杜通林 肖春雨 程 林

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

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天然氣脫烴裝置烴露點(diǎn)不合格原因分析及整改

杜通林 肖春雨 程 林

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041

國(guó)外大型氣田均為含硫、含凝析油氣田，其組分中含有大量的重?zé)N，為保證管輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行，需要脫除重?zé)N，且脫除重?zé)N具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。天然氣凝液回收的兩個(gè)主要步驟是天然氣降溫析出凝液和氣液低溫分離。通過分析研究土庫(kù)曼斯坦某天然氣凈化廠脫烴裝置烴露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)的原因，對(duì)低溫分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的整改方案。

天然氣脫烴；J-T閥；膨脹-壓縮制冷；低溫分離

0 前言

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源和化工原料，與其他能源相比具有使用方便、經(jīng)濟(jì)安全、發(fā)熱量高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。海外地區(qū)從氣井中采出的原料天然氣除含有H2S、CO2外，還含有重?zé)N等組分，影響天然氣的水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)及毒性等。從天然氣中最大程度地回收液烴[1]，其目的是使天然氣符合商品氣質(zhì)量指標(biāo)，滿足管輸氣質(zhì)量要求。土庫(kù)曼斯坦某天然氣凈化廠原料氣中含有大量重?zé)N，脫烴裝置投產(chǎn)運(yùn)行后，產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，對(duì)下游管輸造成了一定影響，針對(duì)該脫烴工藝進(jìn)行分析研究，找出原因，并提出對(duì)脫烴裝置進(jìn)行改造的解決方案。

1 脫烴工藝

控制天然氣烴露點(diǎn)的工藝方法主要有溶劑吸收、低溫分離。

溶劑吸收是采用對(duì)天然氣中較重的烴類吸收能力好的溶劑吸收脫除重?zé)N，從而降低天然氣的烴露點(diǎn)。該方法屬物理吸收過程，對(duì)重?zé)N的吸收率低，能耗大，因此目前較少采用。

低溫分離是利用天然氣中的氣態(tài)烴隨溫度的降低逐漸液化，然后將凝析出的液體分離的方法。該方法是通過控制分離溫度，使天然氣中較重的烴類液化析出，然后分離脫除。其步驟主要分為降溫和分離，其中降溫按照冷量來源的不同又分為外制冷工藝和膨脹制冷工藝。

外制冷工藝需要冷劑循環(huán)輔助制冷，其原理是制冷劑相變時(shí)從天然氣中吸收熱量，從而迅速降低天然氣溫度，重?zé)N在低溫下冷凝析出、分離，達(dá)到脫除的目的。制冷劑一般采用氨、丙烷等。

膨脹制冷工藝中的節(jié)流膨脹[2]制冷法是高壓天然氣通過節(jié)流閥時(shí)，產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)(以下簡(jiǎn)稱J-T)，氣體不與周圍介質(zhì)進(jìn)行換熱也不對(duì)外做功的情況下，將高壓流體通過節(jié)流閥迅速膨脹到低壓。氣體經(jīng)節(jié)流膨脹后，由于氣體分子間距離的改變引起了分子間相互作用勢(shì)能的改變，使天然氣的溫度迅速降低析出重?zé)N，經(jīng)氣液分離后實(shí)現(xiàn)重?zé)N的脫除。另一種膨脹-壓縮制冷是采用膨脹機(jī)或熱分離機(jī)使天然氣溫度降低的方法。通過膨脹-壓縮機(jī)組有效利用膨脹能，使天然氣溫度迅速降低析出重?zé)N，經(jīng)氣液分離后實(shí)現(xiàn)重?zé)N的脫除。

土庫(kù)曼斯坦某天然氣凈化廠脫烴工藝采用膨脹-壓縮制冷[3]的低溫分離。其工藝分為膨脹機(jī)膨脹制冷和氣液分離兩部分，原理流程見圖1。

圖1 土庫(kù)曼斯坦某天然氣凈化廠脫烴工藝流程圖

經(jīng)脫水后的干凈化天然氣進(jìn)入原料氣預(yù)冷器與低溫產(chǎn)品氣換冷，溫度降低至-3.5 ℃后，經(jīng)干氣分離器初步分離出液烴后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹端繼續(xù)降溫，C3H8及以上的組分大部分被冷凝析出，再經(jīng)低溫分離器分離出液烴。分離出液烴后的低溫產(chǎn)品氣進(jìn)入到原料氣預(yù)冷器與原料氣換熱后進(jìn)入膨脹機(jī)壓縮端，增壓后進(jìn)入外輸管網(wǎng)，液烴則送至凝析油穩(wěn)定裝置處理。

