喬勝勇，張海兵，胡忠良

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

0 引 言

射流器基于文丘里效應(yīng)，文丘里效應(yīng)(也稱文氏效應(yīng))以其發(fā)現(xiàn)者，意大利物理學(xué)家文丘里(Giovanni Battista Venturi)命名。射流器的工作原理是加速高壓氣流(動(dòng)力)通過噴嘴將壓力能量轉(zhuǎn)化為速度。在速度最高的噴嘴尖端周圍會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，這通常被稱為射流器的吸入室。如果該區(qū)域的壓力低于與射流器側(cè)入口或“吸入支管”相連的吸入流體的壓力，則吸入流體將被吸入射流器的主體。然后，兩股流體流過射流器的擴(kuò)散器部分，在該部分由于幾何形狀的分散，速度降低，壓力恢復(fù)。重要的是，低壓吸入流經(jīng)歷壓力增加/壓縮，而動(dòng)力流看到壓力下降，這是因?yàn)樗囊恍┠芰恳驯挥糜趯?duì)吸入流“做功”。因此，產(chǎn)生的排放壓力介于動(dòng)力壓力和吸入壓力之間[1]。射流器廣泛應(yīng)用于石油和天然氣行業(yè)，可以被有效地用于氣體壓縮、流體混合和液體泵送任務(wù)。射流器在海上油田也有部分設(shè)備使用，如惰氣系統(tǒng)的用以除塵的文丘里洗滌器、低壓氣回收系統(tǒng)的射流裝置、泵倉(cāng)的射流泵、部分污水系統(tǒng)加藥用的加藥泵等。

1 文丘里射流器在海上油田的應(yīng)用介紹

1.1 氣體射流器——用高壓氣體帶低壓氣體

目前部分海上油氣田的設(shè)施用射流器回收生產(chǎn)系統(tǒng)中的低壓伴生氣，一般是將來自壓縮機(jī)的高壓氣體用于驅(qū)動(dòng)射流器，再與來自低壓分離器的低壓氣體在射流器混合，使得低壓分離器氣體壓力提升，見圖1。射流器出口壓力在設(shè)計(jì)條件下達(dá)到第二級(jí)壓縮機(jī)的入口壓力，從而完全取消需要昂貴費(fèi)用的機(jī)械式的一級(jí)壓縮機(jī)。類似的技術(shù)也可以應(yīng)用于吸入氣體壓力低于壓縮機(jī)最小入口壓力。射流器可以作為增壓壓縮機(jī)以確保達(dá)到吸入壓力。射流器可以用來取代現(xiàn)有的機(jī)械壓縮機(jī)，由于無需維護(hù)，這種方法整體投入較低且?guī)缀鯖]有運(yùn)營(yíng)成本，回收后的低壓伴生氣可以作為耗氣設(shè)備的燃料或者直接通過官網(wǎng)外輸銷售，同時(shí)減少火炬排放、大氣污染，天然氣得到回收再利用，有利于社會(huì)民生。

圖1 射流回收流程 Fig.1 Jet recovery process

其特點(diǎn)有：靜設(shè)備，無活動(dòng)部件；無需專人操作和后期維護(hù)，噴嘴壽命可達(dá)數(shù)年，節(jié)省大量操作維護(hù)費(fèi)用；回收壓縮機(jī)回流高壓氣能量，節(jié)能降耗環(huán)保[1]；浪費(fèi)能源再利用；性能參數(shù)易于變更，以適應(yīng)不斷變化的工藝條件；結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；易于安裝，工作量小，易于控制；重量輕，占地面積小，更加適用于老平臺(tái)改造；投資少(約為壓縮機(jī)項(xiàng)目的1/3～1/4)，回報(bào)周期短；改造工程量小，主要是管線改造及控制回路優(yōu)化變更，施工安全風(fēng)險(xiǎn)降低，而且對(duì)平臺(tái)消防安全設(shè)計(jì)沒有影響[2]；經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于同類型的壓縮機(jī)增壓技術(shù)。

