譚 軍，王曉明，劉永國(guó)，劉 恒，廖明敏，李 華，陳 雷，楊 嬌，屈文濤

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017300；2.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

蘇里格氣田地處鄂爾多斯盆地的毛烏素沙漠腹地，年平均氣溫在5.3～8.7℃，平均1月最低氣溫為-10～-13℃，冬季最低氣溫在-20℃以下[1]。在冬季，高壓、低溫的工況環(huán)境會(huì)使得天然氣集輸管道內(nèi)生成天然氣水合物，影響天然氣的正常輸送。為了抑制天然氣水合物的生成，通常是將甲醇作為水合物抑制劑注入到集輸管道之中[2]，合理使用甲醇量具有降低甲醇回收設(shè)備結(jié)垢的可能性[3]、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于甲醇的合理注入量已有許多研究，多數(shù)研究都是通過(guò)Hammerschmidt提出的半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)計(jì)算出注醇量[4-6]。

用于計(jì)算合理注醇量的軟件有：HYSYS、PIPESIM、Multiflash等[7]，該類軟件都具有判斷水合物生成條件、預(yù)測(cè)水合物生成曲線的功能。其中，HYSYS計(jì)算模型研究大多數(shù)都是通過(guò)調(diào)節(jié)器邏輯控制單元模擬計(jì)算出甲醇注入量[8-10]，但也存在部分不足，現(xiàn)有模型的應(yīng)用背景與蘇里格氣田集輸支線工藝流程存在差異，缺少計(jì)算集輸管道內(nèi)氣相水含量的模塊。本文在上述HYSYS計(jì)算模型研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合蘇里格氣田支線集輸工藝現(xiàn)狀，搭建。了具有計(jì)算氣相水含量模塊的計(jì)算模型，使計(jì)算流程更完整、結(jié)果更貼近現(xiàn)場(chǎng)工況，提高計(jì)算結(jié)果的精確度與真實(shí)性，降低甲醇的使用量。

1 蘇里格氣田集輸現(xiàn)狀分析

1.1 集氣站工藝現(xiàn)狀

蘇里格氣田經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和理論研究，形成了“井下節(jié)流，井口不加熱、不注醇，中低壓集氣，帶液計(jì)量，井間串接，常溫分離，二級(jí)增壓，集中處理”的中低壓集氣模式[11]。隨著天然氣需求的逐年增加，蘇里格氣田的開(kāi)發(fā)也逐漸深入，產(chǎn)能規(guī)模逐年擴(kuò)大。集氣站對(duì)于井場(chǎng)氣體集中進(jìn)行分離處理、氣體增壓、注醇外輸?shù)裙に?，如圖1所示。

圖1 集氣站基本工藝流程Fig.1 Basic process flow of gas gathering station

1.2 模型搭建方案

在氣體通過(guò)管道的外輸過(guò)程中，隨著管道環(huán)境溫度的降低，天然氣中的氣相水會(huì)冷凝為液相水[12-13]。液相水含量將直接影響甲醇的注入量，所以明確外輸天然氣中的氣相水含量是非常有必要的。在模型的搭建過(guò)程中，為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性，應(yīng)最大程度還原集氣站工藝流程：

（1）為了使模型的計(jì)算結(jié)果適用于蘇里格氣田，需要參照該氣田集氣站的基本工藝流程，對(duì)現(xiàn)有研究模型增加模擬單元，以保證氣體處理過(guò)程的完整性，提高計(jì)算的精確度。

（2）本次模型研究將增加模擬干管來(lái)氣進(jìn)入分離器的過(guò)程，其目的是計(jì)算外輸天然氣中的氣相水含量。

2 HYSYS模型確定

2.1 模型搭建

圖2 天然氣集輸支線模型Fig.2 Model of natural gas gathering and transportation branch line

HYSYS模型的抑制原理是破壞天然氣集輸管道內(nèi)的水合物生成條件：通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)器的被調(diào)節(jié)量為甲醇注入量，從而使得天然氣管道內(nèi)的水合物生成臨界溫度在工況環(huán)境溫度以下。本次模型的搭建主要以混合器、分離器、壓縮機(jī)、換熱器、管線等模擬單元組成，如圖2所示。

首先，模擬干管來(lái)氣集體進(jìn)入分離器的過(guò)程，以混合器模擬干管內(nèi)氣體與液體共存的狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置器保證了天然氣全組分與模擬注水在同樣的壓力、溫度下進(jìn)行混合，利用調(diào)節(jié)器確定分離器入口的干管溫度、模擬分離器得到的污液量等數(shù)據(jù)都與集氣站生產(chǎn)報(bào)表中的數(shù)據(jù)一致。其次，模擬經(jīng)過(guò)分離器得到的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行增壓處理，模型中增加換熱器是為了使經(jīng)過(guò)模擬增壓后的天然氣溫度與實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行溫度參數(shù)一致，保證計(jì)算的真實(shí)性。最后，模擬氣體在外輸出站前進(jìn)行注醇工藝，利用混合器將甲醇與天然氣進(jìn)行混合外輸。與干管相似，利用設(shè)置器保證天然氣與甲醇以相同的壓力混入，甲醇的注入溫度參考實(shí)際環(huán)境溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)器計(jì)算甲醇的注入量。

