天然氣透平膨脹機脫水裝置的研制及應用

 天然氣透平膨脹機脫水裝置的研制及應用
                        辛紹杰1　王建軍2　李憲文2
    (1·上海電機學院機械學院　2·大慶建軍石油機械有限公司)
    摘要：針對目前油田轉(zhuǎn)油站天然氣脫水使用的光管冷卻器存在脫水效果不穩(wěn)定、安全性能差等問題,研制了天然氣透平膨脹機脫水裝置。該裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣制冷裝置和排液裝置等部分組成,以天然氣透平膨脹機作為制冷核心單元,利用天然氣自身輸送壓力推動膨脹機制冷,將天然氣內(nèi)所含水分液化,具有脫水效果好、保護環(huán)境、方便管理等優(yōu)點。現(xiàn)場應用表明,該裝置工作性能穩(wěn)定,各項指標明顯優(yōu)于“干燥器”,脫水效率達到91·7%,是一種非常適合油田中轉(zhuǎn)站的小型脫水設備。
    關鍵詞：透平膨脹機　天然氣脫水　低溫分離技術　脫水裝置
    引言   目前,天然氣脫水方法一般有冷凍法、固體干燥劑吸附法、甘醇液吸收法等3種。由于油田轉(zhuǎn)油站外輸濕氣或燃燒濕氣對脫水的指標要求不高(目前無明確的規(guī)范要求),油田各轉(zhuǎn)油站廣泛采用自然冷卻脫水方法的光管冷卻器,稱為天然氣“干燥器”。其工作原理是:石油伴生天然氣在簡易裝置中流過時,利用環(huán)境溫度對其降溫,使氣體中夾帶的水、輕烴結(jié)露凝析,然后再進行排放、收集,從而達到氣、液分離的目的。“干燥器”脫水雖簡單,但受環(huán)境溫度與風速影響很大,特別是冬春和秋冬交換期,干燥效果很不穩(wěn)定,并且因結(jié)構設計、集液方式等問題還造成安全性較低。由于該設備屬“三無”產(chǎn)品,也給現(xiàn)場使用、環(huán)境保護以及管理等方面帶來許多問題。針對這一難題,許多單位嘗試了多種辦法,也開發(fā)了許多產(chǎn)品,都不理想,未得到實際應用。為此,自2003年初開始,李憲文和項目組成員經(jīng)過調(diào)查研究,比較了10多種脫水處理方案,采用以天然氣透平膨脹機作為制冷核心單元的脫水方案。2004年上半年開始系統(tǒng)的整體研究,并對裝置核心部件———天然氣透平膨脹機進行了試制,還對樣機進行了模擬系統(tǒng)測試和全套系統(tǒng)聯(lián)調(diào),于下半年開發(fā)出石油伴生氣的脫水專用裝置。該裝置充分利用了現(xiàn)有資源,降低了使用成本,提高了脫水效率,同時還減少了環(huán)境污染,保證了安全,方便了管理。系統(tǒng)設計與工藝流程
    1·設計依據(jù)及工作原理
    天然氣組分會在不同溫度環(huán)境下表現(xiàn)出不同狀態(tài)。天然氣透平膨脹機脫水裝置是依據(jù)空氣分離技術發(fā)展而來的低溫分離技術而研制的新產(chǎn)品,利用油田氣中多組分的冷凝溫度不同,將油田氣冷卻到較低溫度后,使水和部分輕質(zhì)油冷凝,實現(xiàn)氣、液分離。膨脹機制冷后的天然氣與新進入的天然氣經(jīng)過換熱器進行熱交換,使新進入的含水份天然氣溫度下降到最佳冷凝溫度(水的冷凝點為1~3℃),再通過設置系統(tǒng)流程中的分離器對天然氣與冷凝水進行氣、水分離,達到氣、水完全分離的目的。透平膨脹機脫水裝置只利用氣源的壓力能,無需額外能源,冷卻均勻,脫水效率高,無需添加脫水吸收劑,且適應各種復雜工況環(huán)境。系統(tǒng)流程的設計決定脫水系統(tǒng)的整體功能,為了確保系統(tǒng)各部件發(fā)揮最大功效,合理地利用設備資源,經(jīng)過反復研究和參數(shù)調(diào)整,確定了以“天然氣透平膨脹機制冷,通過換熱器對含水天然氣換熱到水分子的冷凝點,由旋風分離器將冷凝后的水與天然氣分離”的方案該方案配以完善的安全防護措施和可靠的輔助設備有效地保護了核心部件膨脹機等設備的正常工作保證了系統(tǒng)工作的可靠性,減輕了現(xiàn)場工作人員的勞動強度,做到無人看守。在總體設計中主要考慮了降低膨脹比,提高制冷效率和使用的耐久性,改進了系統(tǒng)流程,確保了整套系統(tǒng)的運行可靠性。
    2·工藝流程
