中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

大牛地氣田在開發(fā)初期，在集氣站采用高壓集氣、節(jié)流膨脹制冷、低溫分離脫水工藝，保障外輸氣質(zhì)達(dá)到要求[1]。隨著氣井壓力下降，站內(nèi)可利用節(jié)流壓差逐漸降低，脫水深度降低。通過在集氣站應(yīng)用小壓差節(jié)流脫水工藝，在一定時(shí)期內(nèi)可繼續(xù)保障集氣站脫水深度。但小壓差節(jié)流脫水工藝應(yīng)用效果受到多種因素影響，氣田生產(chǎn)中一般只進(jìn)行了定性分析。為實(shí)現(xiàn)對(duì)該工藝系統(tǒng)的定量分析及評(píng)價(jià)，總結(jié)了一項(xiàng)計(jì)算公式，可對(duì)該工藝系統(tǒng)的節(jié)流制冷溫降系數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，對(duì)該工藝的后續(xù)應(yīng)用及調(diào)整具有一定指導(dǎo)意義。

1 工藝原理

根據(jù)焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹原理，當(dāng)天然氣壓力為5 MPa 左右時(shí)，節(jié)流1 MPa，天然氣溫度降低約5 ℃[2]。大牛地氣田集氣站脫水流程如圖1 所示。將圖中由板翅式換熱器、二級(jí)節(jié)流、二級(jí)分離器組成的系統(tǒng)稱為小壓差節(jié)流脫水工藝系統(tǒng)。利用換熱器對(duì)冷量進(jìn)行回收，循環(huán)平衡之后，達(dá)到更低二級(jí)分離溫度，獲得小壓差大溫降的效果，節(jié)流溫降系數(shù)遠(yuǎn)高于5 ℃/MPa（溫降系數(shù)：每節(jié)流1 MPa天然氣溫度相對(duì)降低值）。

2010 年，大牛地氣田在10#集氣站開展了小壓差節(jié)流脫水工藝試驗(yàn)，控制0.5 MPa 的節(jié)流壓差，可使二級(jí)分離溫度由6.9 ℃降低至-8.2 ℃，脫水達(dá)標(biāo)。節(jié)流溫降系數(shù)由5.1 ℃/MPa提高到35.4 ℃/MPa。通過10#站的試驗(yàn)證明了小壓差節(jié)流脫水工藝的實(shí)用性。氣田先后在29 座集氣站推廣應(yīng)用該工藝，延緩了大牛地氣田安裝集中增壓以及外冷脫水設(shè)施的時(shí)間，總體降低了天然氣處理成本，應(yīng)用效果良好。

圖1 小壓差節(jié)流脫水工藝流程示意圖Fig.1 Process flow chart of small pressure difference throttle dehydration technology

2 定性評(píng)價(jià)方法

在大牛地氣田生產(chǎn)過程中，主要采用換熱效率η作為換熱器性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]記載，可用公式（1）對(duì)換熱器換熱量進(jìn)行估算，用公式（2）對(duì)換熱效率進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q為熱量，kW；m1，m2分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；Cp1，Cp2分別為熱、冷流體的定壓比熱，J/kg·℃；A為換熱器的總傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；F為換熱器的傳熱面積，m2；T熱進(jìn)、T冷進(jìn)、T冷出分別表示換熱器熱、冷流體進(jìn)出口溫度，℃。

η主要用于評(píng)價(jià)換熱器的換熱制冷效果，其為實(shí)際換熱熱流量與最大理論換熱熱流量的比值，同時(shí)也是冷熱流體中熱容量較低的流體的進(jìn)出口溫度差與冷熱流體進(jìn)口溫度差之比，表示換熱器中冷熱流體進(jìn)口溫度差的利用率[4]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過換熱效率η，可以對(duì)換熱器性能進(jìn)行定性分析。但該方法只能對(duì)換熱器本身進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有一定局限性。

在各個(gè)集氣站設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，換熱器、二級(jí)節(jié)流閥、埋地管線、分離器與土壤、大氣、保溫層等組成了一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。利用HYSYS、FLUENT 等軟件可以建立小壓差節(jié)流脫水工藝模型，并模擬計(jì)算相關(guān)參數(shù)[5]。但因?yàn)樵撓到y(tǒng)各組件之間的換熱系數(shù)難以測定，換熱器本身性能隨著生產(chǎn)進(jìn)行也發(fā)生變化，而且各站都是一個(gè)有差異性的系統(tǒng)，利用軟件進(jìn)行計(jì)算，需要參數(shù)多，測量及校核工作量較大。