2 脫烴裝置運(yùn)行情況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

土庫(kù)曼斯坦某天然氣凈化廠脫烴裝置采用膨脹-壓縮制冷，同時(shí)也設(shè)置了J-T閥在啟動(dòng)膨脹-壓縮機(jī)組[4]時(shí)使用，并且在冬季氣溫較低的情況下僅采用J-T閥制冷即可滿足烴露點(diǎn)要求。

現(xiàn)場(chǎng)脫烴裝置初期投運(yùn)時(shí)，先打開J-T閥運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)采用J-T閥制冷很快就達(dá)到了采用膨脹-壓縮制冷的溫度，經(jīng)查看中控室DCS數(shù)據(jù)，J-T閥前溫度為-10 ℃，閥后溫度達(dá)到-18～-16 ℃，該閥后溫度已滿足天然氣組分中析出液烴的溫度要求，但脫烴裝置出口在線烴露點(diǎn)分析儀上顯示烴露點(diǎn)為20 ℃，產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)不滿足在4.5～7.5MPa下-5 ℃的要求。

2.2 工藝參數(shù)分析

對(duì)原料氣、干凈化天然氣、產(chǎn)品氣進(jìn)行全組分分析，并和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)組分與實(shí)測(cè)組分對(duì)比

圖2 產(chǎn)品氣相包絡(luò)圖

本裝置投產(chǎn)初期使用J-T閥制冷，根據(jù)J-T閥制冷原理可以得出，在閥前后壓差一致的情況下，不同溫度下節(jié)流，溫降基本上一致。從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)看J-T閥閥前溫度為-10 ℃，閥后制冷溫度達(dá)到-18～-16 ℃，溫差Δt為6～8 ℃。在相同壓差下，根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模擬J-T閥閥前溫度為-1 ℃，閥后制冷溫度為-8 ℃，溫差Δt為7 ℃，據(jù)此判斷J-T閥運(yùn)行正常，唯一不同是設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行工況中J-T閥閥前溫度不一樣，并且利用實(shí)測(cè)的原料氣組分模擬實(shí)際工況，其閥前和閥后溫度與采用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果一致。

要保證烴露點(diǎn)合格脫烴裝置需同時(shí)滿足氣體制冷溫度達(dá)標(biāo)和低溫分離器工作正常。

根據(jù)模擬情況，若低溫分離器工作正常，在目前的進(jìn)氣和出氣壓力下，利用J-T閥制冷的出口溫度最低能降至-8 ℃。但目前情況下J-T閥節(jié)流后的溫度達(dá)到-16～-18 ℃。根據(jù)實(shí)際工況中閥后溫度反向模擬計(jì)算，只有低溫分離器分離效率不佳的情況下，其液相約有一半隨氣體帶入原料氣預(yù)冷器中，與脫水干天然氣換熱后，其中流體里面的液相汽化吸熱，將脫水干天然氣的溫度進(jìn)一步降低，通過循環(huán)熱平衡后,J-T閥閥前的溫度比正常情況偏低，閥后的溫度也相應(yīng)偏低，并且在此溫度下液烴已從原料氣中析出。

實(shí)際工況中J-T閥制冷溫度達(dá)到了膨脹-壓縮制冷的溫度，但是產(chǎn)品氣的烴露點(diǎn)未達(dá)標(biāo)，根據(jù)上述分析可以判斷低溫分離器分離精度不佳。

3 低溫分離器問題分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

低溫分離器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

3.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的工況參數(shù)、取樣分析結(jié)果以及原始輸入條件，對(duì)低溫分離器進(jìn)行工藝核算，對(duì)旋流元件進(jìn)行模擬核算，通過模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)低溫分離器內(nèi)部的高效旋流元件的二級(jí)旋流截面流速過高，液體通過該處爬升導(dǎo)致液體被帶入到氣體出口，從而進(jìn)入原料氣預(yù)冷器汽化，導(dǎo)致產(chǎn)品氣的烴露點(diǎn)不合格。高效旋流元件示意圖見圖3，流速矢量，壓力矢量圖見圖4～5。

表2 低溫分離器主要設(shè)計(jì)參數(shù)(35根旋流管)

