胡建立（大慶油田建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程公司第二工程處）

甲醇自動(dòng)加注技術(shù)在輕烴外輸系統(tǒng)的應(yīng)用

胡建立（大慶油田建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程公司第二工程處）

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴含有部分水，冬季管輸時(shí)為防止出現(xiàn)水合物凍堵而加注甲醇。甲醇加注量過多，增加裝置的物耗和能耗。為了解決上述問題，新建了一套甲醇自動(dòng)加注防凍堵系統(tǒng)，通過對(duì)輕烴含水量的檢測(cè)和輕烴輸送量的綜合計(jì)算，適時(shí)調(diào)節(jié)甲醇加注量，實(shí)現(xiàn)了既不發(fā)生凍堵，又節(jié)能的目的。每年節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，經(jīng)過裝置實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。

輕烴輸送；水合物；凍堵；甲醇；自動(dòng)加注

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴通常含有0.005%～ 0.01%的游離水，冬季向外輸送時(shí)，需要持續(xù)加注甲醇以防止發(fā)生水合物凍堵。甲醇加注量為統(tǒng)一規(guī)定的輕烴輸送量的3%～5‰，每年消耗甲醇較多，約為160～170 t。為解決該問題，真正做到生產(chǎn)裝置的節(jié)能、環(huán)保，需要在原油穩(wěn)定裝置內(nèi)部新建一套甲醇自動(dòng)加注撬裝系統(tǒng)，在裝置外輸輕烴時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)自適應(yīng)甲醇加注系統(tǒng)，保證裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 輕烴輸送凍堵的成因

1.1 水合物形成的機(jī)理

當(dāng)C1～C4的烷烴分子溶于水時(shí)，水分子將圍繞著這些烷烴分子定向排列，形成不穩(wěn)定晶核簇，這些不穩(wěn)定簇在水合物生成過程中起著基塊的作用，這段時(shí)期是水合物生成的誘導(dǎo)期。不穩(wěn)定晶核簇一旦形成就可以迅速生長(zhǎng)聚集形成穩(wěn)定的晶核，這就是水合物的生長(zhǎng)階段。如果在該階段輸送的輕烴受到的擾動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力較大，作用力越強(qiáng)，水合物生長(zhǎng)的速率越快[1]。

1.2 水合物形成的條件

原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的輕烴含有部分C1～C4的烷烴組分，而且含水比較多。輕烴在輸送管道中，當(dāng)壓力和溫度都達(dá)到一定范圍時(shí)會(huì)形成烴類水合物。烴類水合物的形成條件比較溫和，通常溫度范圍是10℃以下，壓力范圍在3～5 MPa之間。水合物很容易在管道的轉(zhuǎn)彎或者節(jié)流等流體出現(xiàn)擾動(dòng)處聚集，堵塞輸送管道。水合物生成的臨界溫度見表1。

表1 水合物生成的臨界溫度

2 甲醇自動(dòng)加注技術(shù)

甲醇是一種無色、透明、易燃和有毒的液體，能與水和大多數(shù)有機(jī)物相混溶，遇到熱、明火或氧化劑容易著火。反復(fù)接觸甲醇蒸氣會(huì)導(dǎo)致失明，甚至死亡，有一定的危險(xiǎn)性。

南八原油穩(wěn)定裝置原來的2臺(tái)甲醇加注泵在輕烴外輸泵房?jī)?nèi)，甲醇泵為容易泄漏的柱塞泵，泄漏的甲醇在泵房?jī)?nèi)聚集，對(duì)巡檢的員工有毒害性。本項(xiàng)目的實(shí)施，將甲醇自動(dòng)加注的撬裝系統(tǒng)置于泵房外，應(yīng)用的隔膜泵是無泄漏泵，平時(shí)該撬裝系統(tǒng)的維護(hù)量很小，杜絕了員工的中毒風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 加注甲醇防止輕烴發(fā)生水合物凍堵的機(jī)理

防止輕烴輸送時(shí)發(fā)生水合物凍堵就必須破壞水合物形成的條件，提高輕烴溫度和改變流體形態(tài)都很難實(shí)現(xiàn)。通過加入水合物抑制劑,水合物的生成曲線可移向較低溫度,經(jīng)常采用的水合物抑制劑有甲醇、乙二醇和三甘醇等[2]。在工程上，甲醇是優(yōu)良的熱力學(xué)抑制劑，通過向輕烴內(nèi)加注甲醇阻止游離水析出，能夠杜絕烴類水合物的生成。

2.2 甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)的工藝技術(shù)方案

在原油穩(wěn)定裝置輕烴外輸泵房外安裝甲醇自動(dòng)加注撬裝系統(tǒng)，甲醇泵的安裝高度低于甲醇儲(chǔ)罐的最低高度。該撬裝系統(tǒng)由2臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔膜計(jì)量泵、1套耐低溫的甲醇泵控制PLC和1個(gè)變頻電動(dòng)機(jī)動(dòng)力柜組成。甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)的出口線安裝手動(dòng)截止閥和單流閥各1臺(tái)，并碰接在原甲醇系統(tǒng)出口管線的單流閥后側(cè)，與原系統(tǒng)并聯(lián)；甲醇泵入口安裝截止閥和過濾器，出口安裝超壓回流保護(hù)。

