王治紅 吳明鷗 柳 海 張 鋒 曹洪貴 陶玉林

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 四川 成都 610500；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213；3.新疆油田分公司采氣一廠, 新疆 克拉瑪依 834000

克拉美麗氣田天然氣處理裝置工藝改造研究

王治紅1吳明鷗2柳 海3張 鋒3曹洪貴3陶玉林3

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 四川 成都 610500；2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213；3.新疆油田分公司采氣一廠, 新疆 克拉瑪依 834000

天然氣處理；節(jié)流；露點控制；丙烷制冷

0 前言

克拉美麗氣田天然氣處理廠位于準噶爾盆地腹部的東部地區(qū)。氣田開發(fā)初期按“新建設(shè)施優(yōu)化、已建設(shè)施簡化”的原則降低投資,處理裝置采用高壓注醇防凍、節(jié)流膨脹制冷、淺冷分離脫水脫烴的工藝,主要控制外輸氣的水露點和烴露點。但隨著氣田的進一步開發(fā),壓力和氣量遞減快,導(dǎo)致沒有足夠的節(jié)流差壓降溫,無法滿足水露點和烴露點控制要求,甚至部分低壓氣井所產(chǎn)天然氣無法進入處理裝置。同時,因氣井產(chǎn)水量的增加,導(dǎo)致乙二醇富液量增大,乙二醇再生塔負荷和能耗增加,再生裝置存在鹽析堵塞的問題。為此,需要對天然氣處理裝置進行工藝改造,提高裝置的適應(yīng)性和可靠性,以滿足外輸天然氣水露點和烴露點控制要求。

1 裝置現(xiàn)狀與存在的問題

1.1 裝置工藝流程

克拉美麗氣田天然氣處理工藝流程見圖1,包括天然氣處理、凝析油處理和乙二醇再生三部分。

來自集氣站的油氣混合物進入斷塞流捕集器,分離出大部分的凝析油和水,天然氣進入生產(chǎn)分離器,進一步分離氣體攜帶的凝析油和水,離開生產(chǎn)分離器的氣相經(jīng)注醇后進入氣-氣換熱器(纏繞式換熱器)預(yù)冷,然后再經(jīng)二次注醇節(jié)流后,與一級閃蒸分離器來的閃蒸氣以及經(jīng)富氣壓縮機增壓后的富氣混合,再進入低溫分離器進行氣液分離,離開低溫分離器的氣相與氣-氣換熱器、穩(wěn)定凝析油復(fù)熱后作為外輸氣。

離開斷塞流捕集器與生產(chǎn)分離器的液體經(jīng)一級閃蒸換熱器加熱后進入一級閃蒸分離器完成氣液分離,離開一級閃蒸分離器分出的氣相去低溫分離器,液相經(jīng)降壓后再進入二級閃蒸換熱器,進一步升溫后進二級閃蒸分離器完成油、氣、水三相分離,二級閃蒸分離器分出的氣相去富氣壓縮機,水相去乙二醇再生裝置,凝析油與液烴分離器來凝析油混合后進入凝析油緩沖罐,離開緩沖罐的氣相去富氣壓縮機,而液相進凝析油穩(wěn)定塔進行穩(wěn)定處理,穩(wěn)定塔塔頂富氣去富氣壓縮機,離開塔釜的穩(wěn)定凝析油經(jīng)過二級閃蒸換熱器、輕烴復(fù)熱器、氣-液換熱器順序換熱降溫后,進入穩(wěn)定凝析油儲罐。

1.段塞流捕集器；2.生產(chǎn)分離器；3.氣/氣換熱器；4.一級閃蒸分離；5.二級閃蒸分離；6.低溫分離器；7.凝析油穩(wěn)定塔；8.緩沖分離；9.液烴分離器；10.壓縮機入口分離器；11.輕烴復(fù)熱器；12.氣/液換熱器；13.二級加熱器圖1 克拉美麗氣田天然氣處理工藝流程