1.2 液體射流器——用高壓液體帶灰塵或低壓氣體

海上FPSO為降低貨油艙內(nèi)的氧氣含量并保持倉(cāng)內(nèi)正壓狀態(tài)，船上設(shè)有惰氣系統(tǒng)，惰氣可以驅(qū)走貨油艙內(nèi)原有的空氣，使艙內(nèi)氣體含氧量降低到符合要求，從而保護(hù)貨油艙及周圍壓載水倉(cāng)。惰氣通常由惰氣系統(tǒng)的燃燒裝置燃燒柴油或?qū)ζ渌O(shè)備的燃燒尾氣進(jìn)行二次燃燒來獲得，此部分氣體含有一定的煙塵，在進(jìn)入貨油艙之前需要進(jìn)行除塵處理。海上惰氣系統(tǒng)一般使用文丘里洗滌器進(jìn)行除塵處理，見圖2。惰氣系統(tǒng)使用的文丘里洗滌器主要由文丘里管(有收縮管、喉管和擴(kuò)散管3部分)和旋風(fēng)分離器組成。含煙塵氣體進(jìn)入收縮管，流速沿管逐漸增大；水或其他液體由喉管處噴入，被高速氣流撞擊而霧化，氣體中的塵粒與液滴接觸而被潤(rùn)濕；進(jìn)入擴(kuò)大管后流速逐漸減小，塵?；ハ囵ず?，使其顆粒增大易于除去；最后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，由于離心力的作用，水與潤(rùn)濕的塵粒被拋至分離器的內(nèi)壁上并向下流出器外，凈制后的氣體則由分離器的中央管排出。文丘里洗滌器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除塵效率高[3]。

圖2 文丘里除塵 Fig.2 Venturi dust removal

其特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，占地少，價(jià)格低；既可用于高溫?zé)煔饨禍?，高溫、高濕和易燃?xì)怏w的凈化，也可以凈化含有微米和亞微米粉塵及易于被洗滌液吸收的有毒有害氣體，如二氧化硫、氯化氫、硫酸等。

1.3 用高壓液體帶低壓液體

部分FPSO透平發(fā)電機(jī)在艏傾嚴(yán)重時(shí)軸承潤(rùn)滑油回流不順，利用高速滑油經(jīng)過射流器結(jié)構(gòu)在噴嘴附近形成低壓區(qū)，引導(dǎo)軸承腔室滑油回流到油箱。

1.4 其他

海上某些自動(dòng)加藥裝置使用射流器使得藥劑與水充分混合霧化后注入配藥管道。

2 射流回收低壓氣通常的控制方式

低壓氣或火炬氣的流速發(fā)生變化，如果不加以控制，這部分氣體的吸入壓力也會(huì)發(fā)生變化，這種情況需要采取多種控制策略進(jìn)行解決。

通常由低壓氣入口的壓力控制高壓氣，如有需要?jiǎng)t在中壓氣出口增加回流來調(diào)節(jié)低壓氣的入口壓力，見圖3。

圖3 射流器控制簡(jiǎn)圖 Fig.3 Jet control diagram

圖3為某海上油田使用射流器對(duì)平臺(tái)的五路低壓氣進(jìn)行回收的示意圖，通過安裝在低壓氣入口總管上的PIT壓力變送器控制射流器高壓氣控制器的開度，從而達(dá)到穩(wěn)定回收低壓氣的目的。

3 成功應(yīng)用案例

上文提到的方案已經(jīng)成功應(yīng)用在多個(gè)海上油田，回收效果良好，工作穩(wěn)定。

應(yīng)用項(xiàng)目一：將某海上油田的一處二級(jí)分離器50kPaG低壓氣成功增壓至200kPaG，送達(dá)下游壓縮機(jī)入口，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后供油田燃?xì)馔钙绞褂脕碓黾影l(fā)電量。此應(yīng)用不僅為油田帶來了一定經(jīng)濟(jì)收入，也在節(jié)能減排上取得了突破，平臺(tái)原二級(jí)分離器處的放空閥門基本關(guān)閉。

應(yīng)用項(xiàng)目二：將某海上油田設(shè)施5處二級(jí)分離器60kPaG的低壓氣成功增壓至200kPaG，送至下游壓縮機(jī)入口，該平臺(tái)原4處二級(jí)分離器及1處原油緩沖罐的放空閥門基本關(guān)閉。

需要注意的是，在冬季運(yùn)行時(shí)經(jīng)過射流器的氣體在降溫降壓后的穩(wěn)定運(yùn)行問題，低溫高壓氣與高溫低壓氣混合后溫度不能達(dá)到射流器的穩(wěn)定運(yùn)行溫度，一般高壓氣應(yīng)選用溫度較高的接入點(diǎn)，以免因冬季降溫、降壓后影響使用效果。