3 定量評(píng)價(jià)方法

3.1 計(jì)算公式擬合

小壓差節(jié)流脫水工藝在各氣田應(yīng)用過程中，影響其效率的主要因素包括節(jié)流壓差[6]、天然氣流體溫度、氣體流量、換熱器[7-8]、環(huán)境溫度[9]、保溫條件、施工建設(shè)質(zhì)量等。

在對(duì)該工藝應(yīng)用的后評(píng)估過程中，以10#集氣站為目標(biāo)，分析了2011 年、2013 年的全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力據(jù)、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)），對(duì)單位節(jié)流壓差可產(chǎn)生的溫降程度進(jìn)行了擬合計(jì)算。為簡化計(jì)算，將圖1 中小壓差節(jié)流脫水工藝部分簡化為圖2 流程。將天然氣熱流進(jìn)入小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)之后的熱交換過程，總體簡化為兩步。天然氣進(jìn)站經(jīng)過一級(jí)分離脫水后，進(jìn)入二級(jí)分離，天然氣在換熱器進(jìn)口溫度為T熱進(jìn)，經(jīng)過與環(huán)境換熱后，再通過二級(jí)節(jié)流降溫（二級(jí)節(jié)流壓差Δp），換熱器擴(kuò)大溫降平衡后，最終在二級(jí)分離器內(nèi)達(dá)到的二級(jí)分離溫度為T分離。

針對(duì)小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)，以一級(jí)分離、二級(jí)分離溫差以及二級(jí)節(jié)流壓差定義小壓差脫水系統(tǒng)表觀溫降系數(shù)。

式中：K為表觀溫降系數(shù)（單位節(jié)流壓差條件下，天然氣流經(jīng)該系統(tǒng)后溫度降低程度），℃/MPa；T熱進(jìn)、T分離分別表示換熱器熱氣進(jìn)口溫度、二級(jí)分離溫度（等于換熱器冷氣進(jìn)口溫度），℃；Δp為節(jié)流壓差，MPa。

圖2 小壓差節(jié)流脫水工藝簡化示意圖Fig.2 Schematic diagram of small pressure difference throttle dehydration technology

表1 為2011 年10#集氣站小壓差脫水流程生產(chǎn)數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)為1 周數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算采用全年數(shù)據(jù)，受篇幅限制數(shù)據(jù)未全部詳列。對(duì)2011 年10#站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在節(jié)流壓差0.5 MPa 比較穩(wěn)定的情況下，受環(huán)境溫度影響，計(jì)算得到K值在15～50 ℃/MPa 之間。

根據(jù)集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度編寫公式（4）、公式（5）。進(jìn)入小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)的氣流，與環(huán)境發(fā)生換熱，溫度降低了ΔT1=m(T熱進(jìn)-T環(huán)境)；通過節(jié)流Δp壓差，產(chǎn)生降溫，再經(jīng)過換熱器擴(kuò)大溫降后，天然氣溫度降低值ΔT2=kΔp。

式中：m取值范圍為0＜m＜1，如m=0，表示小壓差脫水系統(tǒng)與環(huán)境不發(fā)生熱交換，如m=1，表示小壓差脫水系統(tǒng)與環(huán)境充分換熱，天然氣經(jīng)過換熱后與環(huán)境溫度相同；當(dāng)小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)絕熱，系統(tǒng)溫降系數(shù)定義為k（用于表示小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)），℃/MPa。

將2011 年全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入公式（5）求解計(jì)算，m=0.54，代入后求解k。k平均值為30.1 ℃/MPa，該值為10#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)。利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)及公式，可得到以下兩組表觀溫降系數(shù)(K)值。

實(shí)測值：

公式計(jì)算值：

圖3 中為330 組表觀溫降系數(shù)K的計(jì)算值與實(shí)測值。剔除部分相鄰生產(chǎn)日溫度、壓差急劇變化以及溫度記錄有誤的數(shù)據(jù)，公式計(jì)算值與實(shí)測值的平均相對(duì)誤差為8.5%，相對(duì)誤差大于10%的數(shù)據(jù)少于30 組。另外小壓差脫水系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)監(jiān)測采用精密水銀溫度計(jì)測量溫度，測量精度為±0.4 ℃。當(dāng)T熱進(jìn)-T環(huán)境≤±0.4 ℃可認(rèn)為與環(huán)境無換熱，此時(shí)計(jì)算的K值應(yīng)與k值相等，2011 年度，共得到12組樣本數(shù)T熱進(jìn)-T環(huán)境≤±0.4 ℃，K值均值為30.4 ℃/MPa，與前述計(jì)算k值30.1 ℃/MPa 相當(dāng)。10#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)溫降系數(shù)公式計(jì)算值與實(shí)測值結(jié)果較一致，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足天然氣集輸內(nèi)部生產(chǎn)分析需求。

