辛 順，吉慶林，高銘志，慧 寧

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

在世界能源日趨緊張的現(xiàn)狀下，節(jié)能減排成為海上油田生產(chǎn)的重要指標(biāo)，油田伴生氣的有效利用成為油田開發(fā)的重要趨勢(shì)。目前對(duì)于油田伴生氣的主要利用途徑是作為為平臺(tái)提供熱源的燃料，但對(duì)熱源需求量不大，且伴生氣回收成本又較高的平臺(tái)來(lái)說(shuō)，通常做法是將伴生氣通過(guò)火炬排放，這顯然是對(duì)能源的一種浪費(fèi)。如果將伴生氣用作主機(jī)燃料[1]，作為油田生產(chǎn)的補(bǔ)充電源，將既實(shí)現(xiàn)節(jié)能又達(dá)到環(huán)保的雙重目標(biāo)。

目前海上油田的主電站主要是原油往復(fù)機(jī)組，以伴生氣作為燃料的燃?xì)馔鶑?fù)機(jī)組應(yīng)用還較少，主要原因是往復(fù)機(jī)組對(duì)燃料氣的要求較高。表1為油田伴生氣的典型組分。

表1 油田伴生氣的典型組分 單位：%

從表1可知，伴生氣的重?zé)N（C4及以上成分）含較大比例，重?zé)N的存在不僅容易使氣缸內(nèi)積碳，還容易在燃燒時(shí)發(fā)生爆震，給往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)安全運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

1 伴生氣的去重?zé)N化

目前伴生氣去重?zé)N化的成熟技術(shù)主要有兩種：

1) 物理法，將伴生氣中重?zé)N液態(tài)化并去除；

2) 催化裂解法，將重?zé)N轉(zhuǎn)化成輕烴。

1.1 物理法

物理分離法的原理是利用各組分的沸點(diǎn)不同，將氣體液化并分離。液化氣體的主要途徑有加壓法、降溫法、加壓降溫聯(lián)合法。

1）加壓法容易造成可燃?xì)獾男孤?，而且加壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，對(duì)整套設(shè)備的安全帶來(lái)不利影響，增加了設(shè)計(jì)、制造以及操作上難度，也會(huì)導(dǎo)致成本的上升。

2）降溫分離法，由于純降溫法需要更低溫度的冷媒，而冷媒的制取耗能較大，在綜合經(jīng)濟(jì)效益比較下，則加壓降溫聯(lián)合法更可取。圖1為目前已經(jīng)成熟的加壓降溫聯(lián)合法——深冷法[2,3]流程。

圖1 深冷法流程

3）深冷法的關(guān)鍵設(shè)備是初冷及深冷換熱器，初冷換熱器的換熱介質(zhì)是干燥處理后的常溫伴生氣和經(jīng)過(guò)二級(jí)分離后的低溫燃料氣，深冷換熱器的換熱介質(zhì)是冷媒和經(jīng)過(guò)初級(jí)分離后的伴生氣。換熱器的關(guān)鍵技術(shù)是提高換熱效率以及耐低溫性能，目前常用的是翅片管式套管換熱器，這種換熱器傳熱效率高、流程阻力小、耐低溫性能強(qiáng)，且維修方便。

物理法的特點(diǎn)：

1）干燥功能強(qiáng)，經(jīng)過(guò)深冷之后，伴生氣的壓力露點(diǎn)可以達(dá)到-29℃；

2）除渣能力強(qiáng)，由于整個(gè)流程中共有三級(jí)過(guò)濾分離，能去除 99%以上雜質(zhì)，顆粒粒徑可達(dá)到 0.1μm以下；

3）能去除伴生氣中硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、硅氧烷、鹵素等有害組分；

4）通過(guò)流程的優(yōu)化，可使深冷裝置出口的燃料氣達(dá)到往復(fù)機(jī)組所需要的燃?xì)鈮毫蜏囟取?/p>

但物理法的缺點(diǎn)也是很明顯的，即：脫除的重?zé)N無(wú)法有效利用，造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)需要一套輔助的制冷裝置提供穩(wěn)定的冷媒。

2.2 催化裂解法

以陸地石化工業(yè)常用的催化裂解工藝[4,5]為基礎(chǔ)深化開發(fā)。其原理是：在一定的溫度壓力下，利用飽和水蒸氣及催化劑裂解伴生氣中的重?zé)N，生成可以直接用于往復(fù)機(jī)組的輕烴組分（見(jiàn)圖2）。目前國(guó)際上已有成熟的催化裂解裝置應(yīng)用于海上油田，圖3為伴生氣的催化裂解流程。

