在老齡平臺上增加天然氣脫水設施的實踐

余俊雄，張繼偉，黃永鋒，宮有志，張 威

中海石油（中國） 有限公司曹妃甸作業公司，天津300451

某老齡平臺已服役15 年，經過多次改擴建，現有10 個樁腿。通過校核發現部分樁腿的樁基承載力安全系數接近規范允許的極限值。該平臺生產的伴生天然氣經過增壓，進入管網進行交易，天然氣壓縮機的生產能力為30×104m3/d，天然氣外輸量約15×104m3/d。2019 年預測即將進入管網的其他油田的天然氣中二氧化碳摩爾分數將達到6.88%～16.27%。二氧化碳遇水產生碳酸，對管道將產生腐蝕。為避免腐蝕發生，所有進入管網的天然氣必須脫水，其水露點需＜-6 ℃@6200 kPaG。因此，為了讓該老齡平臺的伴生天然氣繼續進入管網，需要在該平臺新增天然氣脫水裝置，否則伴生氣無法繼續外輸交易。增加脫水裝置的工作需根據平臺剩余空間和樁基承載情況，從方案篩選入手并進行適應性優化。

1 脫水方案篩選及適應性優化

由于此前為滿足滾動勘探開發的需求，該平臺已經多次增加設施設備，平臺的剩余空間不多，且部分樁基承載力已接近極限（見表1），所以現有平臺可增加設施的外觀尺寸和重量有限。如果在現有平臺外增加樁腿，不僅費用很高，而且申請用海的時間也不短，考慮到費用成本和時間成本因素，因此不考慮采用增加樁腿方案。脫水方案篩選需要充分控制設施的外觀尺寸和重量，需要考慮樁基的載荷分配，還需要考慮施工技術，因此在方案篩選時要進行適應性優化。

1.1 立足平臺現有設備的方案篩選

立足平臺現有的天然氣壓縮機、甲醇注入系統（運行參數見表2），對丙烷冷卻脫水方案、三甘醇脫水方案、分子篩脫水方案進行了篩選。

表1 平臺改造前后樁基承載力狀態

（1） 丙烷冷卻脫水方案。由于某終端處理廠閑置了3 臺舊的丙烷壓縮機設備，所以優先考慮采用丙烷冷卻天然氣脫水方案，以利用這3 臺舊壓縮機設備，其工藝流程如圖1 所示。經過核算，該方案的撬塊質量約80 t，整套裝置尺寸約為8 m×6 m×7 m，平臺原有20 t 吊車難以完成吊裝作業。

表2 平臺現有天然氣壓縮機等設備運行參數

圖1 丙烷冷卻天然氣脫水方案工藝流程

（2） 三甘醇脫水方案。三甘醇天然氣脫水方案的工藝流程如圖2 所示。夏季天然氣經海水冷卻后溫度在40 ℃左右，經模擬計算，三甘醇脫水后外輸氣最低露點為-10 ℃，接近管網露點要求，如果氣量發生波動，容易造成外輸天然氣露點不達標[1]。經核算三甘醇脫水撬塊質量約35 t、撬塊尺寸約16 m×4.5 m×10 m。

（3） 分子篩脫水方案。分子篩天然氣脫水工藝流程如圖3 所示。通常分子篩脫水裝置入口溫度不能大于35 ℃（因分子篩填料在40 ℃以上無吸水率曲線）。而在該平臺，夏季天然氣入口溫度52 ℃，經海水冷卻后溫度在40 ℃左右波動，導致重烴無法全部脫除，容易造成分子篩中毒、粉碎、吸附能力差、再生頻率高、壽命縮短[2]。通過核算該方案新增設備撬質量約53 t，撬塊尺寸約7.5 m×4.5 m×5 m。

鑒于分子篩天然氣脫水、三甘醇天然氣脫水方案的脫水效果難以穩定達標，而丙烷冷卻天然氣脫水方案的設備重量、外觀尺寸較大，吊裝困難，因此篩選工作還需要擴大范圍。

1.2 考慮平臺原有資源和新技術的方案篩選

圖2 三甘醇天然氣脫水方案工藝流程

圖3 分子篩天然氣脫水方案工藝流程

考慮充分利用平臺現有天然氣壓縮機能力為天然氣脫水方案的篩選提供新的可能性。為此采取了以下措施，即通過對壓縮機一級、二級活塞行程以及滑油分配器注油量進行調節，并更換部分動態密封較差的部件，從而把天然氣壓縮機出口的壓力提高到8 MPa 以上。而后利用增壓的天然氣作為冷源，對天然氣進行超音速脫水和J-T 閥節流制冷脫水，從而為天然氣脫水提供了兩種新的方案。

