

【中圖分類號】F407.22 【文獻標志碼】B 【文章編號】1673-1069（2017）11-0194-03

1 引言

天然氣在離開油藏時通常含有水蒸氣，水蒸氣在天然氣的壓力和溫度改變時容易形成水化物，水化物的局部積累會限制管線中天然氣的流通率，增加管線壓降，降低輸氣量，嚴重時會堵塞管道，導致輸氣中斷。同時，天然氣的水分也是造成設備、儀表和管線腐蝕破壞的主要因素，水的存在可能會造成在氣溫較低時形成水化物凍堵[1，2]，使微量水成為冰粒而損壞或擊穿機械設備殼體，因此為了保證天然氣的熱值，商品天然氣氣質標準對供終端用戶的天然氣的水露點有明確要求：外輸天然氣的水露點標準為，在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣的水露點應比最低環境溫度低5℃[3]，因此必須對天然氣進行脫水處理。

2 天然氣脫水系統應用現狀

2.1 三甘醇脫水法

三甘醇脫水是溶劑吸收法的一種，利用溶劑對天然氣、烴類的溶解度低，而對水的溶解度高和對水蒸氣吸收能力強的特點，使天然氣中的水蒸氣及液態水被溶劑吸收，然后再將吸水后的溶劑與天然氣分離，吸水溶劑除水分再生后，返回系統循環使用[4]。三甘醇（TEG）是天然氣凈化過程中性能優良的脫水劑，具有熱穩定性好、吸水性強、容量再生、利用率高、對設備不產生腐蝕、水露點低等優點。存在問題：①TEG與天然氣中的硫化氫接觸反應，生成具有腐蝕性的酸性化合物，腐蝕設備，TEG本身熱降解也會腐蝕設備；②系統比較復雜，占地面積大；③三甘醇溶液再生過程的能耗比較大。

2.2 分子篩脫水

分子篩脫水屬于固體吸附法的范疇，吸附主要是靠范式引力或者分子擴散力引起，是物理過程[5]。由于水分子在加熱后連續失去，但晶體骨架結構不變，形成了許多大小相同的空腔，空腔又有許多直徑相同的微孔相連，比孔道直徑小的物質分子吸附在空腔內部，而把比孔道大的分子排斥在外，從而使不同大小形狀的分子分開，達到篩分分子的作用，因而稱作分子篩。它主要用于各種氣體、液體的深度干燥，氣體、液體的分離和提純，催化劑載體等，主要優點有：①具備極高、深度干燥離合度；②可以管用地防止離合時所萌生共吸附現象，增長產品得率；③可以在同一系統中同時完成干燥和事物的醇化。endprint

2.3 超音速脫水

天然氣超音速脫水技術屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法，核心部件為超音速分離器，其基本原理是利用拉瓦爾噴管，使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，這時天然氣的溫度和壓力會急劇下降，使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴，然后在超音速下產生強烈的氣流旋轉將液滴分離出來，并對干氣進行再壓縮。

超音速脫水技術的局限性：①如何在深度脫水的同時又盡量減少壓降；②如何提高超音速渦流管的操作彈性范圍，以適應產量、壓力急劇減小的生產條件。

3 海上三甘醇脫水系統存在的問題

3.1 三甘醇損失

三甘醇損失，出塔的天然氣要帶走一定的甘醇，特別是在吸收塔背壓波動范圍大、氣流速度過快或氣量不穩定的情況下，甘醇的攜帶損失更大。

3.2 三甘醇污染

三甘醇污染可能原因包括凝析油、鹽類、雜質、顆粒物等，帶來的危害如發泡、沖塔?？赡茉蚴牵孩偬烊粴馍a過程中天然氣所攜帶的高礦化度地層水、凝析油和機械雜質，由于分離不完全進入三甘醇溶液中，造成三甘醇（TEG）溶液變色、起泡；②溶解在高礦化度地層水中的H2S、CO2酸性氣體，會使脫水后的TEG溶液酸度降低。另外H2S、CO2與TEG反應，會加速TEG溶液的變質；③TEG溶液再生時，重沸器溫度過高使其產生熱降解，熱降解產物主要為低級脂肪醇。

三甘醇污染造成的危害：①溶劑的選擇性下降。溶劑污染嚴重，影響溶劑脫水效果；②劑耗升高。溶劑污染、劣化，需增加溶劑補充量，維持溶劑的性能，造成溶劑消耗大幅度升高，生產成本增加。

3.3 三甘醇系統運轉存在的問題

三甘醇裝置運轉存在的主要問題有：①天然氣攜帶的高礦化度水在TEG溶液再生過程中濃縮，生成CaCI2、NaCI等鹽類物質，在設備內壁結垢，結垢處容易過熱，甘醇容易發生熱降解，且垢下容易發生腐蝕；②再生系統問題，氣體汽、溫度達不到、精餾柱堵塞，導致三甘醇蒸氣出不去；③系統腐蝕加劇。由于三甘醇的降解，pH值不斷降低，系統設備、管線、閥門等腐蝕嚴重，進一步引起裝置泄露，影響裝置運行周期和裝置的安全生產；④設備結構堵塞嚴重。設備腐蝕產物和溶劑降解產物的增加，造成設備管線、儀表堵塞嚴重，影響裝置正常運行。

4 改進措施

4.1 設備改進

第一，將吸收塔改造為超重力機。超重力機用旋轉的環狀多孔填料床代替垂直靜止的塔器，使氣液在旋轉填料層中充分接觸，在液相的高度分散、表面急速更新和相界面得到強烈擾動的情況下進行傳質、傳熱，使反應過程得到強化[6]。