圖2 催化裂解原理

該流程的核心技術(shù)是：根據(jù)伴生氣中各組分的含量設(shè)計(jì)出合適的工藝參數(shù)、催化裂解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與催化劑的選擇。目前陸地油田的重油催化裂解技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且利用天然氣通過(guò)催化裂解反應(yīng)生產(chǎn)銨、氫等其他工業(yè)原料的技術(shù)在20世紀(jì)90年代就已成熟，因此從工藝角度來(lái)說(shuō)，整套設(shè)備的流程設(shè)計(jì)是可行的。但由于流程上的限制，從裂解裝置出來(lái)的燃?xì)鈮毫Σ荒軡M足往復(fù)機(jī)組的要求，還需要一套調(diào)壓裝置，使燃?xì)鈮毫εc溫度都能達(dá)到往復(fù)機(jī)組要求。由于伴生氣中含有硫組分，為防止催化劑中毒，在流程中增加除硫反應(yīng)器。

圖3 伴生氣催化裂解流程

該流程的核心技術(shù)是：根據(jù)伴生氣中各組分的含量設(shè)計(jì)出合適的工藝參數(shù)、催化裂解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與催化劑的選擇。目前陸地油田的重油催化裂解技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且利用天然氣通過(guò)催化裂解反應(yīng)生產(chǎn)銨、氫等其他工業(yè)原料的技術(shù)在20世紀(jì)90年代就已成熟，因此從工藝角度來(lái)說(shuō)，整套設(shè)備的流程設(shè)計(jì)是可行的。但由于流程上的限制，從裂解裝置出來(lái)的燃?xì)鈮毫Σ荒軡M足往復(fù)機(jī)組的要求，還需要一套調(diào)壓裝置，使燃?xì)鈮毫εc溫度都能達(dá)到往復(fù)機(jī)組要求。由于伴生氣中含有硫組分，為防止催化劑中毒，在流程中增加除硫反應(yīng)器。

整套裝置沒(méi)有動(dòng)力設(shè)備，能耗主要集中在伴生氣的預(yù)處理、飽和水蒸氣的生成以及淡水冷卻器的淡水消耗。

在預(yù)處理單元中，需要用燃?xì)鈮嚎s機(jī)將伴生氣壓縮到約 0.58～0.88MPa壓力，同時(shí)去除伴生氣中的雜質(zhì)（包括：凝析油、凝結(jié)水、固體顆粒等）。

產(chǎn)生飽和水蒸氣的熱源可以利用主機(jī)的高溫?zé)煔?，往?fù)機(jī)組的排煙溫度通常為350～450℃，完全可以用來(lái)生產(chǎn)催化裂解裝置所需要的飽和水蒸氣，只需要添加一套煙氣鍋爐。考慮到主機(jī)故障時(shí)煙氣的中斷，需要在兩個(gè)或兩個(gè)以上主機(jī)煙氣出口各加一套煙氣鍋爐，作為備用（見(jiàn)圖4）。產(chǎn)生飽和水蒸氣的另一種選擇是用燃?xì)忮仩t，相對(duì)而言相同處理量的燃?xì)忮仩t的投資要大于煙氣鍋爐，煙氣鍋爐必須要有至少一臺(tái)主機(jī)的啟用，且從整個(gè)平臺(tái)主機(jī)方案的設(shè)計(jì)、煙氣鍋爐造成的主機(jī)排氣背壓和煙管布置問(wèn)題等多方面綜合考慮，因此燃?xì)忮仩t也是一種可行選擇。

圖4 煙氣鍋爐流程

2.3 主電站設(shè)計(jì)方案

由于油田伴生氣產(chǎn)量不穩(wěn)定，只能作為平臺(tái)補(bǔ)充電源，當(dāng)油田沒(méi)有伴生氣時(shí)，完全依靠原有主機(jī)為平臺(tái)供電；當(dāng)伴生氣產(chǎn)量足夠時(shí)，用伴生氣發(fā)電，減少主電站負(fù)荷，降低油耗。圖5、6為有燃?xì)馔鶑?fù)機(jī)組作為備用電站的兩種方案。

圖5 采用深冷裝置的電站方案

圖6 采用裂解裝置的電站方案

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，物理法流程簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)物理法處理后的燃?xì)饪梢灾苯舆M(jìn)主機(jī)作為燃料。配套設(shè)備少，只需一套冷媒產(chǎn)生器，操作維護(hù)方便，投資費(fèi)用少，但由于去除了C4以上的重?zé)N，會(huì)造成能源的浪費(fèi)。

催化裂解裝置流程復(fù)雜，所需配套附屬設(shè)備多，主要包括：燃?xì)鈮嚎s機(jī)、海水冷卻器、鍋爐、調(diào)壓閥組等。裝置操作維修復(fù)雜，初始投資費(fèi)用多，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保角度上看，該方法可以將油田伴生氣充分利用，減少了主電站的負(fù)荷及燃油耗量，節(jié)約了平臺(tái)運(yùn)行費(fèi)用。

因此這兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮初始投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、伴生氣產(chǎn)量等各方面，合理選擇。

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