周建，陳文峰，于成龍，余智

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

天然氣脫水的主要方法有吸收法、吸附法、低溫脫水法等。海上濕天然氣脫水一般采用三甘醇脫水，三甘醇脫水工藝復(fù)雜，設(shè)備多，占地大。渤海某油田首次應(yīng)用超音速天然氣脫水裝置，相關(guān)設(shè)備和配套設(shè)施均比三甘醇脫水裝置少，節(jié)省了投資費(fèi)用和甲板面積。

1 超音速天然氣脫水工藝技術(shù)介紹

1.1 工作原理簡(jiǎn)介

低溫旋流式超音速分離脫水技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種將超聲速噴管的膨脹制冷效應(yīng)和離心分離高效地結(jié)合在一起的新型天然氣脫水及重?zé)N氣體分離技術(shù)。

天然氣超音速脫水技術(shù)屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法。核心部件為超音速分離器，其基本原理是利用拉瓦爾噴管，使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速，這時(shí)天然氣的溫度和壓力會(huì)急劇下降，使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴，然后在超音速下產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流旋轉(zhuǎn)將小液滴分離出來(lái)，并對(duì)干氣進(jìn)行再壓縮[1]。低溫旋流式超音速脫水裝置結(jié)合了氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，利用旋流場(chǎng)分離經(jīng)絕熱膨脹形成的低溫冷凝水分和重?zé)N組分，高效脫除天然氣中所含水分。有效縮減設(shè)備占地面積，減輕基礎(chǔ)負(fù)重，降本增效。

其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三部分組成：

（1）螺旋流生成段：高壓氣流在經(jīng)旋流器加速的同時(shí)，軸向流轉(zhuǎn)化為以切向速度和軸向速度共同主導(dǎo)的螺旋流，生成高速螺旋流后進(jìn)入Laval噴管。天然氣原氣首先進(jìn)入旋流器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高速的切向加速度旋流。在超音速噴管入口表面的切線方向產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)氣體射流，并在Laval噴管內(nèi)形成超音速流體。

（2）凝結(jié)分離段：螺旋氣流流經(jīng)Laval噴管后進(jìn)一步加速，并達(dá)到超音速狀態(tài)。根據(jù)超音速流體特性，氣體流速達(dá)到超音速后，當(dāng)流道截面擴(kuò)張時(shí)氣體的壓力降低、溫度降低、速度增快，形成高速低溫低壓流體。溫度瞬間降至采出天然氣中水分及重質(zhì)烷烴等雜質(zhì)的露點(diǎn)以下，其中的水蒸氣和重?zé)N達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)開(kāi)始凝結(jié)，發(fā)生成核現(xiàn)象，并使之凝結(jié)成液滴。隨后，液滴在離心力的作用下被“甩”到管壁上。從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。液滴受到離心力作用被拋至分離器環(huán)隙管壁，液體沿管壁流動(dòng)，而管壁處的氣體將包含部分重?zé)N和水分，經(jīng)排出口排出。剩余的大部分干氣居于主流中心進(jìn)入分離器中心管。

（3）壓力回收段：脫水后的氣流經(jīng)漸擴(kuò)管道降速增壓，氣流壓力恢復(fù)到進(jìn)口壓力的70%～80%。用于管道輸送。

圖1 低溫旋流式超音速分離裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

低溫旋流式超音速分離裝置技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）結(jié)構(gòu)巧妙，可將分離出水和輕烴液體連續(xù)排出，通過(guò)裝置本體凝液分離段的設(shè)計(jì)，將干氣和析出凝液分流，凝液從凝液排出口排出，工況連續(xù)穩(wěn)定。

（2）運(yùn)行費(fèi)用低。本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。

（3）系統(tǒng)密閉無(wú)泄漏[2]。天然氣進(jìn)入分離裝置后，依靠自身的功能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)脫水、脫烴，無(wú)需與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，一切轉(zhuǎn)化過(guò)程均在本體內(nèi)完成。

（4）在同樣的壓力損失下，溫降更大。天然氣經(jīng)過(guò)拉法爾管節(jié)流降壓后，形成超音速流體，根據(jù)超音速流體特性，溫度和壓力持續(xù)降低。此時(shí)的氣體溫度值與傳統(tǒng)工藝相比更低。

（5）占地面積小，安裝靈活。低溫旋流式超音速分離裝置外形類似一段T型管道，占地面積小，且配套設(shè)施和閥門(mén)組件相對(duì)簡(jiǎn)單，拆裝檢修方便。

2 超音速天然氣脫水工藝技術(shù)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用項(xiàng)目簡(jiǎn)介

超音速天然氣脫水技術(shù)研究及應(yīng)用科研項(xiàng)目是中國(guó)海油承擔(dān)的“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)研究任務(wù)之一，依托渤海某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目實(shí)施，同步建造、調(diào)試、投運(yùn)。

