超音速分離技術在塔里木油氣田的成功應用

溫艷軍 梅燦 黃鐵軍 于躍云 侯建民 陳江

中國石油塔里木油田公司天然氣事業部牙哈作業區

超音速分離技術在塔里木油氣田的成功應用

溫艷軍 梅燦 黃鐵軍 于躍云 侯建民 陳江

中國石油塔里木油田公司天然氣事業部牙哈作業區

溫艷軍等.超音速分離技術在塔里木油氣田的成功應用.天然氣工業，2012，32（7）：77-79.

超音速分離技術是一種集低溫制冷及氣液分離于一體的新技術，2011年6月，國內引進的首套超音速分離器（super sonic separator，3S）在中國石油塔里木油田公司牙哈作業區凝析氣處理廠投產成功。為此，介紹了超音速分離器的工作原理及脫油脫水工藝流程。運行效果表明，相對于傳統制冷（如J-T閥、冷劑和膨脹機制冷）設備，超音速分離器具有以下優勢：①效率高。發生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程以及發生在擴散器中的減速、升壓、升溫過程，均為氣體的內部能量轉換過程，經過全面優化設計，能使能量損失降低到最低限度。②能耗低。與低溫法丙烷制冷相比，在凝液收率相同的情況下，3S可減少制冷壓縮機電耗50%～70%；而3S代替膨脹機，在凝液收率相同的情況下，可多回收15%～20%的壓縮功率。③無轉動部件、屬靜設備，因此運行更加安全可靠。④工藝過程和設備簡單，投資省。⑤本身無消耗，無須水、電、儀表風的支持，除了溫度和壓力的監控，不依賴控制系統，運行成本低。⑥無廢水、廢液排出，對環境無影響。⑦體積小，占地和占有的空間小。超音速分離器可以更深度地脫水脫油，從而提高商品天然氣品質，并可增加凝液產量，同時明顯降低能耗，獲得更好的經濟效益。

塔里木油氣田 超音速分離器 天然氣 脫水脫油 制冷 高效節能 環保 天然氣品質 凝液產量

1 超音速分離器工作原理

超音速分離器（super sonic separator，3S）由旋流器、超音速噴管、工作段、氣液兩相分離器、擴散器和導向葉片組成［1－2］，其結構如圖1所示。天然氣首先進入旋流器旋轉［3］，產生加速度為1×106m／s2的旋流，該旋流在超音速噴管入口表面的切線方向產生一個或多個氣體射流，并在噴管內膨脹降壓、降溫和增速。由于天然氣溫度降低，其中的水蒸氣和NGL凝結成液滴，在旋轉產生的切向速度和離心力的作用下被“甩”到管壁上，從而實現氣液分離。由于在噴管后半部經過擴散器的減速、增壓、升溫作用，天然氣經3S裝置噴管損失的壓力能大部分得以恢復，從而大大減少了天然氣的壓力損失。

圖1 超音速分離器結構示意圖

由于天然氣在噴管后半部至擴散器內的壓力回升，使3S裝置設備的進出口壓差遠小于超音速噴管的壓差。因此，與傳統的J-T閥和膨脹機制冷設備相比，在相同壓差情況下，3S裝置可使天然氣產生更大的溫降。不同膨脹制冷設備進出口壓比與溫差關系如圖2所示。

雖然3S裝置可使天然氣產生更大的溫降，并同時脫出水和NGL，但是由于天然氣氣流在3S內的流動速度可超過550 m／s，停留時間很短，因此，在3S內部不會生成天然氣水合物。

2 設備簡介

目前，超音速分離器在國外如俄羅斯和加拿大已建有工業性裝置。2011年6月，國內引進的首套超音速分離器在中國石油塔里木油田牙哈作業區凝析氣處理廠（以下簡稱牙哈凝析氣處理廠）投產成功（圖3、4）。

圖3 已安裝的3S裝置照片

圖4 運行中的3S裝置照片

每臺超音速分離器全長3 m，重850 kg，氣相入口、液相出口、氣相出口公稱直徑均為150 mm，均通過法蘭與相應管道連接，設計處理量為（180～185）×104m3／d，最大工作壓力為16 MPa。設備本體上設計安裝有6個壓力表和1個溫度表，氣相出口安裝溫度變送器，用以監控設備的運行狀態。3S本體沒有可調整的部件。