4 未來應(yīng)用前景

4.1 高壓氣體回收火炬放空氣

海上生產(chǎn)設(shè)施根據(jù)工藝要求和各現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)施的可用性可采用多種方式配置射流器以回收火炬氣，見圖4。但需要確定以下幾點(diǎn)：最大火炬氣流量以確定射流器最大可回收量；經(jīng)過射流器增壓后的火炬氣要進(jìn)入生產(chǎn)流程的接入點(diǎn)，將決定射流器必須達(dá)到的排放壓力。由于工藝的季節(jié)性變化，可能影響到火炬的氣流量，這些都需要考慮，并確保采用適當(dāng)、有效的控制策略。控制策略對(duì)于海上油田火炬氣回收項(xiàng)目來說至關(guān)重要，因?yàn)樗婕盎鹁嫦到y(tǒng)的安全性，故需要在危險(xiǎn)與可操作性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究， 并評(píng)估其帶來的其他影響。

圖4 高壓氣回收火炬氣流程示意 Fig.4 Schematic diagram of high pressure gas recovery flare gas process

此種方式的優(yōu)點(diǎn)：用壓縮機(jī)的回流氣降低低壓分離器壓力，提高天然氣、石油、凝析油的產(chǎn)量；用壓縮機(jī)的回流氣進(jìn)行火炬氣回收；用壓縮機(jī)的回流氣取代低壓壓縮機(jī)并提高產(chǎn)量、消除瓶頸；較其他形式壓縮機(jī)回收來說，大幅降低了初始投入成本及后期維護(hù)成本，提高了效益。

需要注意的是射流裝置回收火炬氣的采用最好在油田設(shè)計(jì)初期就予以確定，這樣在各種設(shè)備及安裝裝置的設(shè)計(jì)選擇上不至于后期調(diào)整，避免帶來額外的工程量及不必要的費(fèi)用支出。

4.2 高壓液體增壓低壓氣

在海上油氣設(shè)施中，采出水、注入水、海水等高壓液體可用于驅(qū)動(dòng)射流器。如果現(xiàn)有液體流可用，但壓力低于射流器所需的壓力，則可通過添加增壓泵來提升壓力以驅(qū)動(dòng)射流器。高壓液體通常返回到流程，見圖5。未來具備條件的海上設(shè)施可以考慮采取這個(gè)方式進(jìn)行低壓氣體的增壓處理。

圖5 高壓液體增壓低壓氣體流程示意 Fig.5 Schematic diagram of high pressure liquid pressurizing low pressure gas

潛在的應(yīng)用場(chǎng)景：高壓水回收火炬氣；高壓水用于多項(xiàng)井提高產(chǎn)量；高壓氣用于回注二氧化碳，提升儲(chǔ)層壓力，提高采收率。

4.3 高壓氣井帶動(dòng)低壓氣井

來自高壓氣井的氣體可將低壓氣井中的氣體增壓到下游工藝條件需要的壓力，見圖6。

圖6 高壓氣井增產(chǎn)流程示意 Fig.6 Schematic diagram of stimulation process of high pressure gas well

優(yōu)點(diǎn)是安裝了射流器后可以最大限度地提高產(chǎn)量；施工時(shí)間短；射流器不需要維護(hù)，也不會(huì)產(chǎn)生排放；降低下游系統(tǒng)的壓力，從而降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)；通過安裝射流器甚至可以重新啟動(dòng)已經(jīng)關(guān)停的老井。

5 結(jié) 語

射流裝置為海上油氣田低壓天然氣回收再利用提供了一條壓縮機(jī)增壓技術(shù)之外的新途徑，同時(shí)，該技術(shù)還可應(yīng)用于低效天然氣井增產(chǎn)和利用射流器回收低壓氣及廢熱水、二氧化碳回注等，這些都是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召的有效技術(shù)措施，不僅經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)會(huì)帶來一定社會(huì)效益。未來隨著我國(guó)大型海上油氣田的發(fā)現(xiàn)及勘探開發(fā)，射流器將有可能在某些具備條件的海上油氣田成為第一級(jí)壓縮機(jī)，并提供比第一級(jí)壓縮機(jī)更低的進(jìn)口壓力處理能力，應(yīng)用空間廣泛。因此，在油氣田開發(fā)階段有針對(duì)性地對(duì)射流器增壓進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)是必要并有意義的。■