在輕烴外輸泵房?jī)?nèi)輕烴外輸泵入口前某一合適位置，安裝在線輕烴含水分析儀一臺(tái)，分析儀輸出的輕烴含水信號(hào)引入撬裝PLC內(nèi)；輕烴外輸質(zhì)量流量計(jì)輸出信號(hào)引入撬裝PLC，此信號(hào)與輕烴含水量信號(hào)通過相應(yīng)的函數(shù)計(jì)算出甲醇的加注量和變頻電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的輸入頻率，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)甲醇泵的加注量。改造示意見圖1。

圖1 甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)改造示意圖

2.3 甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)控制方案

1）當(dāng)PLC檢測(cè)到環(huán)境溫度不高于10℃時(shí)，啟動(dòng)輸烴加注甲醇程序。

2）PLC讀入輕烴質(zhì)量流量計(jì)和輕烴含水分析儀數(shù)據(jù)，計(jì)算出輕烴內(nèi)含水總量，通過甲醇水溶液的性質(zhì)計(jì)算出理論甲醇加注量。其中，甲醇泵排量和變頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率成正比。南八原油穩(wěn)定項(xiàng)目中選擇的甲醇體積分?jǐn)?shù)為65%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的凝固點(diǎn)約為-70℃（表2）。

表2 甲醇水溶液體積比和凝固點(diǎn)對(duì)應(yīng)

甲醇泵的電動(dòng)機(jī)工作輸入頻率由式（1）計(jì)算得出：

H——電動(dòng)機(jī)輸入頻率，Hz；

F——輕烴質(zhì)量流量計(jì)流量，t/h；

A——輕烴含水率，%。

3）甲醇泵的啟停和輕烴外輸泵啟動(dòng)信號(hào)與環(huán)境溫度信號(hào)做與運(yùn)算的輸出相關(guān)聯(lián)，當(dāng)結(jié)果為真時(shí)，甲醇泵自動(dòng)啟動(dòng)。

4）主甲醇泵啟動(dòng)失敗后自動(dòng)切換啟動(dòng)輔助甲醇泵，并輸出報(bào)警信號(hào)。

5）輕烴外輸泵停止3 s后，停甲醇泵。

6）如果輕烴流量或輕烴含水分析儀輸入信號(hào)任意一個(gè)有故障時(shí)，則PLC向主控室DCS上輸出聲光報(bào)警，撬裝PLC自動(dòng)將甲醇加注量控制程序的輸出置為最大值，即PLC控制變頻電動(dòng)機(jī)的頻率為50 Hz，甲醇泵注入量為150 L/h，直到輸入信號(hào)正常為止。

7）如果環(huán)境溫度低于10℃，且輕烴泵處于運(yùn)行狀態(tài)，但是甲醇泵沒有運(yùn)行，則PLC向DCS輸出報(bào)警。

8）DCS上顯示甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)甲醇泵的運(yùn)行狀態(tài)和PLC與DCS通訊是否正常狀態(tài)，如果出現(xiàn)PLC與DCS通訊故障，則在DCS上顯示聲光報(bào)警，提示必須進(jìn)行維修。

（9）如果PLC存在故障，而此時(shí)輕烴泵必須啟動(dòng)，則手動(dòng)啟動(dòng)輕烴泵房?jī)?nèi)的備用甲醇泵。

控制邏輯圖見圖2。

圖2 甲醇自動(dòng)加注控制邏輯圖

2.4 技術(shù)應(yīng)用效果

甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)自從2014年在南八原油穩(wěn)定裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用以來，從未出現(xiàn)過輕烴輸送管線凍堵現(xiàn)象。按照2013年的裝置物耗統(tǒng)計(jì)，南八原油穩(wěn)定裝置原來每年需要加注甲醇約160 t，本項(xiàng)目實(shí)施后每年只需要加注甲醇12 t左右。每年可節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，直接經(jīng)濟(jì)效益20余萬元。

輕烴內(nèi)加注的甲醇會(huì)聚集在丙烷餾分中，過量地加注會(huì)導(dǎo)致下游化工裝置催化劑失活，間接經(jīng)濟(jì)效益也很大。

2.5 系統(tǒng)存在的問題

1）甲醇計(jì)量泵對(duì)甲醇的計(jì)量是開環(huán)的，實(shí)際甲醇的加注量是由計(jì)算得出，不能直觀反映甲醇加注量。

2）輕烴輸送管線可能距離很長(zhǎng)，當(dāng)環(huán)境溫度下降，系統(tǒng)開始加注甲醇時(shí)，管線里的輕烴有可能形成烴類水合物。

3 結(jié)論

甲醇自動(dòng)加注系統(tǒng)運(yùn)用了輕烴含水率與輕烴外輸流量計(jì)算出輕烴含水量，從而計(jì)算出需要加注的甲醇量和電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)頻率。PLC通過檢測(cè)環(huán)境溫度和輕烴泵的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)判斷是否啟動(dòng)甲醇泵，實(shí)現(xiàn)了南八原油穩(wěn)定輕烴管輸時(shí)能夠既防止出現(xiàn)水合物凍堵，又可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加注量。提高了甲醇加注效率，降低了甲醇的消耗，保障了原油穩(wěn)定裝置及輕烴管網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]李明川，樊栓獅.天然氣水合物形成過程3階段分析【J].可再生能源，2010，28（5）：80-83.

[2]王海霞,陳保東,陳樹軍.輸氣管線中水合物的形成及預(yù)防[J].天然氣與石油，2006，24（1）：29-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.017

2016-05-27

（編輯 李珊梅）

胡建立，工程師，2002年畢業(yè)于佳木斯工學(xué)院（機(jī)械設(shè)備與工藝專業(yè)），從事油田建設(shè)方面工作，E-mail：163daqing@163. com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任工程公司第二工程處，163000。