小型撬裝天然氣處理技術的工藝優(yōu)化研究及應用

黃博(克拉瑪依市富城能源集團有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，已成為社會經濟發(fā)展過程中最為重要的能源之一。為積極響應國內加快推進天然氣體制市場化改革號召，2017年底國內大面積推行“煤改氣”，同時由于國內部分LNG 接收站未能按時投產以及中亞天然氣管道檢修的原因，造成天然氣供應存在大量缺口。天然氣市場一度出現供不應求的局面，引發(fā)國內大面積“氣荒”。然而，我國的大型天然氣氣田較少，除了一些常規(guī)氣田外，在偏遠地區(qū)存在大量零散的小氣田非常規(guī)天然氣，以及在油田試油試氣過程中由于無法有效回收造成的天然氣放空[1]。目前國家不僅要求對天然氣資源充分利用，同時環(huán)保部門也對放空天然氣進行大力整頓，也促使小型撬裝化設備的快速發(fā)展。本文通過合理的優(yōu)化論證，將油田試油試氣裝置與小型撬裝化天然氣處理裝置合為一體，實現試油試氣過程中天然氣零放空。

1 小型撬裝化現狀

撬裝化設備靈活多變的特點，目前已在油氣田偏遠井的天然氣回收中應用，工藝技術較為成熟，單仍存在設備撬塊多，工藝安裝復雜，占地面積大等一系列問題需要進一步研究。天然氣凈化處理裝置包括分離計量、增壓、脫水、脫烴、外輸計量以及制冷系統、烴液處理系統、CNG 槽車充裝系統、儀表自動化系統、供配電系統的輔助配套系統[2](圖1)。

圖1 天然氣凈化處理裝置

將上述工藝模塊組合在12～13 個撬設備中，實現天然氣處理裝置撬裝化，一般包含：分離計量撬、增壓撬、脫水撬、低溫分離撬、制冷機撬、輕烴回收撬、輕烴儲罐撬、儀表風撬、發(fā)電機撬、放空火炬、控制室及配電間等。撬與撬之間工藝管線采用法蘭形式連接，同時根據不同氣質組分，可將不同功能的撬塊進行組合，來達到工藝要求，生產出合格的商品天然氣。單套裝置搬遷時間一般為1～2 周，大大降低了新建天然氣處理裝置的建設時間及投資，同時設備也可多次利用。此外在設備維修時可將相應備用的撬裝設備替代，解決了大規(guī)模停站檢修的時間，根據現場反饋，裝置的運行時率可達95%以上。

2 設備撬塊優(yōu)化

在油田勘探發(fā)的過程中，對天然氣的回收主要分為兩種：一是氣油比較高的單井，該類氣壓力相對較低，含液量大；二是小氣藏中的氣井，該類氣一般壓力較高，含液量小，且壓力衰減較快。根據以上兩種情況在現有的撬裝化工藝基礎上，加入試油試氣中所需要的油嘴、分離計量模塊及段塞留捕集器。再結合前期現場設備生產時暴露出的一些問題，通過對設備、工藝等方面的優(yōu)化，將撬裝化天然氣處理裝置所需要的12 個撬塊，通過合理的設計，將其高度集中制2 個撬塊中。根據不同需求增加儀控室、外置分離器及發(fā)電機撬，將設備數量控制在5 個以內，同時所有工藝管線采用油壬快接形式，電纜采用快速航空插頭快接形式，大幅度的降低搬遷及安裝的工作量。

2.1 天然氣凈化撬

天然氣凈化撬主要包含了天然氣處理中的靜設備，包括段塞留捕集器、油嘴套、電加熱器、節(jié)流閥、分子篩、低溫分離器、閃蒸罐等，如圖2 所示。

圖2 天然氣凈化撬示意圖

2.2 壓縮機撬

壓縮機撬主要包含了天然氣處理中所需要的動設備，如：壓縮機、空冷器、空壓機等[3]。該撬裝化設備將前置壓縮機與后置壓縮機合并為一臺壓縮機，共用一臺電機。前三級作為前置壓縮機使用，通過三級壓縮將0.2～0.3MPag 的低壓天然氣增壓至7～8MPag 的操作壓力；后三級作為后置壓縮機使用，將節(jié)流脫烴后的1.5MPag 壓力的商品天然氣增壓至20MPag 充裝CNG槽車，同時隨車配有簡易加氣柱，可直接接至槽車充裝CNG。

