楊波 張淑琴 鄭銳

（中國石化集團(tuán)西北石油局，新疆 烏魯木齊 830011）

超音速分離器在單井天然氣脫水脫烴中的應(yīng)用

楊波 張淑琴 鄭銳

（中國石化集團(tuán)西北石油局，新疆 烏魯木齊 830011）

針對塔河油田邊遠(yuǎn)單井遠(yuǎn)離集輸管網(wǎng)，其天然氣脫水脫烴難度大的問題，在某單井應(yīng)用了超音速分離器技術(shù)進(jìn)行天然氣的脫水脫烴。介紹了超音速分離器技術(shù)的基本原理和超音速分離器中渦流管的組成結(jié)構(gòu)，以及超音速分離器撬裝裝置應(yīng)用于某單井天然氣脫水脫烴的運行情況，分析了其脫水脫烴工藝在技術(shù)、效率、能耗及經(jīng)濟(jì)效益方面較常規(guī)方式所具有的優(yōu)勢，以及運行中存在的不足。

超音速分離器 天然氣脫水 脫烴 渦流管 能耗

0 引言

超音速分離器（SuperSonicSeparator，以下簡稱“3S”）是基于天然氣旋流在超音速渦流管內(nèi)絕熱膨脹降溫，以分離天然氣中的水分和液烴組分的新型高效設(shè)備。3S與傳統(tǒng)的油氣田脫水、脫烴設(shè)備相比，具有設(shè)備簡單、節(jié)能、環(huán)保、安全性高等優(yōu)點。目前，3S技術(shù)可用于單井天然氣的脫水、脫烴作業(yè)。3S沒有大的轉(zhuǎn)動部件和化學(xué)處理系統(tǒng)［1］，日常維護(hù)較少，允許在苛刻的環(huán)境中運轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)無人職守。筆者擬就利用3S技術(shù)進(jìn)行天然氣的脫水、脫烴作業(yè)作一介紹分析。

1 3S的基本原理和結(jié)構(gòu)

1.1 基本原理

3S利用天然氣在達(dá)到超音速流動的狀態(tài)下，低溫冷凝出液態(tài)水的現(xiàn)象進(jìn)行脫水，是一種將透平膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)功能集于一體的裝置，具有占地面積小、無任何旋轉(zhuǎn)部件、不需外部能源動力的特點，分離過程中加注乙二醇達(dá)到最佳的脫水效果，盡量避免環(huán)境污染［2－3］。

1.2 結(jié)構(gòu)

3S由收縮段、喉部、擴(kuò)張段、分離段和擴(kuò)壓段5部分組成，多組分介質(zhì)氣體在一定的進(jìn)、出口壓差作用下會形成氣流。它通過合理組織氣流的節(jié)流、膨脹、分離、復(fù)壓等熱力過程，可在極短時間內(nèi)實現(xiàn)壓力能與動能的相互轉(zhuǎn)換，從而獲得其狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度、流速、密度）的急劇變化，達(dá)到分離（液化）其不同組分的效果，圖1為3S結(jié)構(gòu)圖。

圖1 3S結(jié)構(gòu)示意圖

2 3S在某單井天然氣脫水脫烴中的應(yīng)用

2.1 單井運行情況

某單井3S撬裝裝置投入運行時間為2012年10月10日；進(jìn)站壓力為2.0～2.2MPa；進(jìn)站溫度低于30℃；氣體處理量為（6～15）×104m3／d（0.1MPa、20℃），根據(jù)處理量現(xiàn)場乙二醇的加注量為（6～8）

L／h。分離出的污水排放至污水罐，由罐車?yán)\至污水處理廠統(tǒng)一進(jìn)行處理?，F(xiàn)場撬裝處理工藝流程見圖2。

圖2 某單井3S撬裝天然氣脫水脫烴工藝流程圖

1）氣相流程：原料氣首先進(jìn)入裝置預(yù)冷器將其預(yù)冷至溫度15℃以下，接著進(jìn)入預(yù)冷分離器進(jìn)行氣液兩相分離；分離出的氣相再進(jìn)入后冷器作進(jìn)一步降溫至-10℃以下，并經(jīng)后冷分離器進(jìn)行氣液兩相分離；兩次降溫分離后的原料氣直接進(jìn)入高速渦旋分離噴管（GWF）；被脫除水、烴的干氣分別進(jìn)入后冷器和預(yù)冷器進(jìn)行冷量利用。被預(yù)冷器復(fù)熱后產(chǎn)品氣直接進(jìn)入管網(wǎng)或下一個增壓站，復(fù)熱后的濕氣返回原料氣進(jìn)口進(jìn)入裝置被再次處理。

2）液相流程：裝置內(nèi)所有分離設(shè)備所分離出的水烴混合液，均進(jìn)入油水兩相分離器將水和液烴分離后，液烴引入混烴儲罐，水排放至污水罐。根據(jù)此單井撬裝裝置工藝設(shè)計，表1為處理量15×104m3／d的物料平衡表，對比現(xiàn)場天然氣處理量接近15×104m3／d時與物料平衡表參數(shù)的誤差不大。

