溫艷軍 梅燦 黃鐵軍 于躍云 侯建民 陳江

中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部牙哈作業(yè)區(qū)

超音速分離技術(shù)在塔里木油氣田的成功應(yīng)用

溫艷軍 梅燦 黃鐵軍 于躍云 侯建民 陳江

中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部牙哈作業(yè)區(qū)

溫艷軍等.超音速分離技術(shù)在塔里木油氣田的成功應(yīng)用.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：77-79.

超音速分離技術(shù)是一種集低溫制冷及氣液分離于一體的新技術(shù)，2011年6月，國內(nèi)引進的首套超音速分離器（super sonic separator，3S）在中國石油塔里木油田公司牙哈作業(yè)區(qū)凝析氣處理廠投產(chǎn)成功。為此，介紹了超音速分離器的工作原理及脫油脫水工藝流程。運行效果表明，相對于傳統(tǒng)制冷（如J-T閥、冷劑和膨脹機制冷）設(shè)備，超音速分離器具有以下優(yōu)勢：①效率高。發(fā)生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程以及發(fā)生在擴散器中的減速、升壓、升溫過程，均為氣體的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換過程，經(jīng)過全面優(yōu)化設(shè)計，能使能量損失降低到最低限度。②能耗低。與低溫法丙烷制冷相比，在凝液收率相同的情況下，3S可減少制冷壓縮機電耗50%～70%；而3S代替膨脹機，在凝液收率相同的情況下，可多回收15%～20%的壓縮功率。③無轉(zhuǎn)動部件、屬靜設(shè)備，因此運行更加安全可靠。④工藝過程和設(shè)備簡單，投資省。⑤本身無消耗，無須水、電、儀表風的支持，除了溫度和壓力的監(jiān)控，不依賴控制系統(tǒng)，運行成本低。⑥無廢水、廢液排出，對環(huán)境無影響。⑦體積小，占地和占有的空間小。超音速分離器可以更深度地脫水脫油，從而提高商品天然氣品質(zhì)，并可增加凝液產(chǎn)量，同時明顯降低能耗，獲得更好的經(jīng)濟效益。

塔里木油氣田 超音速分離器 天然氣 脫水脫油 制冷 高效節(jié)能 環(huán)保 天然氣品質(zhì) 凝液產(chǎn)量

1 超音速分離器工作原理

超音速分離器（super sonic separator，3S）由旋流器、超音速噴管、工作段、氣液兩相分離器、擴散器和導向葉片組成［1－2］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天然氣首先進入旋流器旋轉(zhuǎn)［3］，產(chǎn)生加速度為1×106m／s2的旋流，該旋流在超音速噴管入口表面的切線方向產(chǎn)生一個或多個氣體射流，并在噴管內(nèi)膨脹降壓、降溫和增速。由于天然氣溫度降低，其中的水蒸氣和NGL凝結(jié)成液滴，在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度和離心力的作用下被“甩”到管壁上，從而實現(xiàn)氣液分離。由于在噴管后半部經(jīng)過擴散器的減速、增壓、升溫作用，天然氣經(jīng)3S裝置噴管損失的壓力能大部分得以恢復(fù)，從而大大減少了天然氣的壓力損失。

圖1 超音速分離器結(jié)構(gòu)示意圖

由于天然氣在噴管后半部至擴散器內(nèi)的壓力回升，使3S裝置設(shè)備的進出口壓差遠小于超音速噴管的壓差。因此，與傳統(tǒng)的J-T閥和膨脹機制冷設(shè)備相比，在相同壓差情況下，3S裝置可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降。不同膨脹制冷設(shè)備進出口壓比與溫差關(guān)系如圖2所示。

雖然3S裝置可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降，并同時脫出水和NGL，但是由于天然氣氣流在3S內(nèi)的流動速度可超過550 m／s，停留時間很短，因此，在3S內(nèi)部不會生成天然氣水合物。

2 設(shè)備簡介

目前，超音速分離器在國外如俄羅斯和加拿大已建有工業(yè)性裝置。2011年6月，國內(nèi)引進的首套超音速分離器在中國石油塔里木油田牙哈作業(yè)區(qū)凝析氣處理廠（以下簡稱牙哈凝析氣處理廠）投產(chǎn)成功（圖3、4）。

圖3 已安裝的3S裝置照片

圖4 運行中的3S裝置照片

每臺超音速分離器全長3 m，重850 kg，氣相入口、液相出口、氣相出口公稱直徑均為150 mm，均通過法蘭與相應(yīng)管道連接，設(shè)計處理量為（180～185）×104m3／d，最大工作壓力為16 MPa。設(shè)備本體上設(shè)計安裝有6個壓力表和1個溫度表，氣相出口安裝溫度變送器，用以監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。3S本體沒有可調(diào)整的部件。