1.2 天然氣組成及處理裝置運行參數(shù)

1.2.1 天然氣組成

進入天然氣處理裝置的原料氣組分見表1。

表1 進裝置原料氣組成

名稱C1C2C3iC4nC4iC5組成x/(%)8287256792642079408560265名稱nC5C6C7+O2CO2N2組成x/(%)02040438049300102795467

1.2.2 處理裝置運行參數(shù)

隨著克拉美麗氣田的進一步開發(fā),天然氣進裝置氣量、壓力以及溫度等都發(fā)生了變化,偏離處理裝置設(shè)計值?？死利悮馓锾烊粴馓幚硌b置關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)見表2。

表2 處理裝置關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)

序號節(jié)點名稱設(shè)計參數(shù)實際參數(shù)1天然氣進裝置壓力/kPa900075002天然氣進裝置溫度/℃16263一級注醇量/(L·h-1)30384二級注醇量/(L·h-1)40445節(jié)流前壓力/kPa900074606節(jié)流前溫度/℃-5127節(jié)流后溫度/℃-17-368節(jié)流后壓力/kPa4000～500042609外輸干氣水露點/℃≤-10℃-3610外輸干氣烴露點/℃≤-10℃-3611液烴分離器溫度/℃25～304012液烴分離器壓力/kPa15001200

1.3 裝置存在的問題

根據(jù)表2可知:隨著克拉美麗氣田的開發(fā),天然氣進裝置壓力下降,天然氣進裝置溫度增高以及天然氣氣量不足等,導(dǎo)致處理裝置運行中存在諸多問題:

1)天然氣進裝置壓力下降,使節(jié)流膨脹沒有足夠壓差,節(jié)流后溫度升高,導(dǎo)致水露點和烴露點無法滿足外輸天然氣水露點和烴露點控制要求,天然氣進裝置的溫度為26 ℃、壓力對露點和節(jié)流溫差的影響見圖2。

圖2 天然氣進裝置壓力對露點和節(jié)流溫差的影響

由圖2可知,外輸氣的露點隨著天然氣進裝置壓力降低而升高。在目前天然氣進裝置的溫度為26 ℃時,當進裝置壓力下降到7 500 kPa時,外輸氣露點為-3 ℃左右,無法達到設(shè)計值-10 ℃。故現(xiàn)有裝置對壓力下降較快氣田的適應(yīng)性較差。

2)天然氣進裝置的溫度高于設(shè)計值16 ℃,造成天然氣預(yù)冷后的溫度升高,高于設(shè)計值；在天然氣裝置壓力 7 500 kPa 時,使用現(xiàn)有預(yù)冷氣換熱器,經(jīng)過計算機模擬,進裝置天然氣溫度變化對外輸天然氣水露點和烴露點的影響見圖3。

圖3 天然氣進裝置溫度對露點的影響

3)天然氣處理量下降明顯,偏離設(shè)計操作彈性范圍較大。

4)乙二醇再生裝置因水分蒸發(fā)導(dǎo)致重沸器鹽析堵塞現(xiàn)象嚴重。

因此“高壓注醇、節(jié)流膨脹制冷、淺冷分離脫水脫烴”天然氣處理工藝對天然氣進裝置的溫度和壓力適應(yīng)性較差,已經(jīng)無法滿足氣田進一步開發(fā)的需要。

2 處理裝置工藝改造方案

2.1 裝置總體改造方案

目前,克拉美麗氣田天然氣處理裝置的外輸氣露點受原料氣溫度、壓力等因素影響明顯,已經(jīng)無法滿足氣田進一步開發(fā)的需要。為增強天然氣處理裝置對克拉美麗氣田后期開發(fā)過程中的適應(yīng)性,提出“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝[2],見圖4。取消了注醇防凍系統(tǒng)和乙二醇再生系統(tǒng),增加了分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),對現(xiàn)裝置改動較小,可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備[3-5]。