超重力技術具有如下優勢：①相間的相對運動依靠離心力，生產強度大；②液體微滴化，高度湍動，相界面強烈擾動，高度分散和急速更新。

第二，陶瓷膜過濾器旁通改造。三甘醇在循環使用過程中，原本透明的溶液會逐漸變成黑色，經過取樣分析，發現三甘醇污染問題主要集中在直徑0.1μm固體顆粒（膠焦質）和污油，機械過濾器和活性炭過濾器根本無法過濾這類物質，因此需滿足對這兩種物質的去除就可以達到三甘醇凈化的目的。陶瓷膜孔徑在5μm左右時，大于5μm的顆粒都會被截留的在陶瓷膜上，并有效去除三甘醇中的凝析油，污染三甘醇中加入破乳劑、消泡劑后，表面張力變小，油分子在破乳劑的作用下逐漸聚結在一起，在膜表面潤濕，超過一定范圍時，液滴不可逆轉地聚結成大液滴，三甘醇相連續通過膜孔，聚結的原油大液滴經膜孔截留而富集。

4.2 操作工藝控制

①保證吸收塔壓力在設定值在很小的范圍內（±0.1MPa）波動，在加減氣量時要緩慢操作，升壓速度不能過快，另外吸收塔應在設計處理范圍內工作，這樣可以有效避免天然氣攜帶損失。②對過濾分離器要及時排污、清洗，及時更換濾芯；甘醇機械過濾器、活性炭過濾器的壓差接近100kPa時立即對濾芯進行清洗或更換；定期對甘醇循環系統及重沸器、精餾柱等進行清洗除垢。③嚴格控制各工藝參數，重沸器溫度控制在200℃內，精餾柱溫度控制在190℃范圍內，溫度波動不應太大。定期對再生前后的甘醇取樣進行全面分析，包括甘醇的水含量、pH值、鹽含量、烴含量、固體含量、鐵含量以及甘醇的類型及其含量。貧液濃度99.6%為宜，富液濃度一般不低于95%，水含量超標則需調節重沸器的溫度或改變循環量；貧富液的濃度差?。?.5%～1.5%）表明甘醇循環速度太快；貧富液的濃度差大（4%～5%），表明甘醇的循環速度太低，鹽含量應低于1%。④TEG的循環量要控制在合理范圍內，其他條件一定時，TEG循環量愈大，脫水效果愈好，天然氣水露點溫度也越低。但當TEG循環量達到一定程度時，露點降變化較小。TEG循環量并不是越大越好，循環量大會增加再生系統負荷，造成TEG再生質量降低，最終影響干氣的露點溫度。

5 超重力技術工業化應用

渤中某平臺三甘醇脫水系統，該平臺流程設計處理天然氣能力79萬方/天，三甘醇循環量為1方/時。現場三甘醇脫水系統采用接觸塔式。2009年投產至今，該系統在運行過程中處理氣量79萬方/天，系統長期處于滿負荷狀態，由于填料接觸塔對氣量的穩定度和氣體潔凈度要求很高，而BOP天然氣處理工況比較惡劣，造成天然氣脫水質量較差，露點只能達到1℃左右，遠沒有達到理想露點降。由于脫水露點不達標，生產方決定對老系統進行改造，并接收來自其他平臺的天然氣，預計總處理量160萬方/天。老系統吸收塔高6.5m，要實現對老系統的擴容改造，必須對吸收塔進行重新設計，由于平臺空間受限，再找一處十幾米高的空間放置吸收塔尤其困難。由于平臺空間限制，將超重力機、貧液/干氣換熱器以及聚結器做成一個撬塊，超重力機設備采用內襯不銹鋼的制造工藝，根據處理氣量，設計最大轉速500轉。天然氣從撬塊入口進入，流經超重力，在超重力機內與貧甘醇接觸脫水，后流入換熱器與貧甘醇換熱，換熱后流入聚結器中，分離出氣體中攜帶的甘醇，分離出的甘醇與富甘醇匯合流回再生系統。貧甘醇則先流入換熱器，換熱后進入超重力機，在超重力機中與氣體接觸后從底部流出，最終流回再生系統。

6 結論與展望

第一，超音速脫水技術、分子篩脫水技術，與傳統脫水技術相比，是一種典型的節能環保型技術，具有突出的優點和市場應用前景，因此，應加大研究開發力度，進行更深入的研究，盡早實現該技術在國內的工業應用。

第二，三甘醇脫水系統占地面積大，超重力技術的引進能滿足甘醇脫水的要求，且大幅度節省海上平臺的空間，在提高處理量及處理過程中的傳質效果也大幅提高。

【參考文獻】

【1】李雪峰.三甘醇裝置運行存在問題及處理方法[J].硅谷，2014（08）：104-105，97.

【2】李進超.三甘醇脫水裝置投產常見故障分析及排除[J].科技與企業，2013（1）：23-25.

【3】GB17820 2012天然氣 [S].

【4】馬衛峰，張勇.國內外天然氣脫水技術發展現狀及趨勢[J].管道技術與設備，2011（6）：49-51.

【5】張加奇.三甘醇脫水和分子篩脫水對比探究[J].中國石油和化工標準與質量，2013（12）：37.

【6】陳建峰，鄒海魁，初廣文，等.超重力技術及其工業化應用[J].硫磷設計與粉體工程，2012，1（3）：6-10.endprint