海上平臺低壓天然氣回收及控制技術研究

馬磊

[摘? ? 要]現役海上平臺開采原油的同時會有大量的伴生氣一同開采出來，目前伴生氣的處理方式主要有3種：輸送至陸地終端處理廠、供平臺燃氣透平燃燒、平臺火炬放空。為響應國家低碳排放的號召以及從能源回收利用的角度出發，開展平臺低壓放空天然氣的回收工藝及控制技術研究。低壓氣的回收基于文丘里效應，由高壓氣帶動低壓氣，實現低壓氣的回收利用。為保證低壓氣回收的穩定，回收過程采用PID控制技術，在線整定控制參數，確保回收過程的安全穩定運行。

[關鍵詞]海上平臺;天然氣回收;PID控制

[中圖分類號]TE95 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Research on Recovery and Control Technology of Low

Pressure Natural Gas on Offshore Platform

Ma Lei

[Abstract]A large amount of associated gas will be mined together when crude oil is mined on the active offshore platform. At present， there are three main treatment methods of associated gas， namely， transportation to the land terminal treatment plant， combustion of platform gas turbine and venting of platform flare. In response to the national call for low-carbon emission and from the perspective of energy recovery and utilization， research on the recovery process and control technology of low-pressure vent natural gas on the platform is carried out. The recovery of low-pressure gas is based on venturi effect， and the high-pressure gas drives the low-pressure gas to realize the recovery and utilization of low-pressure gas. In order to ensure the stability of low-pressure gas recovery， PID control technology is adopted in the recovery process， and the control parameters are set online to ensure the safe and stable operation of the recovery process.

[Keywords]offshore platform; natural gas recovery; PID control

目前海上油田設置油氣水處理流程，地層開采的原油經過海上工藝處理設備進行脫水、脫氣處理后輸送至陸地終端處理廠進行進一步的處理，多余的伴生氣主要有3種處理辦法：①經過燃氣洗滌罐脫水干燥，經過燃氣壓縮機加壓處理后供海上燃氣透平使用;②處理合格的天然氣經過混輸海管輸送至陸地處理廠進行處理，然后接入供氣管網，供用戶使用;③多余的伴生氣經火炬分液罐脫水處理后放空燃燒。為了積極響應國家關于“節能減排、降本增效”的號召，不斷對生產流程進行探索、調整、優化，開展海上油田天然氣回收利用研究。

1 平臺現狀分析

渤海某平臺通過生產流程及控制技術優化等手段，很大程度上降低了天然氣的放空量，但是目前火炬仍有一定氣量的放空。經過現場流量計顯示，火炬放空量大約為1.4萬m3/d，放空天然氣來源主要包括以下5個部分。

（1）電脫入口分離器分離出的天然氣。經生產分離器處理的原油（300～350 kPaG）經過原油加熱器升溫至80 ℃后，進入電脫入口分離器（40～60 kPaG），溶解在原油中的天然氣在壓力下降后析出，分離出的天然氣進入火炬分液罐放空，放空量約為1萬m3/d。

（2）原油緩沖罐。來自天然氣處理系統燃氣洗滌罐，用于調整容器壓力，起到密封和穩壓的作用，氣量約0.05萬m3/d。

（3）斜板除油器密封氣。來自天然氣處理系統燃氣洗滌罐，用于調整容器壓力，起到密封和穩壓的作用，氣量約0.05萬m3/d。

（4）燃氣洗滌罐放空的天然氣。燃氣洗滌罐接收生產分離器分離出的天然氣，對天然氣進行除液、穩壓，為天然氣壓縮機提供穩定的氣源。由于混輸海管段塞流嚴重，導致生產分離器分離出的天然氣量不穩定，燃氣洗滌罐壓力波動。為了向天然氣壓縮機提供穩定的氣源，流程設計通過壓力調節閥調整天然氣放空量來確保天然氣壓縮機入口壓力穩定，放空量約為0.2萬m3/d。

（5）燃氣接收罐放空的天然氣。燃氣接收罐接收經天然氣壓縮機壓縮的高壓天然氣和其他平臺輸送過來的高壓氣，進行除液、穩壓，為透平機組提供穩定的燃料氣。由于高壓天然氣量較穩定，故通過壓力調節閥放空的天然氣量較少，約為0.1萬m3/d。表1為各系統天然氣放空量統計。

2 回收方案研究

根據某平臺目前流程現狀，對天然氣放空回收做如下可行性分析：

電脫入口分離器火炬放空：根據生產流程實際情況，四臺電脫入口分離器從放空壓力調節監測顯示均有部分天然氣到火炬系統放空，且放空調節閥的開度相對比較平穩，放空量約為1萬m3/d。

原油緩沖罐覆蓋氣：來自天然氣處理系統燃氣洗滌罐，用于調整容器壓力，起到密封和穩壓的作用，目前覆蓋氣出口調節閥開度較小，但是仍有部分放空，因此考慮進行低壓氣回收;斜板除油器密封氣：由于斜板除油器距離新增射流裝置較遠，且處于運行狀態的四臺斜板除油器覆蓋氣放空閥開度較小，且含有一部分水蒸氣，可能會對天然氣壓縮機及透平造成影響，放空量較小，故可暫時不考慮回收此部分天然氣。

