吳二亮 付峻 苗建

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司

天然氣水露點(diǎn)直接測(cè)量主要采用冷卻鏡面法，樣品以一定流量流經(jīng)露點(diǎn)儀的測(cè)定室中拋光的金屬鏡面，該鏡面溫度可人為降低并能準(zhǔn)確測(cè)量。樣品中水蒸氣隨著鏡面溫度的降低逐漸達(dá)到飽和后，開(kāi)始析出凝析物，此鏡面溫度即為該壓力下的天然氣水露點(diǎn)。天然氣處理站一般采用間接測(cè)量的方法，通過(guò)測(cè)量天然氣含水量，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化獲取水露點(diǎn)。含水檢測(cè)的方法主要包括吸收稱(chēng)重法、卡爾費(fèi)休法、紅外法、色譜法等[1-3]。無(wú)論采用直接測(cè)量或是間接測(cè)量的方法，測(cè)量過(guò)程均需要專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備，遵守嚴(yán)格的操作規(guī)程，操作成本高，操作者技能水平要求高，不利于推廣使用。本研究根據(jù)三甘醇脫水工藝特點(diǎn)，創(chuàng)新提出了一種基于圖版的水露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，無(wú)硬件設(shè)備投入，方法簡(jiǎn)單快捷，測(cè)量誤差低，滿足氣田長(zhǎng)期使用要求。

1 三甘醇脫水工藝

典型的三甘醇脫水工藝流程如圖1所示[4-8]。

從井口產(chǎn)出的天然氣進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行油氣水三相分離，氣體中大部分游離水被脫去，出口天然氣進(jìn)入冷卻器進(jìn)行降溫冷凝，大部分重?zé)N冷凝后進(jìn)入入口過(guò)濾分離器進(jìn)行脫除，之后天然氣進(jìn)入三甘醇接觸塔進(jìn)行深度脫水，脫水后達(dá)到外輸干氣水露點(diǎn)要求進(jìn)行外輸。

三甘醇再生裝置包括三甘醇閃蒸罐、三甘醇過(guò)濾器、三甘醇再沸器、精餾柱、回流冷凝柱、汽提柱、貧富三甘醇換熱器、三甘醇緩沖罐等。從接觸塔吸水后，富三甘醇經(jīng)過(guò)回流冷凝柱預(yù)熱，進(jìn)入三甘醇閃蒸罐脫出液烴組分，然后進(jìn)入顆粒過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器，對(duì)固體雜質(zhì)和殘余液烴過(guò)濾，經(jīng)過(guò)貧富三甘醇換熱器升溫后，進(jìn)入三甘醇再沸器進(jìn)行蒸餾脫水。脫水后的三甘醇進(jìn)入汽提柱進(jìn)一步提升純度后，變成貧三甘醇進(jìn)入緩沖罐儲(chǔ)存。

2 圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)圖版

根據(jù)《海上采油工程手冊(cè)》中天然氣脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)一章，三甘醇接觸塔出口平衡水露點(diǎn)與貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及入口氣溫度之間存在著定量關(guān)系[9]，如圖2所示。

該圖版為三甘醇脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用的經(jīng)典圖版。平衡水露點(diǎn)是在三甘醇和天然氣在接觸塔內(nèi)接觸達(dá)到平衡時(shí)，氣液充分傳質(zhì)后達(dá)到的水露點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于接觸塔內(nèi)氣液接觸時(shí)間有限，平衡狀態(tài)無(wú)法達(dá)到。因此，實(shí)際水露點(diǎn)不同程度高于平衡水露點(diǎn)。

以上三甘醇脫水系統(tǒng)工藝參數(shù)關(guān)系圖提供了一種測(cè)量接觸塔出口水露點(diǎn)的方法。假定實(shí)際脫水系統(tǒng)的出口水露點(diǎn)高于平衡水露點(diǎn)的偏差量為固定值，通過(guò)采集入口天然氣溫度并化驗(yàn)貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，代入已知圖版，讀取對(duì)應(yīng)的平衡水露點(diǎn)，然后用偏差量對(duì)平衡水露點(diǎn)進(jìn)行修正，即可獲得實(shí)際水露點(diǎn)。為了驗(yàn)證該方法的可靠性，需要調(diào)整三甘醇脫水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，測(cè)試在不同工況下平衡水露點(diǎn)與實(shí)際水露點(diǎn)之間的偏差量是否為固定值。

