李均方 張瑞春 陳吉剛

中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠

為滿足天然氣管輸要求，避免在輸送過程中因水含量過高形成水合物，造成管道堵塞、腐蝕等問題，故在天然氣開發(fā)過程中脫水是必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前，常用的脫水方法包括：三甘醇吸收法、分子篩吸附法和低溫冷凝加抑制劑法等[1-5]。近年來，膜分離法和超聲渦流管法雖有現(xiàn)場試驗報道[6]，但工程應用較少[7]。幾種方法各有其特點和適用范圍，三甘醇吸收法因其脫水深度能滿足要求、相對投資較省和能耗較低等特點而得到廣泛應用。但在處理含凝析油天然氣或高酸性天然氣時，上述組分溶解于三甘醇溶液中，會增加溶液損失和發(fā)泡的趨勢，導致再生氣中雜質(zhì)含量超高等；另外，天然氣進吸收塔溫度過低(≤10 ℃)，三甘醇黏度下降會影響脫水效果，故在上述情況下選擇三甘醇脫水工藝應更加謹慎。

分子篩吸附法可將天然氣中水含量脫除至更低水平，與三甘醇脫水工藝相比，一般認為其投資和能耗相對較高，因而限制了其應用，對于諸如天然氣液化等需要深度脫水的情況應用較多，在高含硫、高酸性氣體的處理中也有成功應用。

低溫冷凝加抑制劑法主要用于以脫水為主、同時兼顧部分脫烴需求、且有壓力能可利用的情況，通過在換熱節(jié)流前注入水合物抑制劑(多為醇類)以避免發(fā)生低溫堵塞，這對含醇廢水的環(huán)保處理提出了更高的要求[8-16]。

頁巖氣開發(fā)過程中多在集氣站進行脫水處理，工藝多采用三甘醇脫水。但對于離集氣站較遠，產(chǎn)氣量較小的頁巖氣井，則需脫水后再進入輸氣管網(wǎng)。對于此類單井開發(fā)，由于處理規(guī)模小于三甘醇脫水下限，單位產(chǎn)品投資和運行成本大幅增加。此外，頁巖氣單井工況不穩(wěn)定，也限制了其適用范圍，此時，分子篩脫水工藝不失為一種更好的選擇。以下主要針對重慶頁巖氣公司足202井的特點，研制出一套處理量為12×104m3/d的撬裝分子篩脫水裝置，成功進行了現(xiàn)場應用，且滿足脫水需求，介紹了優(yōu)化的分子篩脫水工藝流程和特點，對類似工程的實際應用具有很好的參考意義。

1 頁巖氣單井脫水特點

足202井是重慶頁巖氣公司的一口開發(fā)井，井深5 429 m，測試期間放噴產(chǎn)量45×104m3/d，井口原始壓力(G)為20 MPa。井口氣分別經(jīng)過兩級節(jié)流閥、除砂分離器和三相過濾分離器后進入撬裝脫水裝置脫除水分，再經(jīng)調(diào)壓計量后進入外輸管網(wǎng)。該井天然氣組成見表1，相圖和水合物生成線見圖1。

表1 原料天然氣組成組分y/%組分y/%CH497.85N20.96C2H60.44CO20.73C3H80.02H2O飽和C+40

典型頁巖氣井的流量曲線如圖2所示，單井脫水裝置具有以下特點：

(1) 壓力(G)變化范圍為2～6 MPa，溫度變化范圍為0～40 ℃，流量變化范圍為0～12×104m3/d，造成進脫水裝置的天然氣工況點多、脫水負荷變化大。

(2) 采氣過程中間斷排水、瞬時流量可能為零、帶細沙、氣量遞減快、公用工程依托條件差等情況對脫水裝置的安全運行提出挑戰(zhàn)。

(3) 裝置撬裝化，便于在不同井場之間搬遷。

針對上述特點，本脫水裝置設計處理規(guī)模為12×104m3/d(101.325 kPa，20 ℃)，設計壓力(G)為6 MPa，操作壓力(G)為2 MPa，操作溫度為30 ℃，出裝置天然氣水露點小于-10 ℃。

2 脫水方案對比

2.1 方案1：三甘醇脫水方案

采用HYSYS對足202井的三甘醇脫水工藝進行模擬，熱力學模型選用PR方程。結(jié)果表明，由于處理規(guī)模小，三甘醇循環(huán)量僅為260 L/h，再沸器加熱負荷低至24 kW，吸收塔和再生塔的設計尺寸較小，給實際應用帶來了一定的困難。

2.2 方案2：傳統(tǒng)兩塔分子篩脫水方案

傳統(tǒng)的兩塔分子篩脫水方案中一般需采用壓縮機對再生氣進行增壓外輸或返輸回脫水裝置進口，無形中增加了設備投資和運行成本，且動設備故障率大大增加。此外，再生氣壓縮機軸功率僅為5 kW，選型較為困難。

