靜玉曉、衣華磊、劉云

（中海油研究總院有限責(zé)任公司北京 100028）

在深水氣田開發(fā)中，長(zhǎng)距離回接管道常處于高壓低溫的輸送條件，易生成水合物，造成管線堵塞，帶來(lái)嚴(yán)重的生產(chǎn)問題，水合物防治方案必不可少。因可以實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)利用，目前大規(guī)模應(yīng)用較多的水合物抑制劑是乙二醇（MEG，Mono Ethylene Glycol）[1]。

從功能設(shè)置上來(lái)說(shuō)，乙二醇處理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于再生和回收（即“脫鹽”）單元，再生單元完成乙二醇富液至貧液的處理過(guò)程，即液液分離，回收單元完成鹽分（鎂、鈉、鈣等離子）的脫除，即液固分離[2]。常規(guī)的乙二醇再生工藝從原理上分析，與三甘醇脫水再生過(guò)程無(wú)本質(zhì)區(qū)別[3]，國(guó)內(nèi)已有不少研究成果[4～7]。乙二醇裝置的核心在于其脫鹽過(guò)程，即液固分離技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)的乙二醇再生及回收裝置多由NOV、CAMERON、PROSERNAT等國(guó)外廠商把控，總體來(lái)說(shuō)，負(fù)壓閃蒸汽化脫鹽技術(shù)仍是目前工業(yè)應(yīng)用的主流，其源自一項(xiàng)專利技術(shù)并在2004年進(jìn)行了升級(jí)[8,9]。近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該技術(shù)的研究逐漸增多和深入[10,11]，但仍有必要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的分析以期進(jìn)一步開拓設(shè)計(jì)思路。

本文針對(duì)陵水17-2浮式平臺(tái)上的乙二醇再生及回收系統(tǒng)，從整體處理及儲(chǔ)存流程和成撬原則等角度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，探討如何實(shí)現(xiàn)能量利用的最大化和操作的靈活可靠性，同時(shí)達(dá)到控制重量的目的；此外將對(duì)脫鹽比例、貧乙二醇循環(huán)比等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析以期指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和操作。

1 乙二醇再生及回收系統(tǒng)處理流程分析

1.1 工藝流程類型及選擇

根據(jù)再生、回收單元在總體流程中的先后順序，乙二醇再生及回收工藝流程衍生出了不同的處理方案，主要包括全脫鹽和半脫鹽流程，其典型框圖如圖1所示。

圖1 乙二醇再生及回收典型流程示意

陵水17-2項(xiàng)目地層水的組分如表1所示，其二價(jià)陽(yáng)離子含量較低，且生產(chǎn)初期大部分水為凝結(jié)水，進(jìn)入生產(chǎn)流程的離子含量總體不高，結(jié)合國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，貧乙二醇中允許含有一定量的鹽分（一般不大于30g/L[11]），因此半脫鹽流程是一個(gè)可行的選擇。

表1 陵水17-2氣田地層水組分

1.2 工藝流程分析

目前國(guó)內(nèi)海上在運(yùn)行的乙二醇再生及回收系統(tǒng)，熱負(fù)荷需求量較大[12]，而各種產(chǎn)品，如貧乙二醇、冷凝水等，有較大的冷卻負(fù)荷需求。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)冷熱量的充分利用，是降本增效的有效途徑。在陵水17-2項(xiàng)目中，乙二醇再生及回收初始流程如圖2所示，乙二醇來(lái)液溫度為40℃，流量為2517kgmole/h，乙二醇富液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53%，乙二醇貧液溫度為65℃，再生塔的操作溫度為157.8℃，塔頂水溫度為95℃，除了設(shè)置換熱器1和換熱器2用于系統(tǒng)內(nèi)部熱量利用，可以選擇將再生塔頂?shù)母邷啬Y(jié)水用于加熱工藝處理流程中的其它介質(zhì)，如油處理系統(tǒng)中的低溫油。而由于再生塔底出來(lái)的乙二醇貧液經(jīng)換熱器2后溫度為70℃左右，且僅有一部分進(jìn)入換熱器1，不足以將閃蒸罐的操作溫度提升到推薦操作值（約60℃），需要再設(shè)置加熱器1。

圖2 乙二醇再生及回收初始設(shè)計(jì)流程

為了減少設(shè)備數(shù)量、降低能耗，考慮將塔頂水的熱量在乙二醇再生系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)利用，如圖3所示，將塔頂水作為換熱器1的熱源輸入，可以將乙二醇富液的溫度提升到60℃以上，兩種流程的負(fù)荷對(duì)比如表2所示。

