蘇里格氣田天然氣露點控制工藝研究與應用

張文超 劉明堃 何 蕾 張彩霞

1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018；

2.蘭州城市學院，甘肅 蘭州 730070

0 前言

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地中北部，勘探面積約4×104km2，總資源量3.8×108m3，是中國超萬億方大氣田。蘇里格氣田采用了集中處理的總體凈化工藝技術路線，建產規模為230×108m3/a，建成6座天然氣處理廠，其中第一處理廠處理規模為30×108m3/a，其余5座處理廠處理規模均為50×108m3/a。

1 天然氣特征

蘇里格氣田天然氣中CH4含量在90%以上，基本不含H2S，CO2含量小于3%，氣體中除含一定量C2～C6外，另含有少量C7+重組分，平均1×104m3天然氣約產0.02 m3凝析油[1]，屬微含凝析油天然氣，蘇里格氣田井口典型原料氣組分詳見表1。

根據 GB 17820《天然氣》規定，Ⅱ類商品天然氣氣質指標為H2S含量≤20 mg/m3，CO2含量≤3%，針對蘇里格氣田天然氣氣質特點，不需進行脫硫、脫CO2處理，但需脫油、脫水，進行水露點、烴露點控制。

表1 蘇里格氣田井口典型原料氣組分

2 露點控制工藝

用于天然氣脫水以控制水露點的工藝方法主要有低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三類方法。單一低溫分離脫水法常用于有足夠壓力、能進行節流制冷場所；固體吸附法用于深度脫水，如加氣站分子篩脫水，水露點可達到-60℃左右，另外深冷工藝也常用固體吸附法；溶劑吸收法適合水露點控制，普遍采用甘醇類如三甘醇吸收。以三甘醇脫水進行水露點控制是目前應用最廣的方法，長慶靖邊氣田就全部采用了該法。

控制天然氣的烴露點采用的工藝方法主要有低溫分離、溶劑吸收和固體吸附等方法。溶劑吸收常采用油吸收工藝，由于能耗高，現已應用不多；固體吸附采用活性碳，應用較少。目前，在輕烴回收工藝中絕大部分都是采用低溫分離法，只不過是制冷工藝和冷凝溫度的差異。低溫分離法是天然氣烴露點控制的最佳工藝，應用最廣[2]。

低溫分離法可以同時脫油、脫水，滿足水露點、烴露點的控制要求，流程簡單、投資低、運行費用低[3-6]。在新疆的凝析氣田、長慶殼牌長北合作區、長慶榆林氣田和米脂氣田均采用了該工藝，取得良好效果。

蘇里格氣田的6座處理廠全部采用低溫分離法進行水露點、烴露點的控制。

3 冷凝溫度的確定

低溫分離法第一步是要確定冷凝分離的溫度，冷凝分離溫度取決于外輸產品氣的露點要求及低溫分離器的效率。

根據 GB 17820《天然氣》規定，在天然氣交接點的壓力和溫度條件下,天然氣的水露點應比最低環境溫度低5℃，天然氣中應不存在液態烴。此外，GB 50251《輸氣管道工程設計規范》也規定了管輸天然氣的水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5℃，烴露點應低于最低環境溫度。

蘇里格氣田產品氣除內蒙古本地少量用戶外，其余天然氣全部經榆林輸送至陜京管線。

處理廠原料氣經過集氣干線，進廠壓力都為2.5MPa，處理廠外輸壓力為5.8 MPa。由圖1～2原料氣組分相圖可知，夏季工況下的烴露點約為24.91℃，水合物形成溫度為7.58℃；冬季工況下的烴露點約為6.94℃，水合物形成溫度為6.95℃。

處理廠產品氣的交氣點主要在榆林，距蘇里格氣田天然氣處理廠的距離都在70 km以上，榆林交氣點壓力為3.9 MPa，產品氣需滿足GB 17820《天然氣》Ⅱ類商品天然氣氣質指標。由于天然氣管線絕大部分埋于凍土層以下，平均溫度冬天不會低于0 ℃，夏季一般大于10℃，水露點達到-5 ℃(冬)/ 5 ℃(夏)，烴露點達到0 ℃(冬)/10℃(夏)即可認為滿足國標要求。

考慮處理廠至榆林交氣點輸氣管道對天然氣的水露點、烴露點的要求，即最高輸送壓力5.8 MPa下水露點滿足 -5 ℃ (冬 )/5 ℃ (夏 )，烴露點為 0 ℃ (冬 )/10 ℃ (夏 )(不考慮陜京管線)。

處理廠產品氣必須滿足以上水露點、烴露點要求，根據天然氣相特性，壓力越高，水露點越高，壓力降低，水露點降低。因此只需處理廠外輸天然氣水露點滿足要求，輸送至榆林交氣點過程中，隨著壓力降低，水露點必定滿足交氣要求。烴露點由于存在反凝析現象，與水露點相反，壓力降低，露點反而會升高，可以對5.8 MPa烴露點在3.9 MPa下進行校核。

圖1 處理廠原料氣組分相圖(夏季)

圖2 處理廠原料氣組分相圖(冬季)