    (1)裝置的組成　天然氣透平膨脹機脫水裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣制冷裝置和液體排出裝置等4部分組成。
    熱交換裝置采用的是新型氬焊板式換熱器,因其不采用橡膠密封墊進行密封,故特別適用于拆卸式換熱器。熱交換裝置在系統(tǒng)內(nèi)的主要作用是對來自輸氣管線的濕氣與經(jīng)過冷卻的干氣進行熱交換使來氣溫度迅速降低。
    氣液分離裝置由一次分離器、二次分離器、液位指示儀和控制閥門等組成,分離器采用新型旋風分離器。主要工作原理是:需處理的氣液混合氣流從分離器切向進入后,在螺旋通道內(nèi)以一定的速度旋轉(zhuǎn),由于離心力的作用,使密度大的固體顆粒和液滴在器壁上聚積,在自身重力和氣流帶動下向下運動進入積液筒,氣體則由內(nèi)筒上行從出氣口排出,實現(xiàn)氣液分離。一次分離器的主要作用是:對輸氣管線來的濕氣進行粗分離,脫去其中的一部分凝析液和雜質(zhì),減少凝析液和雜質(zhì)對系統(tǒng)的破壞保證后級系統(tǒng)的正常工作。二次分離器的主要作用是:對凝析出來的少部分輕質(zhì)油和水進行再次分離,保證系統(tǒng)的脫水效果。
    天然氣制冷裝置由天然氣透平膨脹機、平衡裝置和指示儀表等組成。為滿足現(xiàn)場使用的需要,天然氣透平膨脹機與壓縮機采用一體化設計。透平膨脹機組的主機采用筒殼式結(jié)構,潤滑系統(tǒng)采用天然氣潤滑的氣體軸承,同時,膨脹機組還配置了完善的安全保護系統(tǒng),以保證機組長期工作而無需維護、維修,提高了透平膨脹機組的可靠性。
    系統(tǒng)的液體排出裝置由儲液罐、液位感應器、氣壓排液泵和指示控制部分等組成,其主要作用是及時排出分離出來的液體,保證系統(tǒng)在寒冷的氣溫下能正常工作。
    (2)系統(tǒng)的工藝流程　脫水裝置的工藝流程如圖1所示。其中, A至加熱爐, B、D至伴熱管線, C至外輸原油外輸系統(tǒng), E至外輸系統(tǒng)管線。該裝置采用的天然氣透平膨脹機主要是為裝置提供輔助冷量,在外部氣溫高于-30℃時運行以保證分離器進口為脫水的最佳溫度。裝置將壓縮機出口并入外輸系統(tǒng)時,需要對控制閥門進行調(diào)整,其調(diào)整量經(jīng)實際測量后確定。
              
    其工藝流程如下:進入脫水系統(tǒng)的天然氣原料氣(參數(shù)為0·18 MPa、20℃),經(jīng)散熱器先行冷卻后進入換熱器與冷端天然氣進行熱交換,壓力降至0·12MPa,溫度降至1℃;在此溫度和壓力下凝析出的大部分水和烴液,通過1次分離器時分離出來;一部分氣體經(jīng)過渦輪膨脹機膨脹后制冷,然后返回到換熱器的冷端與新進入的天然氣原料氣進行熱交換(ε=2·182,η=0·77),進一步脫出其中的水分和烴液,此時的氣體壓力為0·10MPa,溫度為-13℃;這部分氣體進入2次分離器,分離新凝析出來的水和烴液;這時的氣體作為冷源進入換熱器,與進入系統(tǒng)的原料氣換熱,一方面降低來氣溫度,另一方面提高干氣溫度;最后氣體經(jīng)過與渦輪膨脹機同軸的壓縮機增壓(ε=1·4,η=0·65)后外輸,此時外輸壓力為0·12MPa,溫度為32℃; 1次和2次分離器分離出來的水份和烴液匯集于集液罐,由氣體增壓泵排至原油外輸系統(tǒng)。
    天然氣透平膨脹機脫水裝置充分利用天然氣自身輸送壓力推動膨脹機制冷,將天然氣內(nèi)所含水分液化,液化后的水及輕質(zhì)油,通過自動排水裝置直接輸送到轉(zhuǎn)油站的“三合一”分離罐進行再利用或再生產(chǎn)。由于該工藝過程接近等熵過程,不但能分離出天然氣內(nèi)的水分、提高烴的回收率,而且能做外功,驅(qū)動壓縮機輸送氣體。分離后的結(jié)晶體在分離裝置內(nèi)經(jīng)過升溫后,轉(zhuǎn)化為液體進入沉淀器經(jīng)過液體泵輸出。
    3·透平膨脹機的設計
    膨脹機是低溫脫水裝置產(chǎn)生冷量的關鍵設備。它應用在大型空氣制冷,天然氣田,天然氣提取輕質(zhì)油,液化等大型、高膨脹比的場合,屬成熟技術。但在氣量小、低膨脹比現(xiàn)場(無任何增壓設備)使用該技術極其困難。通過一系列的研究、試驗以及優(yōu)化設計,解決了膨脹機在復雜工作環(huán)境下應用時存在的供氣壓力低、壓差小等關鍵技術難題。根據(jù)配套的要求在設計方面采取了下列措施:
    (1)透平膨脹機在實際工況下的運行參數(shù)與理論值有一定差異,對于結(jié)構尺寸較小的透平膨脹機,為了簡化結(jié)構及方便操作,工況的調(diào)節(jié)采用了機后調(diào)節(jié)方式。具體設計中選擇了體積流量最小的工況作為主設計工況,確定了透平膨脹機通流部分各零、部件的結(jié)構尺寸,并對部分結(jié)構尺寸做了一些必要的調(diào)整,保障了透平膨脹機在各種工況下運行都能滿足制冷效率要求。
    (2)透平膨脹機采用增壓機制動,制動氣可以對裝置輸出氣體進行增壓,保證遠距離輸送氣體的壓力需要,這樣膨脹機的運行可不受外界環(huán)境大氣壓力、溫度的影響,但增加了裝置的復雜程度,尤其是增加了流程設計的難度?？紤]到現(xiàn)場使用的具體條件,膨脹機采用輸出氣制動,簡化了操作,使其能在一定范圍內(nèi)正常運行。
    (3)為使透平膨脹機運行穩(wěn)定可靠,在設計上采取了以下措施:①由于軸承的承載能力比較小,在精心計算的基礎上,合理選定了工作輪、風機輪的運行參數(shù)及結(jié)構尺寸,從而減少了轉(zhuǎn)子的軸向受力,提高了軸承使用壽命;②采用大剛度的轉(zhuǎn)子,避免了轉(zhuǎn)子通過臨界區(qū)域而引起的共振破壞問題,也方便了操作。
    (4)在裝置的其它方面也采取了一些措施,如在軸承加油口、腔體間增加平衡毛細管,在增壓機進出口加裝平衡閥等,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子負載,延長了設備使用壽命。
    4·主要技術參數(shù)
    水的質(zhì)量濃度:≤7 g/m3;
    氣體流量: 10 000~50 000 m3/d;
    供氣壓力: 0·12~0·5MPa;
    工作方式:連續(xù)運轉(zhuǎn);
    環(huán)境溫度: -30~10℃。
    現(xiàn)　場　應　用
    首臺天然氣脫水裝置于2004年6月在大慶油田采油三廠進行了樣機礦場試驗。該站環(huán)境溫度-10℃,天然氣來氣溫度20℃,來氣壓力0·18MPa,來氣流量17 000 m3/d,來氣中水的質(zhì)量濃度為21·2 g/m3。目前,已在該廠推廣18臺。用戶認為:“該裝置工作正常,性能穩(wěn)定”。通過各種測試和多方面對比,裝置的各項指標均明顯優(yōu)于“干燥器”,經(jīng)現(xiàn)場試運行,脫水效果良好,脫水效率達到91·7%,是一種非常適合油田中轉(zhuǎn)站使用的小型脫水設備”。該裝置在2005年1月通過石油工業(yè)原油及石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗,樣機脫水前后的天然氣參數(shù)對比如表1所示。
              
    由檢測結(jié)果可看出:由于水和烴液的排出,天然氣的密度、相對密度和高位熱值均降低,尤其是露點的前后結(jié)果,充分反映出樣機脫水效果好。
    綜上所述,可得如下結(jié)論:
    天然氣透平膨脹機脫水裝置是目前油田最有效的天然氣脫水系統(tǒng),與現(xiàn)在使用的“干燥器”相比較,具有以下幾點優(yōu)勢:
    (1)可以有效地脫除天然氣中所含的水分,保證站內(nèi)用氣和外輸氣的質(zhì)量,確保各種用氣設備的安全,消除鍋爐的爆膛事故,防止外輸管線的凍、堵等事故。
    (2)該裝置是一種全封閉循環(huán)系統(tǒng),天然氣經(jīng)過裝置處理后直接輸出,同時,分離出的水及輕質(zhì)油也直接回輸?shù)酵廨斢凸芫€,既減輕了工人勞動強度,又避免了環(huán)境污染。
    (3)該裝置結(jié)構緊湊、體積小,是一種橇裝設備,安裝方便且維護量小,尤其可以安裝在室內(nèi),非常便于統(tǒng)一管理。
    (4)該裝置直接將分離出的輕質(zhì)油回輸?shù)酵廨斣凸芫€,杜絕了人為放油帶來的不安全因素,減少了經(jīng)濟損失,確保了安全生產(chǎn)。