圖3 乙二醇再生及回收調(diào)整后設(shè)計(jì)流程

表2 乙二醇再生及回收流程調(diào)整前后負(fù)荷對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，流程調(diào)整后，節(jié)省一臺(tái)加熱器，需適當(dāng)增大換熱器1的換熱面積，且其它換熱器/加熱器的負(fù)荷均有不同程度地降低，實(shí)現(xiàn)了熱量的深度利用。此外，采用優(yōu)化后的流程，避免了塔頂水與油處理系統(tǒng)的交叉，一定程度上降低了介質(zhì)互竄風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)初始啟動(dòng)階段如閃蒸罐無(wú)法迅速達(dá)到推薦的操作溫度，導(dǎo)致脫烴效果在某段時(shí)間內(nèi)不佳，建議加強(qiáng)對(duì)MEG及塔頂水含油量的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可臨時(shí)將物流接入不合格乙二醇罐。

此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)海上在運(yùn)行乙二醇再生及回收系統(tǒng)的調(diào)研結(jié)果，部分裝置因乙二醇富液含有大量雜質(zhì)，造成再生/脫鹽單元內(nèi)加/換熱器等堵塞，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，在兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)增設(shè)了過(guò)濾器。一處在段塞流捕集器液相出口，即圖3中乙二醇富液的上游位置，另一處在圖3中閃蒸罐的液相出口位置，兩處過(guò)濾器均設(shè)有備用，最大限度保證乙二醇處理系統(tǒng)的潔凈狀態(tài)。

2 脫鹽單元關(guān)鍵參數(shù)

2.1 脫鹽比例

圖4為乙二醇在氣田處理流程中的循環(huán)示意，1號(hào)物流為來(lái)自深水海管的乙二醇富液，經(jīng)過(guò)再生單元后，一股物流進(jìn)入回收單元脫除鹽分，另一股物流直接去往回收單元出口，與脫鹽后的貧乙二醇混合，回注到水下井口，如前文所述，貧乙二醇（即圖4中的2號(hào)物流）中的含鹽量一般不超過(guò)30g/L，那么進(jìn)入乙二醇回收單元的物流（即圖4中的5號(hào)物流）比例將成為關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 乙二醇在處理流程中的循環(huán)示意圖

采用反向推導(dǎo)思路，1號(hào)物流包含了原始地層水和2號(hào)物流帶去的水，假設(shè)2號(hào)物流的含鹽量始終控制在30g/L，而1號(hào)物流中地層水不含鹽分的話，則整個(gè)系統(tǒng)將處于平衡狀態(tài)，不需要脫鹽處理。因此只需將1號(hào)物流中鹽分脫出，系統(tǒng)含鹽量就將維持到30g/L，表3為具體推算表格，表中：

表3 脫鹽比例計(jì)算表

A列：配產(chǎn)氣量；

B列：配產(chǎn)水量；

C列：凝結(jié)水量，C=A*0.05*1000/24，0.05為水汽比m3/104Sm3；

D列：地層水量，D=B-C；

E列：地層水中含鹽量，E=D*27.785；

F列：貧乙二醇注入量；

G列：貧乙二醇含鹽量，G=F*30；

H列：進(jìn)入流程的總鹽量，H=E+G；

I列：回收單元入口鹽濃度，I=H/F；

J列：需要進(jìn)入回收單元的流量，J=（H-G）/I；

K列：分流脫鹽比例。

由表中數(shù)據(jù)可知，分流脫鹽的比例無(wú)需固定在某一數(shù)值，可以根據(jù)產(chǎn)量、生產(chǎn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)等，完成計(jì)算分析并定期調(diào)節(jié)，在達(dá)到處理指標(biāo)的同時(shí)，盡量節(jié)約能耗。

2.2 貧乙二醇循環(huán)比

如圖3所示，乙二醇脫鹽單元設(shè)有循環(huán)回路，從脫鹽罐底部引出貧乙二醇物流，將其加熱后送至脫鹽罐入口，循環(huán)回路流速一般＞3m/s，以避免鹽晶粒和固體雜質(zhì)在管路中積聚。為了滿足該流速條件，不同貧乙二醇循環(huán)比所需要的管路尺寸如表4所示。圖5展示了貧乙二醇設(shè)置不同的溫升條件時(shí)，貧乙二醇循環(huán)比與加熱器負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其趨勢(shì)和規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論具有相似性[11]。

從圖5中可以看出，當(dāng)采用較大的循環(huán)比時(shí)，可在一定程度上降低加熱器負(fù)荷，但由表4中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)循環(huán)比超過(guò)47以后，循環(huán)管路尺寸會(huì)有明顯的躍升，綜合考慮管路、閥門投資及加熱器負(fù)荷，建議貧乙二醇的循環(huán)比在30～45:1之間選擇。