（1） 超音速脫水方案。天然氣超音速脫水的核心部件為3S[3]，其結構如圖4 所示。天然氣超音速脫水工藝的流程簡圖如圖5 所示。天然氣露點降至32 ℃左右時，原料氣入口溫度對裝置影響較大，本項目夏季天然氣入口溫度約85 ℃，經海水冷卻器降為40 ℃，經過處理后外輸露點約為5 ℃，不滿足要求[4]。

圖4 天然氣超音速脫水工藝的3S 結構示意

圖5 天然氣超音速脫水方案工藝流程

（2） J-T 閥節流制冷脫水方案。J-T 閥節流制冷脫水方案工藝流程如圖6 所示。由于天然氣超音速脫水方案也不滿足需要，為了提高J-T 閥節流制冷脫水方案的可用性，把纏繞式換熱器（內部形式見圖7） 這種新的技術運用于低溫換熱器，以降低設施的重量和外觀尺寸。該低溫換熱器設計壓力8 MPa，功率22 kW，直徑600 mm，筒體長度5 900 mm。主要優點是：結構緊湊，單位容積傳熱面積大、傳熱系數大、傳熱效率高[5]。J-T 閥節流制冷脫水方案主要設備如表3 所示。

圖6 J-T 閥節流制冷天然氣脫水方案流程

表3 J-T 閥脫水主要設備

圖7 纏繞式內部結構形式

J-T 閥節流制冷脫水裝置利用平臺壓力節流制冷脫水，所有設備集成在一個撬內，包括海水冷卻系統（600LB）、節流制冷脫水系統（600LB）。裝置工藝性能滿足夏天7 MPaG、85 ℃進氣要求；輕烴、重烴分離后返回生產流程；利用平臺現有甲醇注入系統進行防凍堵抑制劑注入[6]；整撬空載質量26 t，操作質量30 t。尺寸（長×寬×高）為7 m×3.2 m×3.8 m。夏季最高溫度時，天然氣來氣溫度85 ℃，入口壓力6～7.5 MPa，出口壓力4～5.5 MPa，經J-T 閥后溫度降為-20 ℃，露點控制在-15 ℃。冬季最低溫度時，天然氣來氣溫度50 ℃，入口壓力5～7.5 MPa，出口壓力4～6.5 MPa，經J-T 閥后溫度降為-20 ℃，露點控制在-15℃。該方案適合目標平臺現有工況條件，而且技術比較成熟。

（3） 樁基載荷重新分配。如表1 所示，改造前A2、A3 的樁基承載力安全系數已經接近極限值（2.0），樁基不能再增加承載力了。因此在考慮新J-T 閥節流制冷脫水撬的安裝位置時，把整撬質量30 t 布置于IWP 頂層甲板北側B 軸的外面，如圖8所示，利用懸臂的杠桿原理，進行樁基載荷的重新分配：增加B12、B11、B1、B2、B3 的樁基載荷，減輕A12、A11、A1、A2、A3 的載荷。經強度校核，根據設備撬底座形式對甲板結構進行加強，改造結構用鋼量約5 t。在整體模型中加載計算，校核結果表明：改造后樁身強度滿足規范要求，樁基承載力滿足規范要求，數據見表1。

圖8 J-T 閥天然氣脫水設備在頂層甲板北側的布置

2 J-T閥脫水設施安裝及脫水效果

設備空質量約26 t，吊車吊裝能力只有20 t，無法整體吊裝，因此按下列方式進行安裝：第一，把撬塊拆解，在平臺吊車覆蓋的范圍內，將拆下的各部分逐一吊至頂甲板西北角；第二，組裝成撬，之后整體拖運至安裝位置，再進行固定；第三，在新增撬塊區域設置兩個可燃氣體探頭，增加噴淋裝置；第四，把新設施的工藝管道、海水管道、消防管道、甲醇管道、儀表信號、關斷控制接入平臺。安裝完成后，進行調試并投入運行。J-T 閥節流制冷脫水設施的運行效果滿足了天然氣脫水要求，在流量波動、下游流程動態變化時，天然氣處理效果依然能達到要求，并有一定余量。

3 結束語

通過采取以下措施：第一，充分利用平臺天然氣壓縮機能力對天然氣進行增壓，再把高壓天然氣作為冷源，對天然氣進行J-T 閥節流制冷脫水；第二，采用纏繞式換熱器，縮減低溫換熱器的尺寸和重量；第三，利用平臺懸臂的杠桿原理對樁基載荷進行重新分配，使得J-T 閥節流制冷脫水新設備可以安裝在個別樁基載荷已經接近臨界的老齡平臺上，最終實現老齡平臺天然氣干化后重新輸入管網，取得非常好的經濟效益，為類似老齡平臺的改造利用積累了新的經驗[7]。