表1 處理量15×104m3／d的物料平衡表

2.2 3S脫水脫烴工藝的優(yōu)勢

1）易撬裝化，占地面積小。目前脫水脫烴全部集中在兩個撬上，絕大部分管線集中在撬上，在工廠完成預(yù)制；處理量15×104m3／d的3S裝置僅需1500m2場地，而油氣田常規(guī)技術(shù)需要12000m2場地。

2）降低投資、提高收益。3S裝置投資總額為950萬元，與其他配套設(shè)施的總投資為3300萬元，單井運營費用含135萬元人工費、88萬元設(shè)備檢維修費用、50萬元材料費以及720萬元動力費。投資成本比常規(guī)方式節(jié)約10%以上。按照混烴日產(chǎn)量8t、單價4500元／t，天然氣日產(chǎn)量18×104m3、單價0.88元／m3及稅率13%進(jìn)行計算，油氣田的年（340d）利潤金額為1697萬元。

3）效率高。3S渦流管中的降壓、降溫、增速過程，以及發(fā)生在渦流管擴(kuò)散器的減速、升壓、升溫過程，都是氣體內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換，不存在能量的消耗和損失。因此，3S不僅比等焓節(jié)流膨脹制冷的J-T閥效率高，而且也比等熵節(jié)流膨脹的膨脹機(jī)效率高。在裝置后冷卻器溫度相同的情況下，3S具有更高的C3+回收率。在后冷器溫度為-10℃時，3S比J-T閥的C3+回收率高約30%，比膨脹機(jī)的C3+回收率高約9%；在后冷器的溫度為-30℃時，3S的C3+回收率比J-T閥和膨脹機(jī)分別高約20%和7%。

4）能耗低。在天然氣凝液（NGL）回收率相同的情況下，使用3S與使用J-T閥相比，3S可減少能耗50%～70%；用3S替代膨脹機(jī)可減少壓縮功耗15%～20%。特別是當(dāng)膨脹機(jī)由于技術(shù)原因（諸如進(jìn)口壓力太高），或在使用膨脹機(jī)不經(jīng)濟(jì)的場合下，能以更低的溫度回收相同數(shù)量天然氣中的混烴，使用3S可降低膨脹率，即降低壓縮成本［4］。

3S分離天然氣中的水分和NGL也是通過降低天然氣自身的壓力，從而降低天然氣的溫度來實現(xiàn)的，但是由于天然氣在擴(kuò)散器內(nèi)的壓力回升，使3S設(shè)備的進(jìn)出口壓差遠(yuǎn)小于超音速噴管的壓差。因

此，3S與傳統(tǒng)的J-T閥和膨脹機(jī)制冷分離設(shè)備相比，在相同的壓差情況下，3S可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降。

2.3 單井運行中的缺陷分析

天然氣從井口到用戶是壓力逐步降低的過程，在壓力降低過程中，利用3S可以獲得大量的冷量和熱量，并獲得干燥的天然氣［5］。但此單井在天然氣回收和處理過程中存在兩方面的技術(shù)缺陷：

1）3S的流量適應(yīng)問題。3S應(yīng)用過程中最主要的問題是流量范圍較窄，需要在工藝過程中予以平衡，才能實現(xiàn)實現(xiàn)更寬的流量范圍。以15×104m3／d處理量的3S裝置為例：①日處理量5×104m3：天然氣進(jìn)渦流管旁通，主要制冷以輔助制冷系統(tǒng)（冰機(jī)）為主要的制冷單元；②日處理10×104m3：少于額定量從后端打回流，使日處理量達(dá)到15×104m3；③日處理大于15×104m3：主要是提高3S的進(jìn)口壓力進(jìn)行平衡。

2）抑制劑的回收問題。原設(shè)計15×104m3／d處理量的裝置，抑制劑的用量是50kg／d，實際后期用量是200kg／d，不回收全年抑制劑費用為80萬元；如采用抑制劑回收，可降低抑制劑的成本。

3 結(jié)束語

采用3S技術(shù)應(yīng)用在塔河油氣田某邊遠(yuǎn)單井天然氣回收中，裝置運行平穩(wěn)，提高混烴回收率。該技術(shù)方案具有簡單易行、投資小、效益大和可操作性強(qiáng)等優(yōu)點，解決了邊遠(yuǎn)單井天然氣脫水脫烴存在的一系列技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量以及混烴回收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，在今后邊遠(yuǎn)單井天然氣回收中可進(jìn)行一定推廣。

［1］宋輝，張新軍，汪長永，等.天然氣超音速脫水試驗研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2009，24（1）：50-53.

［2］趙鐵鋒.一種新型超音速分離裝置［J］.天然氣與石油，2002，20（3）：11-12.

［3］何策，程雁，額日其太.天然氣超音速脫水技術(shù)評析［J］.石油機(jī)械，2006，34（5）：70-73.

［4］沈杰，席旺.渦流管的原理及在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.煤氣與熱力，2011，31（2）：37-42.

［5］徐正斌.渦流管技術(shù)在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景［J］.油氣儲運，2009，28（1）：41-43.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2014）05-0040-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.012

修訂回稿日期：2014－09－23

楊波（1981－），工程師，從事天然氣集輸、混烴銷售管理工作。E-mail：yb919@qq.com。