2.2 水露點(diǎn)偏差量測(cè)試

圖版中涉及的基礎(chǔ)參數(shù)為天然氣入口溫度與貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，需要測(cè)試在滿足裝置操作區(qū)間內(nèi)，以上兩個(gè)參數(shù)變化后實(shí)際水露點(diǎn)與查圖得出的平衡水露點(diǎn)之間的偏差量。測(cè)試期間，除測(cè)試目標(biāo)參數(shù)以外，脫水系統(tǒng)以及三甘醇再生系統(tǒng)全部參數(shù)調(diào)整為正常操作值。測(cè)試基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定如下：脫水系統(tǒng)天然氣流量180×104m3/d，接觸塔壓力10 MPa，貧三甘醇流量1.2 m3/h。

通過(guò)調(diào)整天然氣冷卻器負(fù)荷使天然氣入口溫度為30～36 ℃；通過(guò)調(diào)整再沸器溫度與汽提氣流量，使接觸塔貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.5%～99.5%；通過(guò)便攜式露點(diǎn)儀測(cè)量在不同條件下接觸塔出口天然氣水露點(diǎn)。匯總得到天然氣入口溫度在30 ℃、33 ℃、36 ℃下不同貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的出口水露點(diǎn)，如表1、表2、表3所列。

表1 入口氣溫度為30 ℃的出口水露點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)表貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%實(shí)際水露點(diǎn)/℃圖版對(duì)應(yīng)的平衡水露點(diǎn)/℃偏差量/℃98.66-8-181098.92-12-21999.12-15-23899.35-18-279

表2 入口氣溫度為33 ℃的出口水露點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)表貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%實(shí)際水露點(diǎn)/℃圖版對(duì)應(yīng)的平衡水露點(diǎn)/℃偏差量/℃98.70-7-171098.89-9-18999.18-13-22999.33-14-2511

表3 入口氣溫度為36 ℃的出口水露點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)表貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%實(shí)際水露點(diǎn)/℃圖版對(duì)應(yīng)的平衡水露點(diǎn)/℃偏差量/℃98.51-4-13998.88-5-151099.09-8-191199.28-12-2210

2.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1～表3,對(duì)偏差量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表4所列。

表4 偏差量數(shù)據(jù)分析表最大值/℃最小值/℃平均值/℃方差/℃21189.580.74

根據(jù)表4,實(shí)際水露點(diǎn)與查圖得出的平衡水露點(diǎn)之間偏差量的方差極小，說(shuō)明偏差量數(shù)據(jù)集中在平均值，偏差平均值可有效代表偏差真實(shí)值。因此，可將實(shí)際水露點(diǎn)與平衡水露點(diǎn)的偏差量固定為平均值9.58 ℃。

偏差量確定后，進(jìn)一步分析偏差量固化產(chǎn)生的測(cè)量誤差，做出誤差控制圖，如圖3所示。

根據(jù)圖3，偏差量固化產(chǎn)生的測(cè)量誤差范圍在±2 ℃以內(nèi)，滿足測(cè)量需求。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以證明三甘醇接觸塔出口實(shí)際水露點(diǎn)與平衡水露點(diǎn)之間存在著固定的偏差量。該偏差量通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法固化后，產(chǎn)生的測(cè)量誤差在±2 ℃以內(nèi)，滿足正常測(cè)量需求，說(shuō)明采用圖版修正法測(cè)量三甘醇脫水系統(tǒng)水露點(diǎn)的方法可靠。

3 圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量軟件開(kāi)發(fā)

為了應(yīng)對(duì)不同操作者使用圖版產(chǎn)生的讀圖誤差，開(kāi)發(fā)出了圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量軟件。軟件界面如圖4所示。

使用該軟件，輸入接觸塔溫度范圍以及貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輸入當(dāng)前天然氣入口溫度、化驗(yàn)獲得的貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及試驗(yàn)測(cè)試得出的偏差量之后，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)運(yùn)算”獲得測(cè)量結(jié)果，生成可以直接讀取測(cè)量水露點(diǎn)的修正圖版。軟件還可根據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)范圍，給定滿足水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)狀態(tài)的入口氣溫度以及貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)匹配值，指導(dǎo)對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整。