2.3 方案3：優(yōu)化的兩塔分子篩脫水方案

優(yōu)化后的分子篩脫水工藝流程如圖3所示，在分子篩塔增加流量控制閥產(chǎn)生差壓，使閥后保持一個小的背壓，這樣從控制閥前引一股濕氣作再生氣，就能使再生氣通過整個循環(huán)，再生氣利用自身壓差進行循環(huán)，節(jié)省了再生氣壓縮機。同時增加了熱交換器對再生氣熱量進行回收，降低了電加熱器的加熱負荷，同時降低了空冷器的冷卻負荷。

通過以上3種方案的工藝流程和模擬分析可以看出：相對于三甘醇脫水和傳統(tǒng)兩塔分子篩脫水，優(yōu)化的兩塔分子篩脫水方案不僅降低了能耗，提高了裝置可靠性，而且投資更省。此外，方案還具有流程短、公用工程消耗少和依托小、操作方便等特點。因此，對于邊遠頁巖氣單井脫水，推薦采用優(yōu)化的兩塔分子篩脫水工藝流程。3種方案的綜合對比如表2所列。

3 優(yōu)化的分子篩脫水工藝流程及特點

3.1 工藝流程

采用兩塔濕氣順流等壓再生工藝，原料天然氣首先進入前置過濾分離器(F201)除去游離態(tài)油、水及粉塵后，分成吸附氣和再生氣兩股進入后續(xù)脫水裝置。吸附氣經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥FV201節(jié)流降壓后(壓差約50 kPa)自上而下進入分子篩吸附塔(C201A)脫水，再進入井場下游裝置。再生氣取自過濾分離器后的濕氣，首先通過熱交換器(E202)預熱后進入電加熱器(E201)，加熱后的再生氣對分子篩吸附塔(C201B)床層自上而下吹掃再生。分子篩吸附的水被高溫再生氣加熱脫附，與再生氣一起進入熱交換器(E202)回收熱量，然后再生氣經(jīng)空冷器(E203)冷卻，由脫水分離器(D201)分離出游離水，再匯入流量調(diào)節(jié)閥FV201后吸附氣進入分子篩吸附塔(C201A)脫水，完成循環(huán)再生。

表2 3種方案綜合對比方案1方案2方案3相對投資11.10.8水露點/℃-5～-30-60～-80-30～-60脫水負荷/(kg·h-1)5.578.418.41主要工藝參數(shù)再沸器加熱負荷:24 kW溶液循環(huán)泵功率:0.5 kW氣提氣:10 m3/h尾氣焚燒燃料:5 m3/h貧液質(zhì)量分數(shù):98.7%循環(huán)量:260 L/h再生氣壓縮機:5 kW加熱器負荷:75 kW后冷卻器熱負荷:27 kW后冷卻器電負荷:4.4 kW分子篩一次用量:2 400 kg分子篩切換周期12h無再生氣壓縮機加熱器負荷:65 kW后冷卻器熱負荷:17 kW后冷卻器用電負荷:2.2 kW分子篩一次用量:2 400 kg分子篩切換周期:12 h主要消耗天然氣:5 m3/h電:24.5 kW三甘醇損失:2.5 t/a天然氣:0當量用電:46.9 kW分子篩:0.6 t/a天然氣:0當量用電:34.7 kW分子篩:0.6 t/a優(yōu)點工藝成熟,連續(xù)運行,適于大氣量連續(xù)工況技術成熟,間隙運行,變工況適應性強比方案2節(jié)約用電20%。投資和運行成本比方案1低缺點處于撬裝裝置的下限,綜合投資成本略高比方案1投資和能耗高自控閥門數(shù)較多 注:1.表中不包含公用工程消耗。2.方案1中再沸器負荷按電加熱計。

脫水裝置采用兩塔工藝流程，以循環(huán)的方式交替進行吸附和再生工作，采用時間控制程序自動切換，一臺處于吸附脫水階段，另一臺則處于加熱再生及冷吹階段；吸附12 h，再生11 h，等待1 h。

3.2 優(yōu)化的分子篩脫水裝置特點

3.2.1工藝

裝置在工藝方面的主要特點如下：

(1) 在天然氣水露點控制領域，與文獻[17]、[18]相比，通過增加熱交換器(E202)，回收再生氣部分熱量，降低加熱負荷約30%，同時，空冷器電負荷降低了50%。

