南翼山站與尖北站天然氣脫水效果分析

張政

（川慶鉆探工程有限公司重慶運輸總公司,重慶401147）

1 概述

南翼山天然氣回收站位于青海油田南翼山采油作業區，是我公司首個天然氣場站，以回收油井伴生氣為主，對伴生氣進行脫水、脫烴，并向天然氣管網外輸干氣。自2017 年10 月投產以來，運行相對平穩，日處理天然氣6 萬方，日產烴3.5 噸。

尖北天然氣脫水站位于青海油田尖北采氣作業區，是天然氣凈化站，將天然氣脫水后外輸至管網，初期日處理天然氣12萬方，后期增加到40 萬方，日產水120 噸。

2 面臨主要問題

南翼山站目前面臨的主要問題是，在目前生產流程下，脫水效果影響后期的脫烴流程，不能實現連續生產。

尖北站目前面臨的主要問題是，一是天然氣中的游離水含有大量未與地層反應的壓裂酸，PH 值在6-7，流程管道壁厚每周減少約0.06mm，以這樣的腐蝕速度運行下去，在尖北臨時站運行至合同期結束，設備面臨報廢風險；二是干氣質量不合格，根據GB17820 對天然氣輸氣的氣質要求中“水露點在交接壓力下，水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5℃”而尖北區塊最低氣溫為-30℃，尖北站的水露點在-33℃～-30℃，與國家標準有一定差距。

3 脫水效果分析

目前南翼山站采用兩方案運行，一方案為天然氣經過原來的舊管道經過壓縮機進行增壓，另一方案為取消壓縮機，天然氣利用自身壓力經PE 管進入站內。

圖1 南翼山站工藝流程簡圖

表1 南翼山站天然氣成分表

查詢天然氣含水圖表可得在3Mpa 的工藝流程壓力下，20℃的冷后溫度條件下，天然氣中飽和水的含量為0.75kg/1000m3,在南翼山站的工藝流程中，日產5 萬方天然氣，其中的水量應當為5x10x0.75=37.5kg，南翼山天然氣脫水塔每8小時倒塔一次，即每次脫水塔吸收的水量在15kg 以下，這個水量對于分子篩1 噸填料吸收應當完全吸收，流程中在線水露點儀測到的水露點在-45℃～-60℃，完全滿足當地輸氣要求。而在實際運行過程中，發現在水露點出現下降后，制冷冰機會出現壓差，即冰機管路由于水合物的形成，即經過脫水塔后的流程中還是存在少量的水，逐漸與天然氣組分中的烴類結合，生成水合物。

南翼山天然氣濕氣組分復雜，從甲烷（C1）到庚烷（C7）組分均有存在（表1）。將其輸入到PIPESIM 軟件中，通過Phase Envelope 工具進行分析，在30bar 即3Mpa 的壓力下，流程中的第一種水合物形成溫度約為14℃，第二種水合物的形成溫度為6℃（如圖2 所示），在整個流程中溫度最低點為冰機制冷處，冰機設定溫度一般為-25℃～-32℃，氣相中烴類及水在流程壓力下不可避免地在流程中會形成水合物，通常抑制水合物的形成一般有兩種：一是提高工藝流程溫度，南翼山站采用深冷工藝進行脫烴，提高流程溫度將與整個工藝流程背道而弛；若采用降溫方式，在溫度低于烴露點的條件下，烴類形成液體，隨污水一同排出，影響整個站內烴產量。二是注入醇類對水合物進行抑制，以減少水合物形成的速度，此種解決方法需要在后端增加烴醇分離設備，防止醇類進入成品輕烴。

尖北站對天然氣進行粗脫水，水露點控制要求較為寬松，在目前每天處理氣量40 萬方、每天來水120 噸的運行條件下，脫水能夠基本保證管輸要求，后端管線運行時偶爾有輕質油、重烴等出現，目前未出現影響管道運行的事件。

4 解決方案探討

圖2 PIPESIM 軟件生成的天然氣的包絡曲線

圖3 吸附階段分子篩床層的變化情況

表2 常用吸附劑的性能參數[3]