3 脫水脫油工藝流程

天然氣低溫脫水脫油是牙哈凝析氣處理廠的關鍵工藝，以往采用J-T閥節流制冷和后續的分離器達到脫水脫油目的。

目前，原料天然氣流量為380×104m3／d，溫度為48.98℃、壓力為10.50 MPa。天然氣首先經空冷器冷卻，向其中注入乙二醇作為天然氣水合物抑制劑，然后經過換熱器（01E—2201）與低溫的干氣換熱，降溫至0℃，進入到J-T閥前分液罐（01V—2208）初步分離，再經J-T閥節流，壓力降低至7.0 MPa，溫度降低到－17℃，最后進入低溫分離器（01V—2202A／B）脫水脫油，分離出來的液烴作為液化石油氣的原料，干氣去外輸氣壓縮機增壓外輸至“西氣東輸”管道或經注氣壓縮機回注到地層。

新增的3S分離器的氣相入口與J-T閥并聯，氣相出口去低溫分離器氣相出口，分離出來的凝液進入低溫分離器（圖5）。

4 效果評價

經過試運行及調整之后，2011年6月30日正式開始投用2套3S裝置。運行期間，3S裝置沒有異常振動和噪音，滿足技術規格書的要求，運行平穩、可靠。同時進行了現場操作數據記錄。超音速分離器設計參數與實際運行參數對比情況見表1，運行3S與運行JT閥凝液產量對比情況表2。

由表2可以看出，投用3S后，低溫分離器（01V—2202A／B）總的凝液量比運行J-T閥時（J-T閥后制冷溫度為－17℃）有較大幅度的增加，在進行統計計算的24 h內，總的液相流量增加了126.76 m3，即60.84 t（液相密度為480 kg／m3），平均每小時增加5.28 m3（2.54 t）；同時由于3S分液的效果好，干氣的水露點由J-T閥運行時的－20.0℃大幅降至－40.5℃，效果非常明顯。

表1中3S“入口壓力”的運行值低于設計值是由于3S前的手動節流截止閥存在一定壓降，導致實際的3S入口壓力約為9.6 MPa。該壓力值比原設計的10.85 MPa值要低，這使得3S的氣、液相出口溫度比原設計的要高些。即便如此，2臺低溫分離器（01V—2202A／B）總的液相流量還是增加了60.84 t／h，比設計的液量增加值46.8 t／d（±10%）多出14.04 t／d。

5 結論

圖5 3S工藝流程簡圖

表1 超音速分離器設計參數與實際運行參數對比表

表2 運行3S與運行J-T閥凝液產量對比表

超音速分離器是一種集成低溫制冷及氣液分離的新技術，相對于傳統制冷設備，其優勢非常明顯。

1）效率高。發生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程以及發生在擴散器中的減速、升壓、升溫過程，均為氣體的內部能量轉換過程，經過全面優化設計，使得能量損失降低到最低限度。

2）能耗低。與低溫法丙烷制冷相比，在凝液收率相同的情況下，3S可減少制冷壓縮機電耗50%～70%；而3S代替膨脹機，在凝液收率相同的情況下，可多回收15%～20%的壓縮功率。

3）無轉動部件、屬靜設備，因此運行更加安全可靠。

4）工藝過程和設備簡單，投資省。

5）本身無消耗，無須水、電、儀表風的支持，除了溫度和壓力的監控，不依賴控制系統，運行成本低。

6）無廢水、廢液排出，對環境無影響。

7）體積小，占地和占有的空間小。

在條件允許時，采用超音速分離器，可以更深度地脫水脫油，從而提高商品天然氣的品質，并可增加凝液產量，同時明顯降低能耗，獲得更好的經濟效益［4］。

但是值得一提的是，目前3S運行時間還很短，可能仍存在一些問題沒有完全暴露出來，另外生產廠家宣稱超音速分離器的設計整體壽命大于10年，幾乎沒有檢修工作量，這些都需要時間的檢驗。

［1］王遇冬.天然氣處理原理與工藝［M］.2版.北京：中國石化出版社，2011.

［2］劉恒偉，劉中良，張建，等.超聲波旋流脫水裝置及其內部流動的理論解［J］.北京工業大學學報，2006，32（9）：829-831.

［3］程霖，額日其太，計維安，等.天然氣超音速分離器中漩渦發生器及噴管的數值模擬研究［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：232-235.

［4］高曉根，計維安，劉薔，等.超音速分離技術及在氣田地面工程中的應用［J］.石油與天然氣化工，2011，40（1）：42-46.

（修改回稿日期 2012-05-09 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.018

中國石油塔里木油田公司超音速分離工藝先導性試驗（編號：22-091c147）。

溫艷軍，1978年生，工程師，工學學士；主要從事采氣及天然氣加工工藝技術研究工作。地址：（841000）新疆維吾爾自治區庫爾勒市中國石油塔里木油田公司天然氣事業部牙哈作業區。電話：（0996）2179938，13999620896。E-mail：pcmeican＠yahoo.com.cn