3 脫水脫油工藝流程

天然氣低溫脫水脫油是牙哈凝析氣處理廠的關(guān)鍵工藝，以往采用J-T閥節(jié)流制冷和后續(xù)的分離器達到脫水脫油目的。

目前，原料天然氣流量為380×104m3／d，溫度為48.98℃、壓力為10.50 MPa。天然氣首先經(jīng)空冷器冷卻，向其中注入乙二醇作為天然氣水合物抑制劑，然后經(jīng)過換熱器（01E—2201）與低溫的干氣換熱，降溫至0℃，進入到J-T閥前分液罐（01V—2208）初步分離，再經(jīng)J-T閥節(jié)流，壓力降低至7.0 MPa，溫度降低到－17℃，最后進入低溫分離器（01V—2202A／B）脫水脫油，分離出來的液烴作為液化石油氣的原料，干氣去外輸氣壓縮機增壓外輸至“西氣東輸”管道或經(jīng)注氣壓縮機回注到地層。

新增的3S分離器的氣相入口與J-T閥并聯(lián)，氣相出口去低溫分離器氣相出口，分離出來的凝液進入低溫分離器（圖5）。

4 效果評價

經(jīng)過試運行及調(diào)整之后，2011年6月30日正式開始投用2套3S裝置。運行期間，3S裝置沒有異常振動和噪音，滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，運行平穩(wěn)、可靠。同時進行了現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)記錄。超音速分離器設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比情況見表1，運行3S與運行JT閥凝液產(chǎn)量對比情況表2。

由表2可以看出，投用3S后，低溫分離器（01V—2202A／B）總的凝液量比運行J-T閥時（J-T閥后制冷溫度為－17℃）有較大幅度的增加，在進行統(tǒng)計計算的24 h內(nèi)，總的液相流量增加了126.76 m3，即60.84 t（液相密度為480 kg／m3），平均每小時增加5.28 m3（2.54 t）；同時由于3S分液的效果好，干氣的水露點由J-T閥運行時的－20.0℃大幅降至－40.5℃，效果非常明顯。

表1中3S“入口壓力”的運行值低于設(shè)計值是由于3S前的手動節(jié)流截止閥存在一定壓降，導致實際的3S入口壓力約為9.6 MPa。該壓力值比原設(shè)計的10.85 MPa值要低，這使得3S的氣、液相出口溫度比原設(shè)計的要高些。即便如此，2臺低溫分離器（01V—2202A／B）總的液相流量還是增加了60.84 t／h，比設(shè)計的液量增加值46.8 t／d（±10%）多出14.04 t／d。

5 結(jié)論

圖5 3S工藝流程簡圖

表1 超音速分離器設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比表

表2 運行3S與運行J-T閥凝液產(chǎn)量對比表

超音速分離器是一種集成低溫制冷及氣液分離的新技術(shù)，相對于傳統(tǒng)制冷設(shè)備，其優(yōu)勢非常明顯。

1）效率高。發(fā)生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程以及發(fā)生在擴散器中的減速、升壓、升溫過程，均為氣體的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換過程，經(jīng)過全面優(yōu)化設(shè)計，使得能量損失降低到最低限度。

2）能耗低。與低溫法丙烷制冷相比，在凝液收率相同的情況下，3S可減少制冷壓縮機電耗50%～70%；而3S代替膨脹機，在凝液收率相同的情況下，可多回收15%～20%的壓縮功率。

3）無轉(zhuǎn)動部件、屬靜設(shè)備，因此運行更加安全可靠。

4）工藝過程和設(shè)備簡單，投資省。

5）本身無消耗，無須水、電、儀表風的支持，除了溫度和壓力的監(jiān)控，不依賴控制系統(tǒng)，運行成本低。

6）無廢水、廢液排出，對環(huán)境無影響。

7）體積小，占地和占有的空間小。

在條件允許時，采用超音速分離器，可以更深度地脫水脫油，從而提高商品天然氣的品質(zhì)，并可增加凝液產(chǎn)量，同時明顯降低能耗，獲得更好的經(jīng)濟效益［4］。

但是值得一提的是，目前3S運行時間還很短，可能仍存在一些問題沒有完全暴露出來，另外生產(chǎn)廠家宣稱超音速分離器的設(shè)計整體壽命大于10年，幾乎沒有檢修工作量，這些都需要時間的檢驗。

［1］王遇冬.天然氣處理原理與工藝［M］.2版.北京：中國石化出版社，2011.

［2］劉恒偉，劉中良，張建，等.超聲波旋流脫水裝置及其內(nèi)部流動的理論解［J］.北京工業(yè)大學學報，2006，32（9）：829-831.

［3］程霖，額日其太，計維安，等.天然氣超音速分離器中漩渦發(fā)生器及噴管的數(shù)值模擬研究［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：232-235.

［4］高曉根，計維安，劉薔，等.超音速分離技術(shù)及在氣田地面工程中的應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2011，40（1）：42-46.

（修改回稿日期 2012-05-09 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.018

中國石油塔里木油田公司超音速分離工藝先導性試驗（編號：22-091c147）。

溫艷軍，1978年生，工程師，工學學士；主要從事采氣及天然氣加工工藝技術(shù)研究工作。地址：（841000）新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部牙哈作業(yè)區(qū)。電話：（0996）2179938，13999620896。E-mail：pcmeican＠yahoo.com.cn