根據Unisim Design軟件模擬可知，外輸管道天然氣 5.8 MPa下-5 ℃(冬)/5 ℃(夏)的水露點，其3.9 MPa下對應的水露點為-9.67 ℃(冬)/3.22 ℃(夏)；5.8 MPa下-5 ℃(冬)/5 ℃(夏)的烴露點，其3.9 MPa下對應的烴露點為-1.11 ℃(冬)/8.01 ℃(夏)，達到管輸天然氣水露點、烴露點要求即可滿足榆林交氣點水露點、烴露點要求。

由于分離器效率對冷凝分離的溫度影響較大，一般情況下由于分離器效率將導致露點上升3 ～ 10℃[3]，所以設計選擇最低冷凝分離溫度為-15 ℃(冬)/-5 ℃(夏)，實際運行的冷凝分離溫度可以根據實測的水露點、烴露點進行調整。脫油、脫水后凈化氣相圖見圖3～4。

4 制冷工藝及流程

蘇里格氣田屬于典型的低壓氣田，采用增壓節流進行制冷，運行成本大，投資高，聯合制冷也不適用，6座處理廠采用外加冷源方式。

在制冷劑的選用上，相對于氨氣，丙烷與天然氣同屬烷烴類，且丙烷更環保和健康，對材質要求低[4]，蘇里格氣田天然氣處理廠采用了丙烷作為制冷劑。

圖3 脫油、脫水后凈化氣相圖(夏季)

圖4 脫油、脫水后凈化氣相圖(冬季)

原料氣由進站區進入增壓站，壓力由2.4 MPa增壓至6.1 MPa；經過空冷后，進入預冷換熱器，利用外輸的冷干氣對原料氣進行預冷，夏季溫度降低至3.8 ℃，冬季溫度降低至-7.3 ℃；再進入丙烷蒸發器，與液體丙烷進行換熱降溫，夏季溫度降低至-5 ℃，冬季溫度降低至-15 ℃；進入低溫分離器進行脫油、脫水，分離后的冷干氣再進入預冷換熱器，最后外輸。蘇里格氣田天然氣處理廠工藝流程見圖5。

圖5 蘇里格氣田天然氣處理廠工藝流程圖

為防止運行過程中天然氣水合物的生成，還需在預冷換熱器的入口和丙烷蒸發器入口注入水合物抑制劑甲醇，甲醇經過回收裝置循環使用。

在低溫分離工藝中預冷換熱器是回收冷量的關鍵設備，對降低丙烷制冷負荷至關重要，經過對比選擇，由于板翅式換熱器抗堵塞能力較差，堵塞后解堵困難，影響處理廠的正常生產，處理廠仍采用了管殼式預冷換熱器，采用增加帶低翅片的直管，可以大大提高換熱效率，但管殼式換熱器存在體積大、占地面積大、耗鋼量大、投資高等缺點[5]。

低溫分離器是低溫分離工藝的核心設備，分離效果的好壞直接決定處理廠外輸氣的水露點、烴露點。處理廠采用殼牌公司專利產品SMSM型高效分離元件，利用重力分離、整流、漩流分離方式，分離效率達到95%以上[6]。經現場使用，能保證規定的露點比分離溫度高3～5 ℃。

5 結論

蘇里格氣田第一至第五處理廠已建成投產，第六處理廠計劃2014年初投產。低溫分離工藝在蘇里格氣田已運行8年，平穩可靠。經檢測，正常情況下露點比冷凝溫度升高3℃，完全滿足產品氣水露點、烴露點要求。

[1]冉新權,李安琪. 蘇里格氣田開發論(第二版[)M]. 北京:石油工業出版社, 2013. 223-224.Ran Xinquan,Li Anqi. Sulige Gas Field Development Approach(2nd Edition)[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2013. 223-224.

[2]石油和化工工程設計工作手冊編委會. 石油和化工工程設計工作手冊 第三冊 氣田地面工程設計[M]. 東營:中國石油大學出版社, 2010. 358-366.Petroleum and Chemical Engineering Handbook Editorial Board. Petroleum and Chemical Engineering Handbook Volume Ⅲ The Design of Gas Field Surface Engineering[ M].Dongying: China Petroleum University Press, 2010. 358-366.

[3]王遇冬.天然氣處理原理與工藝(第二版)[M]. 北京:中國石化出版社, 2011. 82-93.Wang Yudong. Gas Processing Principles and Technology(2nd Edition)[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2011.82-93.

[4]解永剛,張 昆,魏 超,等. 天然氣處理廠丙烷制冷系統節能改造[J]. 天然氣工業, 2013, 33(2): 99-104.Xie Yonggang,Zhang Kun,Wei Chao, et al. Transformation Measures for Energy Saving of the Propane Refrigeration System in the Yulin Natural Gas Processing Plant, Changqing Gas Field[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(2): 99-104.

[5]胡益武,胡 玲,劉慧敏,等. 低溫分離工藝預冷器的選型與化工設計[J]. 天然氣與石油, 2006, 24(3): 16-18.Hu Yiwu, Hu Ling, Liu Huimin, et al. Low-Temperature Separation Process Precooler Selection and Chemical Engineering Design[J]. Natural Gas and Oil, 2006, 24(3):16-18.

[6]徐彥明,楊小龍. 長北氣田SMSM低溫分離器的優化改造[J]. 天然氣工業, 2010, 30(3): 87-89.Xu Yanming, Yang Xiaolong. Optimization and Alteration of the SMSM Low-Temperature Separator in the Changbei Gas Field[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(3): 87-89.