該油田產(chǎn)出的伴生氣先經(jīng)過(guò)冷卻、洗滌、壓縮機(jī)增壓，然后通過(guò)氣外輸海管輸送至鄰近平臺(tái)進(jìn)一步處理，最終作為燃料氣供應(yīng)透平主機(jī)燃燒，滿足平臺(tái)供電需要。將超音速天然氣脫水裝置接入壓縮機(jī)增壓流程下游，脫除伴生氣中含有的絕大部分水分，減輕下游平臺(tái)處理負(fù)荷。

2.2 處理方案

該油田伴生氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后主要參數(shù)如下：天然氣壓力：5.6MPa；天然氣溫度：45℃；天然氣日處理量：37萬(wàn)方/天；天然氣組分如下：

Comp Mole Frac(Methane)0.6914 Comp Mole Frac(Ethane)0.1448 Comp Mole Frac(Prothane)0.0863 Comp Mole Frac(i-Buthane)0.0091 Comp Mole Frac(n-B thane)0.0243

Comp Mole Frac(i-Penthane)0.0039 Comp Mole Frac(n-Penthane)0.0041 Comp Mole Frac(n-He×ane)0.0022 Comp Mole Frac (Nitrogen)0.0008 Comp Mole Frac (CO2)0.0300 Comp Mole Frac(H2O)0.0021

天然氣脫水處理指標(biāo)要求：烴、水露點(diǎn)要求：≤-6℃；天然氣壓力：4.4MPa。

根據(jù)處理指標(biāo)要求，確定如下設(shè)計(jì)方案：利用天然氣產(chǎn)品氣的低溫與原料氣換熱，同時(shí)利用經(jīng)分離裝置分離出的液態(tài)輕烴，使輕烴與天然氣原料氣換熱氣化，為天然氣原料氣降溫。輕烴液體在0.35MPa下的泡點(diǎn)溫度為-41℃，通過(guò)控制輕烴回注量，可滿足天然氣外輸露點(diǎn)≤-6℃的要求。

天然氣原料氣首先經(jīng)過(guò)氣氣換熱器換熱，高溫原料氣與分離裝置出口低溫干氣換熱降溫。經(jīng)過(guò)一級(jí)降溫后的原料氣進(jìn)入輕烴換熱器，輕烴在換熱器內(nèi)氣化，天然氣原料氣與之換熱降溫。經(jīng)過(guò)兩級(jí)降溫后的低溫原料氣經(jīng)過(guò)流量計(jì)計(jì)量進(jìn)入分離裝置脫水脫烴。其中大部分的天然氣干氣從裝置出口排出，少量的干氣夾帶分離出的水和輕烴進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣水分離。經(jīng)過(guò)分離后的天然氣與分離裝置出口的干氣管線進(jìn)行匯總。經(jīng)過(guò)氣液分離器分離出的液體進(jìn)入油水分離罐，將輕烴和水分離。凝析液根據(jù)壓力要求，接入平臺(tái)生產(chǎn)分離器。詳見(jiàn)圖2所示。

為清除Laval噴管表面可能形成的固態(tài)苯，在流程中設(shè)置了脫苯裝置——異戊烷循環(huán)沖洗泵撬。利用異戊烷與固體苯的互溶特性，將異戊烷液體在儲(chǔ)罐內(nèi)經(jīng)電加熱器加熱升溫，加熱后的異戊烷液體經(jīng)泵輸送至分離裝置內(nèi)，對(duì)分離裝置內(nèi)部組件進(jìn)行浸泡沖洗，將堵塞在管道內(nèi)的苯凝固物進(jìn)行脫除。以確保不會(huì)因苯的存在，造成超音速分離裝置內(nèi)部的堵塞，影響分離效果。

2.3 技術(shù)對(duì)比

三甘醇脫水與超音速天然氣脫水的技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1：

3 結(jié)論

綜上所述，超音速天然氣脫水工藝具有占地少、無(wú)塔設(shè)備、投資少等優(yōu)勢(shì)，在本項(xiàng)目獲得成功應(yīng)用，可為超音速天然氣脫水工藝的海上推廣使用提供借鑒。后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注設(shè)備壓降、流量適應(yīng)范圍及脫苯等問(wèn)題。

圖2 低溫旋流式超音速脫水工藝流程

表1 三甘醇脫水與超音速脫水對(duì)比表

◆參考文獻(xiàn)

[1] 何策，程雁，額日其太. 天然氣超音速脫水技術(shù)評(píng)析[J].石油機(jī)械，2006，34(5)：70-72.

[2] 武新偉，李俊. 超音速脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].能源與節(jié)能，2014，(4)：20-21.