3 工藝優(yōu)化

HYSYS 模擬軟件在石油化工行業(yè)中有廣泛的利用，通過建立相應的模型，通過軟件計算可得出所需要的結果，對設備參數優(yōu)化及調整有著重要的意義。采用HYSYS 化工模擬軟件對撬裝化天然氣處理工藝進行模擬，通過對參數的調整，降低設備能耗，提高設備的利用率。

3.1 HYSYS穩(wěn)態(tài)建模

將1～25MPa 的來氣分為兩類，第一類為“低壓氣”，壓力小于7MPag；第二類為“高壓氣”，壓力大于7MPag。圖3 為壓力不超過7MPag 的情況。將通過節(jié)流閥將壓力穩(wěn)定在0.2MPag，進入壓縮機前三級增至7MPa。增壓后的天然氣通過分子篩脫水后進行節(jié)流將天然氣溫度節(jié)流至1.5MPa，溫度降低至-35℃進入低溫分離器分離出天然氣與烴液。分離出的天然氣與節(jié)流前的天然氣換熱后返回至壓縮機后三級增壓至20MPag。增壓后的天然氣通過簡易加氣機充至CNG 槽車運輸。低溫分離器底部分離出的液烴經過閃蒸罐穩(wěn)定。

圖3 壓力小于7MPag穩(wěn)態(tài)建模

圖4 為壓力大于7MPag 的情況。高壓井口來氣由電加熱器加熱后，通過油嘴(或節(jié)流閥)節(jié)流至7MPag 后進入分子篩進行脫水。脫水后工藝流程與第一類“低壓氣”工藝流程一致。

3.2 加熱節(jié)流模塊優(yōu)化

根據焦耳湯姆森定律，由于天然氣在節(jié)流降壓過程中伴隨有溫度的降低，當溫度低于天然氣水合物形成溫度時會發(fā)生“凍堵”，因此在節(jié)流前必須進行加熱，由于節(jié)流壓差越大，溫降也會越大，則加熱器所需要的加熱負荷也就越高[4]。通過HYSYS模擬進行分析，節(jié)流壓差與加熱器溫度關系如圖5 所示。

圖4 壓力大于7MPag穩(wěn)態(tài)建模

根據圖5 所示，當壓力達到最高壓力25MPag 時，電加熱器最大負荷為14kW。按照圖中原料氣壓力及電加熱器負荷關系，將壓力與電加熱器負荷聯鎖，根據不同壓力調節(jié)電加熱器負荷，由此達到節(jié)能的效果。

圖6 天然氣節(jié)流制冷

3.3 制冷方式的優(yōu)化

天然氣制冷有制冷機制冷和節(jié)流制冷兩種形式，制冷機制冷是通過對冷劑壓縮再膨脹降溫通過換熱器與天然氣換熱達到制冷效果[3]。節(jié)流制冷是利用氣體的焦耳—湯姆森定律，天然氣在節(jié)流降壓過程中伴隨有溫度的降低，利用天然氣自身的壓力通過節(jié)流后的氣體冷量在換熱器中降低來氣溫度，再節(jié)流制冷，循環(huán)最終平衡達到數學極限，制冷溫度達-35℃至-40℃(圖6)。

節(jié)流脫烴與制冷機相比設備數量少，工藝流程簡單，節(jié)流截止閥屬于靜設備管理更為方便，因此節(jié)流制冷脫烴的方式更適合撬裝化設備。

4 結語

通過對天然氣凈化處理的整個工藝流程進行研究和優(yōu)化，將原本復雜笨重的天然氣處理裝置集合在兩個撬體中，通過合理的優(yōu)化組撬甚至可以將整撬放置在平板車上，作為移動化的設備在偏遠地區(qū)進行天然氣回收。此外針對原料氣壓力溫度的控制以及后端脫烴流程的優(yōu)化，將工藝流程在滿足處理要求的前提下最簡化，降低運行的成本。本文提到的小型撬裝化處理設備，對偏遠地區(qū)的單井天然氣回收有一定的意義。