2.2 參數(shù)設(shè)置

輸入氣體全組分中各組分含量，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)置各物流、模擬設(shè)備的壓力、溫度、流量等參數(shù)。其中，“調(diào)節(jié)器-3”就是甲醇注入量計(jì)算單元，設(shè)置調(diào)節(jié)器的被調(diào)節(jié)量為甲醇注入量，其目的是控制管道出口處的天然氣水合物生成臨界溫度在管線環(huán)境溫度以下3～5℃，通過(guò)定量迭代的方式計(jì)算出合理的甲醇注入量。

2.3 注醇量影響因素分析

以蘇里格氣田S-8集氣站至S-4集氣站集氣支線某天生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，利用HYSYS模型進(jìn)行注醇量計(jì)算。該支線S-8集氣站分離器入口壓力為1.2 MPa、地溫6.9℃、管線入口溫度53℃、管線入口壓力2.9 MPa，軟件計(jì)算出的甲醇注入量為7×10-5L/m3，其中S-8集氣站的氣體組分如表1所示。

表1 S-8集氣站的氣體組分信息Table 1 Composition information of S-8 gas gathering station

為了探究影響集氣支線管道內(nèi)甲醇注入量的主要因素，分別以等幅度逐漸遞增各個(gè)因素的變量，主要包括氣體流量、地溫、分離器入口壓力等因素，各因素增幅后的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。并繪制曲線圖，如圖3所示。

表2 各因素影響程度計(jì)算表Table 2 Calculation table of influence degree of each factor

圖3 不同影響因素對(duì)甲醇添加量變化的影響Fig.3 Effect of different factors on methanol addition

當(dāng)分離器入口壓力、地溫等因素的變量固定時(shí)，隨著管道內(nèi)氣體流量增加，對(duì)于甲醇的消耗也逐漸增加。由曲線圖可直觀判斷出，氣體流量是影響甲醇注入量的最主要因素，對(duì)應(yīng)集氣站內(nèi)地溫的影響程度次之。當(dāng)其它各因素的變量固定時(shí)，隨著集氣站內(nèi)分離器入口壓力增加，甲醇消耗量減小，如圖4所示。

圖4 分離器入口壓力對(duì)甲醇添加量變化的影響曲線Fig.4 Effect of separator inlet pressure methanol addition

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的合理性，在蘇里格氣田S-8集氣站至S-4集氣站的集氣支線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，根據(jù)該支線每天的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出所需注醇量，如表3所示。

表3 S-8集氣站的運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 3 Operation data of S-8 gas gathering station

為了保證正常生產(chǎn)，需將該支線的實(shí)際注醇量逐漸降低至計(jì)算量。由于存在現(xiàn)場(chǎng)人員操作誤差、設(shè)備精度不準(zhǔn)確等客觀因素，實(shí)際用量與計(jì)算用量會(huì)有所偏差。

3.2 效果評(píng)價(jià)

從應(yīng)用期間的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，該支線起點(diǎn)站和終點(diǎn)站的氣體外輸壓力均沒(méi)有大幅度上升的趨勢(shì)，各站的外輸氣量也處于穩(wěn)定狀態(tài)。故判斷出管道內(nèi)沒(méi)有水合物生成的趨勢(shì)，驗(yàn)證了甲醇量計(jì)算模型的合理性。

表4 甲醇用量對(duì)比表Table 4 Comparison of methanol consumption

從表4可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)比往年或同年冬季其他月份的注醇量，易觀察出降低了甲醇的使用量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文結(jié)合蘇里格氣田集輸支線的工藝流程現(xiàn)狀和該氣田集輸支線的模型搭建方案，以管線生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出某集氣支線所需甲醇的注入量，探討了影響甲醇注入量的主要因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的方式驗(yàn)證了模型的合理性并得出以下結(jié)論：

（1）HYSYS軟件提供了一種操作方便的注醇量確定方法，結(jié)合蘇里格氣田集輸支線工藝流程現(xiàn)狀搭建的模型將更具有針對(duì)性和適用性。

（2）在蘇里格氣田集輸支線的注醇工藝中，天然氣中的氣相水含量對(duì)注醇量的影響最大，外輸管道內(nèi)的輸氣量次之。

（3）相比于實(shí)際注醇量，模型的計(jì)算結(jié)果可節(jié)省甲醇的使用量，降低采氣成本。

（4）對(duì)于天然氣水合物的生成應(yīng)以預(yù)防為主，根據(jù)管線的運(yùn)行參數(shù)和影響因素及時(shí)計(jì)算調(diào)整注醇量，避免出現(xiàn)甲醇使用量過(guò)多或不足的情況。