對于南翼山站的生產不連續的問題，在不更換現有制冷設備的前提下，可從兩個方面著手解決，一是提高脫水效果，考慮到后期使用新PE 管線運行，由于減少了增壓環節，由于壓力的降低，天然氣來氣中的含水會有一部分增加，可考慮增加脫水設備，進行2 次脫水，如在現有脫水設備前增加濕法脫水設備如三甘醇脫水，三甘醇脫水工藝適用于處理氣量大，對水露點要求不高的天然氣集輸環節，脫水后的干天然氣水露點低于-15℃[1]、在脫水塔中增加粗脫水填料，如硅膠（硅膠靜態吸附容量在相對溫度60%的條件下為33.3%，而分子篩4A 只有22%[2]，在塔頂增加粗脫水填料可以減輕分子篩的的負擔，從而將吸附階段分子篩床層的吸附轉效點延后，減少進入冰機的水分，緩解凍堵問題。二是在流程中增加注醇工藝，降低水合物形成的溫度，降低水合物形成的速度，以減少停機時間。三是預冷脫水脫烴，降低壓縮機后端的一級預冷器操作溫度、增加風冷管等措施，使水、烴、油混合物一同分離出來，再使用三相分離器從分離出來的混合物中回收輕烴，排放油、水，由于南翼山站的氣體組分的水合物形成溫度較低，故需要在預冷前進行注醇，防止預冷脫水過程形成冰堵。尖北站目前脫水運行基本飽和，計劃對此脫水站進行擴容，在原有的基礎上增加脫水橇，使整站處理能力達到60 萬方/天，在試采合同期內保證產品氣符合管輸要求。

5 幾種脫水吸附劑的介紹（表2）

目前主要的脫水吸附劑有硅膠、活性氧化鋁、分子篩等。活性氧化鋁再生時消耗的熱量多，選擇性差，易吸附重烴，呈堿性，不宜處理含酸性氣體較多的天然氣。硅膠吸附水蒸氣的性能很好，且具有較高的化學和熱力穩定性，但硅膠與液態水接觸很易炸裂，產生粉塵，增加壓降，降低有效濕容量。分子篩是一種人工合成沸石，是強極性吸附劑，對水有很大的親和力，可以同時凈化、干燥氣體和液體。分子篩的熱穩定性和化學穩定性高，且具有許多孔徑均勻的微孔通道和排列整齊的空腔，故其比表面積大（800－1000m2／g），且只允許直徑比其孔徑小的分子進入微孔，使大小和形狀不同的分子分開，起到選擇性吸附的作用。

水是強極性分子，分子直徑為2.7-3.1 埃米，比A 型分子篩微孔孔徑小，因此，A 型分子篩是氣體或液體脫水的優良吸附劑，氣體露點可低于-100℃。石油裂解氣脫水多用3A 分子篩，天然氣脫水多用4A 或5A 分子篩。吸附選擇性強，干燥后的氣體含水量可達到0.1-10mg/L，具有高效吸附特性，分子篩在低水汽分壓、高溫、高氣體流速等苛刻的條件下仍然保持較高的吸附水量，在高溫下只有分子篩才是有效的脫水劑。使用壽命較長，不容易被液態水破壞[4]。

分子篩吸附脫水是目前青海各天然氣場站普遍使用的凈化方法，分子篩性能的好壞，直接影響輸出干氣質量，在脫水要求不高的條件下可選用硅膠，在要求苛刻的條件下，優先選用分子篩或在脫水塔內混合填充。

6 結論

我公司青海事業部的場站在脫水要求上各有差異，水氣分離的效果主要由操作壓力、操作溫度、兩方面因素決定，壓力越高、溫度越低水氣分離效果越好，但在降溫脫水時兼顧考慮防止水合物形成，防止烴類與水混合排出；脫水吸附效果主要由脫水塔中的吸附填料決定，硅膠吸水量大，但與液態水接觸易炸裂，分子篩吸附效果較好，吸附容量相對較小，吸附塔填料應根據場站實際情況選用。