圖5 貧乙二醇循環(huán)比與熱負(fù)荷關(guān)系圖

表4 不同貧乙二醇循環(huán)比需要的管路尺寸

3 乙二醇儲(chǔ)存設(shè)計(jì)分析

在初始啟動(dòng)、清管等特殊工況下，浮式平臺(tái)上會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)接收不到足量乙二醇富液的情況，貧乙二醇再生裝置的產(chǎn)出量不滿足生產(chǎn)注入需求，這就需要在平臺(tái)上設(shè)計(jì)一定的貧乙二醇儲(chǔ)存量，具體需要考慮以下因素：①平臺(tái)上部組塊能提供的面積；②浮體結(jié)構(gòu)能夠提供的艙容；③特殊工況下深水海管的液相平衡時(shí)間；④供應(yīng)/支持船到達(dá)平臺(tái)的最短時(shí)間。另外，當(dāng)乙二醇再生裝置出現(xiàn)短時(shí)故障時(shí)，需要考慮儲(chǔ)存來(lái)自深水海管的富乙二醇，以維持氣田正常生產(chǎn)。

當(dāng)儲(chǔ)存容積需求較大時(shí)，僅依靠甲板布置儲(chǔ)罐代價(jià)較大，例如在荔灣3-1項(xiàng)目中，采用導(dǎo)管架樁腿儲(chǔ)存貧/富乙二醇[13]。為了盡量減輕深水浮式平臺(tái)上部組塊的重量，選擇在其船體內(nèi)為貧/富乙二醇設(shè)置儲(chǔ)存艙。初始啟動(dòng)工況下深水海管達(dá)到氣液平衡的時(shí)間約為35小時(shí)，在此時(shí)間段內(nèi)，平臺(tái)接收不到乙二醇富液，需要持續(xù)向水下注入貧乙二醇，以此作為貧乙二醇的自持時(shí)長(zhǎng)，可以涵蓋供應(yīng)船的應(yīng)急到達(dá)時(shí)間（小于24小時(shí)），據(jù)此計(jì)算，貧乙二醇艙的容積至少需要約924m3。

陵水17-2氣田項(xiàng)目的乙二醇再生裝置采用雙系列，考慮其一個(gè)再生系列出現(xiàn)故障，乙二醇的富液接收及貧液產(chǎn)出將出現(xiàn)缺口，需要利用富乙二醇艙接收多余的富乙二醇，同時(shí)由貧乙二醇艙彌補(bǔ)水下井口注入量缺口，根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，乙二醇再生系統(tǒng)單系列故障時(shí)間建議取12～18小時(shí)，據(jù)此計(jì)算，富乙二醇艙的容積至少需要約468～585m3。

結(jié)合船體艙室劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)2個(gè)貧乙二醇艙，單艙容積700m3，設(shè)1個(gè)富乙二醇艙，單艙容積700m3，便于對(duì)稱布置。

4 乙二醇再生及回收系統(tǒng)成撬設(shè)計(jì)分析

從國(guó)內(nèi)外海上氣田乙二醇再生及回收裝置的供貨情況來(lái)看，一般都是整體成撬供應(yīng)，這樣可以提高系統(tǒng)的完整性、降低連接調(diào)試的難度和工作量，但同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)支撐用鋼量。表5為陵水17-2項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段某供技術(shù)廠商提供的撬塊重控表格，結(jié)構(gòu)重占比接近50%。

表5 某廠商乙二醇再生及回收撬塊重控?cái)?shù)據(jù)

為了控制整個(gè)撬塊的重量和面積，可以將部分設(shè)備從撬內(nèi)移出來(lái)，直接放在平臺(tái)主甲板上。例如乙二醇閃蒸罐、貧乙二醇冷卻器等“非關(guān)鍵功能”設(shè)備，其重量總共有13噸，如果從撬內(nèi)移出，可以節(jié)省約20噸撬塊支撐鋼材。

5 結(jié)論與建議

（1）乙二醇再生及回收工藝流程是非標(biāo)準(zhǔn)化的，本文通過(guò)對(duì)整體流程的分析，合理利用系統(tǒng)內(nèi)能量，節(jié)省了一臺(tái)加熱器；脫鹽比例可以根據(jù)產(chǎn)量情況、生產(chǎn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)等完成計(jì)算分析并定期調(diào)節(jié)，貧乙二醇的循環(huán)比可在30～45:1之間選擇。

（2）在浮式平臺(tái)上，可在浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置貧富乙二醇儲(chǔ)存艙，貧乙二醇的儲(chǔ)存容積應(yīng)涵蓋深水管線氣液平衡時(shí)間和供應(yīng)船的應(yīng)急到達(dá)時(shí)間，同時(shí)建議按照乙二醇裝置單系列故障12～18小時(shí)確定富乙二醇的儲(chǔ)存容積。

（3）基于平臺(tái)減重目標(biāo)，可以把非核心設(shè)備等移出乙二醇裝置的整撬供貨范圍，并基于該理念逐步提升國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)水平。

（4）隨著更多的深水氣田進(jìn)入開發(fā)階段，乙二醇作為深水氣田流動(dòng)安全的重要保障，其再生及回收單元的設(shè)計(jì)也將面臨更多的挑戰(zhàn)，本文對(duì)于熱量利用、艙室儲(chǔ)存、成撬策略等問題的分析，為提高國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)能力、打破國(guó)外技術(shù)壁壘提供了新的思路。