圖3 2011 年10#集氣站溫降系數(shù)Fig.3 Temperature drop coefficient of No.10 Gas Gathering Station in 2011

表1 10#集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Production data of No.10 Gas Gathering Station

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，利用2011 年數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到的m、k值，對(duì)2013 年10#集氣站全年溫降系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測值對(duì)比，結(jié)果見圖4，公式計(jì)算值與實(shí)測值趨勢一致。

圖4 2013 年10#集氣站溫降系數(shù)Fig.4 Temperature drop coefficient of No.10 Gas Gathering Station in 2013

擬合公式（5）可在一定誤差范圍內(nèi)對(duì)小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)的性能進(jìn)行定量分析及評(píng)價(jià)。利用該公式可以對(duì)集氣站一級(jí)分離后，在一定壓差條件下的二級(jí)分離溫度進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算公式的應(yīng)用

根據(jù)擬合公式（5），對(duì)氣田其他集氣站進(jìn)行分析計(jì)算，得到2011 年、2013 年29 座集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k值及m值。2011年，29 座集氣站平均k值為30.7 ℃/MPa，其中9 座集氣站k值大于35 ℃/MPa，12 座集氣站k值在25～35 ℃/MPa 之間，8 座集氣站k值小于25 ℃/MPa。2013 年，k值平均值降低至26.4 ℃/MPa，只有1 座集氣站溫降系數(shù)大于35 ℃/MPa。根據(jù)分析，2011—2013 年，集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)性能發(fā)生了小幅下降。計(jì)算m值在0.3～0.6 之間，說明小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)與環(huán)境之間存在較為顯著的熱交換。當(dāng)節(jié)流壓差＜0.2 MPa 時(shí)，平均相對(duì)誤差增大至20%以上。結(jié)合集氣站工況以及計(jì)算公式的產(chǎn)生背景，目前該公式的適宜應(yīng)用條件應(yīng)包括節(jié)流壓差＞0.2 MPa、天然氣處理量＜50×104m3/d、換熱器結(jié)構(gòu)較簡單、生產(chǎn)工況平穩(wěn)等。

以2013 年各集氣站小壓差脫水系統(tǒng)溫降系數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)集中增壓初期，各集氣站脫水深度進(jìn)行分析。冬季工況，控制節(jié)流壓差為0.2 MPa 以上時(shí)，29 座集氣站均可以節(jié)流制冷脫水達(dá)標(biāo)。夏季工況，通過小壓差脫水系統(tǒng)后，大部分集氣站需要控制節(jié)流壓差達(dá)到0.5 MPa 時(shí)，才能滿足脫水要求，實(shí)際上只有10 座集氣站二級(jí)節(jié)流壓差能達(dá)到0.5 MPa。利用該公式指導(dǎo)，對(duì)部分m值大于0.5 的集氣站二級(jí)脫水流程進(jìn)行保溫處理，使夏季工況集氣站二級(jí)脫水溫度小幅降低。

通過公式計(jì)算，發(fā)現(xiàn)部分集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k連年下降，其中27#集氣站k值由最初的45 ℃/MPa 降低到22 ℃/MPa，降幅達(dá)到50%。檢測發(fā)現(xiàn)板翅式換熱器內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)垢及污濁現(xiàn)象，這是導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降的主要因素。由于換熱器是密閉集成設(shè)備，無法拆卸處理，通過采用藥劑對(duì)換熱器內(nèi)壁簡單沖洗后，排除大量油污及泡沫物質(zhì)。清洗后27#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k上升至28 ℃/MPa。

隨著氣井壓力的持續(xù)降低，在2013—2018年，大牛地氣田陸續(xù)實(shí)施了天然氣集中增壓工程、丙烷制冷集中脫水脫烴工程以及集氣站增壓工程。2018 年大牛地氣田各集氣站應(yīng)用了小站增壓外輸工藝，集氣站小壓差節(jié)流制冷脫水工藝逐漸全部停用。目前華北油氣分公司其他氣田區(qū)塊逐步進(jìn)入開發(fā)階段，可根據(jù)需求應(yīng)用小壓差節(jié)流脫水工藝，其他氣田在用的小壓差節(jié)流脫水工藝設(shè)施可參考大牛地氣田節(jié)流溫降擬合公式進(jìn)行效果分析及評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

小壓差節(jié)流脫水工藝系統(tǒng)在大牛地氣田天然氣處理過程中發(fā)揮了重要作用，可在其他氣田繼續(xù)應(yīng)用。根據(jù)集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的擬合公式，可簡便快捷地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該工藝系統(tǒng)與環(huán)境之間存在顯著換熱，換熱器性能對(duì)應(yīng)用效果影響較大，后續(xù)應(yīng)用中需要加強(qiáng)保溫、除垢等，并考慮優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)。