(2) 再生氣利用壓差進行自身循環(huán)，無需配置再生氣壓縮機，動設備數(shù)量減少，裝置可靠性提高。

(3) 順流再生代替常規(guī)逆流再生，以保證吸附切換時氣質(zhì)的穩(wěn)定性。

(4) 分子篩再生溫度從250 ℃降至180～200 ℃，既能滿足分子篩長周期運行，又有利于降低再生能耗。

(5) 設置前過濾分離器，避免細沙和游離水帶入脫水塔；設置后過濾器，避免塔內(nèi)固體顆粒影響自動控制閥密封。

3.2.2設備

分子篩脫水裝置見圖4，其在設備方面的主要特點如下：

(1) 分子篩脫水裝置整體成撬，有利于設備在不同井場間快速搬遷。

(2) 撬體尺寸控制在20英尺(1 英尺=0.304 8 m)標準集裝箱范圍內(nèi)，滿足公路運輸要求。

(3) 為降低分子篩吸附塔高度，對其內(nèi)部結(jié)構進行優(yōu)化，減少死體積，增加單塔分子篩裝填量。

(4) 吸附塔采用兩塔串聯(lián)平行布置，對稱美觀。

(5) 通過三維建模，實現(xiàn)控制閥集中布置，同時又留有檢維修空間。

(6) 自動控制閥選用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品牌，充分考慮閥門高低溫交替變化對密封性能的影響，降低投資。

(7) 采用外置電加熱器代替天然氣加熱爐，充分利用外電條件。

(8) 再生氣冷卻采用空冷器代替循環(huán)水冷卻，減少對井場公用工程的需求。

3.2.3自動控制

裝置在自動控制方面的主要特點如下：

(1) 采用高度集成的PLC程序控制，實現(xiàn)一鍵啟停功能。

(2) 程序切換周期可調(diào)，滿足多工況使用，脫水負荷低時延長吸附時間，加熱時間減少，利于提高部分負荷下裝置的經(jīng)濟性。

(3) 配備數(shù)據(jù)遠程通訊功能，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)適時上傳。

3.2.4供配電

裝置在供配電方面的主要特點如下：

(1) 采用UPS電源對自控部分供電，提高裝置可靠性。

(2) 大功率電加熱爐采用單獨回路控制，并有超溫聯(lián)鎖自動保護功能。

(3) 優(yōu)化控制機柜位置，避免空冷器和電加熱器熱量對PLC程序的不利影響。

3.2.5安全

裝置在安全方面的主要特點如下：

(1) 自動控制閥閥位和工藝參數(shù)出錯、非計劃停電等情況下，能聯(lián)鎖報警。

(2) 再生氣小流量保護，避免電加熱器干燒損壞。

4 現(xiàn)場應用

該裝置至今已穩(wěn)定運行290天，累計處理天然氣1 800×104m3，天然氣流量為設計值的50%，天然氣進裝置壓力(G)為0.5～1.0 MPa，遠低于最低設計壓力(G)2 MPa，造成脫水負荷已達到設計值的2.4倍。但通過現(xiàn)場分析檢測，結(jié)果表明，產(chǎn)品氣水露點低于-30 ℃，滿足設計要求。在天然氣間斷帶水、流量瞬時為0的極端情況下，脫水裝置安全穩(wěn)定運行，國產(chǎn)化控制閥運行良好。運行中出現(xiàn)過1次臨時停電，設備聯(lián)鎖正常啟動。裝置電耗為130 kW·h/104m3(含井場用電和公用工程消耗)，能耗水平達到預期效果。通過足202井的現(xiàn)場應用，積累了分子篩脫水裝置在小處理量和工況變化大情況下的工程應用經(jīng)驗。

5 結(jié)論

(1) 一般認為分子篩脫水比三甘醇脫水裝置投資和能耗高，而通過對足202井分子篩脫水裝置進行流程和設備選型優(yōu)化，達到了投資和能耗與三甘醇脫水裝置相當或略低的水平。在處理量較小和工況變化大的單井脫水情況下，分子篩脫水裝置表現(xiàn)出良好的適應性。

(2) 該裝置在工藝及設備集成創(chuàng)新上特點明顯，采用等壓濕氣順流再生工藝，省去再生氣壓縮機等設備，優(yōu)化閥門選型，降低投資。通過優(yōu)化分子篩塔內(nèi)結(jié)構，并引入熱交換器，使得再生氣加熱負荷及空冷器冷卻負荷降低。根據(jù)進氣條件，及時調(diào)整分子篩切換周期，提高了部分負荷下的脫水經(jīng)濟性。

(3) 井口氣工況復雜，脫水裝置加強了工藝適應性和相關安全措施；裝置自動化程度高，可實現(xiàn)無人值守，能滿足數(shù)據(jù)遠程實時傳輸?shù)臐撛谛枨?，在裝置的智能化和信息化方面進行了有益的嘗試，達到預期目標。