圖4 克拉美麗氣田天然氣處理裝置改造方案示意圖

來自生產(chǎn)分離器的氣相進入分子篩吸附脫水,可使水露點降至-50 ℃以下,脫水后天然氣進入氣/氣換熱器預(yù)冷后再經(jīng)過J-T閥節(jié)流進一步降溫,然后再經(jīng)丙烷制冷系統(tǒng)補充冷量,使天然氣中重?zé)N盡可能冷凝下來,以保證烴露點,最后從低溫分離器出來的干氣經(jīng)過氣/氣換熱器回收冷量后外輸[6-8]。

2.1.1 分子篩干燥系統(tǒng)

分子篩干燥器選擇雙塔工藝,切換周期8 h,采用差壓再生工藝,其單塔循環(huán)為:加熱再生→冷吹→充壓→并流切換→吸附→卸壓后準備再生[9-15],切換步驟見表3。

對分子篩干燥器進行尺寸設(shè)計:處理量為150×104m3/d,選擇4 A型分子篩,分子篩平均直徑3.2 mm,分子篩堆積密度660 kg/m3。計算得到分子篩干燥器塔直徑1 800 mm,高度7 200 mm。

表3 干燥塔切換步驟

項目切換步驟所用時間吸附熱吹(再生)4h冷吹3h升壓25min并流切換切換10min泄壓(準備再生)開始吸附25min

2.1.2 丙烷制冷系統(tǒng)

新增丙烷制冷系統(tǒng),丙烷制冷系統(tǒng)采用兩級制冷循環(huán)[16-18],工藝流程見圖5。

圖5 丙烷制冷流程

圖5中離開儲罐的丙烷經(jīng)節(jié)流后壓力降為149 kPa,丙烷進入閃蒸罐經(jīng)過二級節(jié)流壓力降至99 kPa,溫度降為-42.7 ℃,經(jīng)過換熱器后,丙烷進入壓縮機一級增壓至630 kPa,與閃蒸罐罐頂?shù)臍庀啾閰R合,經(jīng)丙烷壓縮機二級增壓至1 155 kPa,經(jīng)空冷器冷卻后進入丙烷儲罐繼續(xù)循環(huán)[19-20]。

2.2 工藝改造后裝置運行參數(shù)

將原裝置改造為“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝后,克拉美麗氣田天然氣處理裝置關(guān)鍵節(jié)點參數(shù)見表4。

工藝改造后,外輸干氣的烴露點、水露點均能滿足設(shè)計要求≤-10 ℃，且從表4可以看出:

1)采用分子篩吸附脫水,外輸氣的水露點受原料氣壓力、溫度及流量影響很小,水露點控制有保證,可控制在<-30 ℃。同時,還可以消除處理裝置因水合物而導(dǎo)致的凍堵隱患。

2)在原料氣有壓差可用時,利用J-T閥獲得部分冷量；在沒有壓差或原料氣溫度較高時,可以通過調(diào)節(jié)丙烷循環(huán)量來適應(yīng)原料氣溫度、壓力及流量的變化。

3)采用“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝對原料氣的適應(yīng)性很好,烴露點控制穩(wěn)定。

2.3 工藝改造工程量及投資

工藝改造工程量及主要設(shè)備投資見表5。

表4 工藝改造后處理裝置關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)

序號節(jié)點名稱工藝改進參數(shù)實際參數(shù)1天然氣進裝置壓力/kPa4000500060007000750075002天然氣進裝置溫度/℃2626262626263一級注醇量/(L·h-1)-----384二級注醇量/(L·h-1)-----445節(jié)流前壓力/kPa3920492059206920742074606節(jié)流前溫度/℃6565656565127節(jié)流后溫度/℃-17-42-65-617-677-368節(jié)流后壓力/kPa2500312537504300460042609丙烷制冷前溫度/℃-15-37-57-73-96-10丙烷制冷后溫度/℃-20-20-20-20-20-11外輸干氣水露點/℃-3269-3309-3383-344-358-7712外輸干氣烴露點/℃-147-151-155-161-166-3613液烴分離器溫度/℃3993673383103094014液烴分離器壓力/kPa140014001400140014001200