燃氣洗滌罐放空的天然氣：燃氣洗滌罐接收生產分離器分離出的天然氣，由于混輸海管段塞流嚴重，導致生產分離器分離出的天然氣量不穩定，燃氣洗滌罐壓力波動。為了向天然氣壓縮機提供穩定的氣源，流程設計通過壓力調節閥調整天然氣放空量來確保天然氣壓縮機入口壓力穩定，目前實際操作壓力為210 kPaG，根據現場實際觀察和中控壓力調節閥開度顯示，在0～50 %頻繁波動，對于回收存在一定難度，回收后的氣體對射流裝置壓力系統將會產生較大影響，從而影響平臺原有燃氣系統穩定，此處氣體可考慮暫時不做回收。

燃氣接收罐放空的天然氣：燃氣接收罐操作壓力為3 200 kPaG。由于高壓天然氣量較穩定，故通過壓力調節閥放空的天然氣量較少，約為0.1萬m3/d。從新增射流裝置流程穩定考慮，對于回收存在一定難度，回收后的氣體對射流裝置壓力系統將會產生較大影響，從而影響平臺原有燃氣系統穩定，故此處氣體可考慮暫時不做回收。

為進一步降低天然氣放空量，平臺火炬放空低壓氣回收的對象主要為電脫入口分離器降壓后分離出的天然氣和原油緩沖罐的天然氣。低壓氣回收后，火炬仍有部分放空，能滿足火炬最小放空量0 m3/d的要求（平臺火炬有長明燈流程），低壓氣回收具備可行性。平臺準備回收低壓氣約1萬m3/d，但考慮到后期其他新油田的加入，射流器及其管線、容器再預留1萬方/天的處理能力，按照2萬m3/d回收能力進行設計，見表2。

目前的回收技術以增壓壓縮機回收為主，該技術應用成熟，可選擇的壓縮機形式較多，但前期投資較大，平臺改造工作量大，后期操作維護成本較高。本次低壓氣回收采用射流裝置，低壓氣回收流程圖如圖1所示，新增射流裝置的入口氣分別為平臺高壓氣以及回收的低壓天然氣，通過文丘里效應由高壓氣帶動低壓氣，實現天然氣的回收利用。

射流裝置應用于低壓天然氣回收，相比增壓壓縮機具有比較明顯的優勢，見表3，但是射流增壓裝置在海上平臺應用也有其局限性：①要有足夠流量的高壓天然氣引射低壓天然氣，一般來講高壓天然氣壓力是低壓氣的5倍以上才能實現低壓介質的增壓需求。其專業名詞：引射比指回收低壓氣流量與所需高壓氣流量之比。一般情況下，引射比為0.2以上較為經濟，但不絕對，還需要根據具體工況和需求來確定;②低壓天然氣增壓能力受限，即升壓比，指射流增壓后混合氣體壓力與低壓天然氣壓力的比值。一般情況下，升壓比小于7，在3.5左右最為經濟;回收后的天然氣有明確的去處，或者進入燃料氣系統或者再增壓后進入海底管網外輸;待回收的低壓氣壓力、流量相對穩定。

本次研究的相關數據參數滿足射流回收的要求，因此采用射流增壓技術進行平臺低壓氣的回收利用。回收工藝流程如圖2所示。

低壓氣的回收控制共分為兩部分：①生產流程的控制;②緊急關斷系統的控制。生產流程控制采用經典的PID控制模式，檢測射流裝置低壓氣入口管線的壓力值，設定低報警點為10 kPaG，高報警點為300 kPaG，設定點為30 kPaG。相關信號接入平臺中控系統，在中控組態畫面進行工程整定，設置PID調控的各項參數，經現場反饋射流器運行平穩，能夠有效地回收平臺富余低壓氣。

由于天然氣屬于易燃易爆的危險氣體，因此生產流程上設置緊急關斷系統，由壓力變送器、緊急關斷閥構成，基于安全儀表系統相關規范要求，緊急關斷系統的壓力檢測裝置不應與過程控制系統的壓力檢測裝置工用，因此在低壓氣入口管線設置單獨的壓力變送器，用于檢測低壓氣入口管線的壓力高高低低報警值。當低壓氣入口壓力值達到低低設定點50 kPaG時，考慮低壓氣管線泄漏工況，此時由中控的緊急關斷系統觸發關斷指令，關斷低壓氣入口關斷閥。當低壓氣入口壓力值達到高高設定點300 kPaG時，考慮低壓氣管線超壓工況，此時由中控的緊急關斷系統觸發關斷指令，關斷低壓氣入口關斷閥。射流器出口設置壓力變送器，檢測到壓力值到低低報警點50 kPaG時，考慮管線及設備泄漏工況，需要關斷射流器出口關斷閥，同時也要關閉射流器高低壓入口管線上的關斷閥，以保證平臺的安全生產。當射流器的高壓氣入口關斷閥以及出口關斷閥采用同樣的控制邏輯，實現對低壓氣回收流程的應急保護功能。

4 結術語

海上低壓天然氣回收及控制技術，成功實現了平臺富余低壓天然氣的回收利用，在很大程度上降低了平臺放空量，積極響應國家和總公司降低碳排放的號召，且在一定程度上了緩解了冬天燃氣需求量突然增加導致的氣荒。該項回收控制技術已經逐步趨于成熟，且已經逐步在海上平臺得到推廣應用，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻

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[2] 石油化工安全儀表系統設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2013.

[3] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計概論與工藝設計[M].北京：石油工業出版社，2007.