圖3 高效旋流元件示意圖

高效旋流元件具有一級(jí)分離和二級(jí)分離功能，通過流速矢量圖可以看出一級(jí)旋流液體通過升氣管有爬升現(xiàn)象，當(dāng)含液量較大時(shí)，會(huì)存在液體被帶到二級(jí)分離中；二級(jí)旋流截面流速過高，當(dāng)進(jìn)入低溫分離器的氣體流量在40×104m3/d(氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為20 ℃，101.325kPa)時(shí)，氣體在旋流元件出口的流速達(dá)到20m/s，液體破碎被氣體吹出旋流元件帶走(圖4～5上端紅色部分)，從而導(dǎo)致分離效果不佳。

圖4 流速矢量圖

圖5 壓力矢量圖

4 低溫分離器整改方案

4.1 設(shè)計(jì)方案

低溫分離器由原設(shè)計(jì)的二級(jí)旋流分離改為一級(jí)旋流分離[5]，在原料氣入口設(shè)置布液元件，先分離出大顆粒液體。通過布液元件后的氣體進(jìn)入絲網(wǎng)聚結(jié)元件將小顆粒液滴聚結(jié)成大顆粒液滴，聚結(jié)后的氣體再通過波形板進(jìn)行一次分離，最后氣體進(jìn)入頂部的旋流元件進(jìn)行第二次分離，以保證產(chǎn)品氣的分離效果，旋流元件和波形板組件分別設(shè)置獨(dú)立降液管。低溫分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖6。

4.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

4.2.1 入口氣體分布器

入口氣體分布器采用雙列葉片式[6]見圖7，在分離器截面上均勻分布?xì)怏w，除去氣體中的大顆粒液體，以減少氣體紊流和液滴夾帶。物料徑向進(jìn)料，進(jìn)口兩側(cè)有兩列導(dǎo)流弧形葉片，其頂部、底部均封閉。氣流沿兩列葉片左右分開，并折而向上，其特點(diǎn)是先將氣體沿水平方向分布然后向上流動(dòng)。

4.2.2 絲網(wǎng)聚結(jié)器

本設(shè)計(jì)絲網(wǎng)捕霧器[7]在氣速較大的情況下，具有聚結(jié)效果，氣流通過絲網(wǎng)液滴聚結(jié)，粒徑變大，能將小顆粒液滴聚結(jié)成大顆粒液滴。絲網(wǎng)聚結(jié)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

圖6 低溫分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 入口氣體分布器示意圖

表3 絲網(wǎng)聚結(jié)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.3 波形板

氣流攜帶著液滴在波形板[8]構(gòu)成的許多并聯(lián)的曲折通道內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)，由于離心力、慣性力以及附著力的作用，液滴不能隨著氣流偏轉(zhuǎn)撞擊波形板壁面，從而在曲折通道的垂直壁面以及設(shè)在曲折處的陷阱中集結(jié)，靠重力順壁下流得以分離。波形板主要設(shè)計(jì)參數(shù)，見表4。

表4 波形板主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.4 旋流分離元件

在一定的速度下，旋轉(zhuǎn)氣流沿軸向流入、流出旋流器，在流動(dòng)過程中流通截面逐漸增大，流速逐漸降低，氣、液或氣、固經(jīng)分離完成后的氣體沿徑向進(jìn)入出口管，液或固體沿器壁排出分離器，實(shí)現(xiàn)氣液分離過程。旋流分離元件主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表5，導(dǎo)葉式旋流分離[9]元件見圖8，旋流分離元件流速矢量圖見圖9。

表5 旋流分離元件主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖8 導(dǎo)葉式旋流分離元件(一級(jí)旋流)

圖9 旋流分離元件流速矢量圖(最高氣速8.6 m/s)

5 結(jié)論

低溫分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用分布聚結(jié)+旋流的方式替代了二級(jí)旋流分離，解決了二級(jí)旋流截面流速過高的問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)更換后，脫烴裝置的產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)滿足要求，分離效果較好。低溫分離器作為脫烴工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一，其計(jì)算、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造極為嚴(yán)格，產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)不合格，將導(dǎo)致天然氣凈化廠停產(chǎn)，造成巨大損失。工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可在低溫分離器后串聯(lián)設(shè)置1臺(tái)聚結(jié)器，將低溫分離器分離出的產(chǎn)品氣再次分離，確保最終出廠的產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)合格。

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2015-07-15

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05059)

杜通林(1973-)，男，四川南部人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事天然氣加工工藝技術(shù)研究及工程設(shè)計(jì)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.006