4 圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)推廣性評(píng)價(jià)

使用圖版修正法測(cè)量三甘醇脫水系統(tǒng)的水露點(diǎn)，前提條件是明確采用經(jīng)典圖版查圖獲得的平衡水露點(diǎn)與實(shí)際水露點(diǎn)之間存在著確定的偏差量。如果可以驗(yàn)證在不同氣田的脫水系統(tǒng)中以上偏差量仍然為固定值，就可證明圖版修正法的測(cè)量方法具有普遍適用性。本研究選取南海某兩個(gè)氣田進(jìn)行推廣驗(yàn)證。

氣田1測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：測(cè)試壓力 7 250 kPa；測(cè)試溫度范圍 28～29 ℃；測(cè)試天然氣流量 560×104m3/d。

氣田2測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：測(cè)試壓力 8 900 kPa；測(cè)試溫度范圍 25～31 ℃；測(cè)試天然氣流量 190×104m3/d。

使用圖版修正法測(cè)量軟件，將偏差量設(shè)置為0，此時(shí)軟件計(jì)算值即為經(jīng)典圖版平衡水露點(diǎn)的精確查圖值，同時(shí)通過(guò)便攜式露點(diǎn)儀測(cè)量實(shí)際水露點(diǎn)。連續(xù)進(jìn)行一周測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5、表6所列。

對(duì)偏差量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，氣田1偏差量方差為0.19 ℃2，氣田2偏差量方差為0.85 ℃2，說(shuō)明偏差量集中分布在平均值附近，以平均值固化偏差量后，氣田1測(cè)量誤差為±1 ℃，氣田2測(cè)量誤差為±2 ℃。

根據(jù)對(duì)兩個(gè)氣田測(cè)試結(jié)果，在不同操作參數(shù)下，采用經(jīng)典圖版查圖獲得的平衡水露點(diǎn)與實(shí)際水露點(diǎn)之間的偏差量均為固定值，測(cè)量誤差均小于±2 ℃，說(shuō)明圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)對(duì)于三甘醇脫水系統(tǒng)具有普遍適用性。

表5 氣田1水露點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)表℃序號(hào)平衡水露點(diǎn)實(shí)際水露點(diǎn)偏差量1-26.28-13.2513.032-26.50-13.9612.543-26.69-14.0212.674-28.78-14.8513.935-26.85-14.1312.726-26.07-13.1512.927-27.31-14.0513.26平均值-26.93-13.9213.01

表6 氣田2水露點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)表℃序號(hào)平衡水露點(diǎn)實(shí)際水露點(diǎn)偏差量1-31.57-16.8414.272-30.22-16.2114.423-28.21-12.0316.214-28.33-12.9115.535-27.49-13.8513.696-31.07-15.1215.977-28.80-13.0815.90平均值-29.38-14.2915.14

需要說(shuō)明的是，對(duì)于不同的工藝系統(tǒng)使用圖版修正法進(jìn)行測(cè)量，偏差量有所不同。原因?yàn)椴煌难b置系統(tǒng)由于接觸塔設(shè)備部件安裝質(zhì)量不同，脫水系統(tǒng)運(yùn)行效率不同等因素導(dǎo)致在接觸塔內(nèi)三甘醇與天然氣接觸傳質(zhì)程度不同。對(duì)同一系統(tǒng)隨著服役時(shí)間的增加，脫水系統(tǒng)運(yùn)行效率下降，偏差量也將同步增加。因此，從長(zhǎng)期使用來(lái)看，偏差量為動(dòng)態(tài)變化值，需使用者根據(jù)系統(tǒng)效率及時(shí)測(cè)試更新。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圖版修正法水露點(diǎn)測(cè)量方法的測(cè)試，得到以下結(jié)論。

(1) 對(duì)于三甘醇脫水系統(tǒng)，使用圖版修正法對(duì)水露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差小于±2 ℃，滿足氣田日常檢測(cè)需求，可在氣田廣泛推廣。

(2) 使用圖版修正法對(duì)水露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，需要根據(jù)特定系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試確定偏差量，偏差量一般為5～15 ℃。如果系統(tǒng)運(yùn)行效率變化，為確保圖版修正法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，需要同步調(diào)整偏差量。