表5 工藝改造工程量及主要設(shè)備投資

項目數(shù)量/套單價/萬元丙烷制冷系統(tǒng)11600分子篩干燥器21050管線改造1150乙二醇加注系統(tǒng)1拆除乙二醇回收系統(tǒng)1拆除總計-2800

2.4 工藝改造可行性分析

工藝改造的主體是增加了分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),去除了乙二醇脫水及再生裝置。僅需增加2臺分子篩干燥器和1套丙烷制冷系統(tǒng),工程改造量不大,在目前的裝置上易于實施。

3 工藝改造后的效果

3.1 工藝改造后的適應(yīng)性

工藝改造的關(guān)鍵在于分子篩脫水和丙烷制冷系統(tǒng),其中分子篩脫水系統(tǒng)控制水露點,丙烷制冷系統(tǒng)控制烴露點。

采用分子篩吸附脫水具有顯著優(yōu)點,外輸天然氣水露點低,對原料氣溫度、壓力及流量的變化不敏感,不存在氣體水合物凍堵問題,而且無嚴重的腐蝕及起泡[3-4]。丙烷制冷可以很好地調(diào)控系統(tǒng)的溫度,控制烴露點值[5]。

在進料溫度為26 ℃、氣量150×104m3/d和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時，外輸氣烴露點及水露點隨進氣壓力的影響見圖6。

由圖6可知,由于分子篩脫水系統(tǒng)脫水性能優(yōu)異,水露點值較低,且隨壓力升高而升高,均遠小于設(shè)計值-10 ℃。

在進料壓力為7 000 kPa、氣量150×104m3/d和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時,進料溫度對烴露點、水露點的影響見圖7。

圖6 外輸氣烴露點及水露點隨進氣壓力的影響

圖7 外輸氣烴露點及水露點隨進氣溫度的影響

由圖7可知,進氣溫度的變化對水露點、烴露點影響較小,烴露點依然控制在-20 ℃左右,烴露點隨進料溫度上升而略有升高,但幅度較小。

在進料壓力為7 000 kPa、溫度為26 ℃和控制丙烷制冷出口溫度為-20 ℃時,原料氣處理量對烴露點、水露點的影響見圖8。

圖8 外輸氣烴露點及水露點受原料氣處理量的影響

從圖8可知,處理量的變化對水露點、烴露點影響也較小。

由圖6、8可知,裝置工藝改造后,進氣壓力、進氣溫度及處理量的變化對外輸干氣的烴露點和水露點影響較小,裝置適應(yīng)能力較好。若原料氣進裝置壓力下降,可以通過增加丙烷循環(huán)量,使制冷系統(tǒng)的制冷量增加,以保證外輸氣烴露點。若原料氣進裝置的溫度、氣量發(fā)生改變均可通過對丙烷循環(huán)量的調(diào)節(jié),來保證外輸氣烴露點,過程簡便快捷。

因此,隨氣田開采的進程，采用“分子篩脫水、外加丙烷制冷和淺冷分離脫烴”工藝對天然氣氣質(zhì)變化有較好的適應(yīng)性。

3.2 工藝改造后的經(jīng)濟性

將工藝改造方案的費用匯總后,經(jīng)過經(jīng)濟核算,主要財務(wù)指標見表6。

表6 工藝改造經(jīng)濟核算

項目數(shù)量/套單價/萬元丙烷制冷系統(tǒng)11600分子篩干燥器21050管線改造1150乙二醇加注系統(tǒng)1拆除乙二醇回收系統(tǒng)1拆除總計-2800

工藝改造后,靜態(tài)投資回收期較短,符合經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.004

2016-04-07

王治紅(1974-),男,四川成都人,副教授,碩士,主要從事天然氣處理與加工、石油煉制與加工方向教學(xué)和科研工作。