甲醇自動加注技術在輕烴外輸系統(tǒng)的應用

胡建立（大慶油田建設集團有限責任公司工程公司第二工程處）

甲醇自動加注技術在輕烴外輸系統(tǒng)的應用

胡建立（大慶油田建設集團有限責任公司工程公司第二工程處）

原油穩(wěn)定裝置生產的輕烴含有部分水，冬季管輸時為防止出現水合物凍堵而加注甲醇。甲醇加注量過多，增加裝置的物耗和能耗。為了解決上述問題，新建了一套甲醇自動加注防凍堵系統(tǒng)，通過對輕烴含水量的檢測和輕烴輸送量的綜合計算，適時調節(jié)甲醇加注量，實現了既不發(fā)生凍堵，又節(jié)能的目的。每年節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，經過裝置實際運行檢驗，應用效果良好。

輕烴輸送；水合物；凍堵；甲醇；自動加注

原油穩(wěn)定裝置生產的輕烴通常含有0.005%～ 0.01%的游離水，冬季向外輸送時，需要持續(xù)加注甲醇以防止發(fā)生水合物凍堵。甲醇加注量為統(tǒng)一規(guī)定的輕烴輸送量的3%～5‰，每年消耗甲醇較多，約為160～170 t。為解決該問題，真正做到生產裝置的節(jié)能、環(huán)保，需要在原油穩(wěn)定裝置內部新建一套甲醇自動加注撬裝系統(tǒng)，在裝置外輸輕烴時，自動啟動自適應甲醇加注系統(tǒng)，保證裝置的安全平穩(wěn)運行。

1 輕烴輸送凍堵的成因

1.1 水合物形成的機理

當C1～C4的烷烴分子溶于水時，水分子將圍繞著這些烷烴分子定向排列，形成不穩(wěn)定晶核簇，這些不穩(wěn)定簇在水合物生成過程中起著基塊的作用，這段時期是水合物生成的誘導期。不穩(wěn)定晶核簇一旦形成就可以迅速生長聚集形成穩(wěn)定的晶核，這就是水合物的生長階段。如果在該階段輸送的輕烴受到的擾動力、驅動力較大，作用力越強，水合物生長的速率越快[1]。

1.2 水合物形成的條件

原油穩(wěn)定裝置生產的輕烴含有部分C1～C4的烷烴組分，而且含水比較多。輕烴在輸送管道中，當壓力和溫度都達到一定范圍時會形成烴類水合物。烴類水合物的形成條件比較溫和，通常溫度范圍是10℃以下，壓力范圍在3～5 MPa之間。水合物很容易在管道的轉彎或者節(jié)流等流體出現擾動處聚集，堵塞輸送管道。水合物生成的臨界溫度見表1。

表1 水合物生成的臨界溫度

2 甲醇自動加注技術

甲醇是一種無色、透明、易燃和有毒的液體，能與水和大多數有機物相混溶，遇到熱、明火或氧化劑容易著火。反復接觸甲醇蒸氣會導致失明，甚至死亡，有一定的危險性。

南八原油穩(wěn)定裝置原來的2臺甲醇加注泵在輕烴外輸泵房內，甲醇泵為容易泄漏的柱塞泵，泄漏的甲醇在泵房內聚集，對巡檢的員工有毒害性。本項目的實施，將甲醇自動加注的撬裝系統(tǒng)置于泵房外，應用的隔膜泵是無泄漏泵，平時該撬裝系統(tǒng)的維護量很小，杜絕了員工的中毒風險。

2.1 加注甲醇防止輕烴發(fā)生水合物凍堵的機理

防止輕烴輸送時發(fā)生水合物凍堵就必須破壞水合物形成的條件，提高輕烴溫度和改變流體形態(tài)都很難實現。通過加入水合物抑制劑,水合物的生成曲線可移向較低溫度,經常采用的水合物抑制劑有甲醇、乙二醇和三甘醇等[2]。在工程上，甲醇是優(yōu)良的熱力學抑制劑，通過向輕烴內加注甲醇阻止游離水析出，能夠杜絕烴類水合物的生成。

2.2 甲醇自動加注系統(tǒng)的工藝技術方案

在原油穩(wěn)定裝置輕烴外輸泵房外安裝甲醇自動加注撬裝系統(tǒng)，甲醇泵的安裝高度低于甲醇儲罐的最低高度。該撬裝系統(tǒng)由2臺變頻電動機驅動的隔膜計量泵、1套耐低溫的甲醇泵控制PLC和1個變頻電動機動力柜組成。甲醇自動加注系統(tǒng)的出口線安裝手動截止閥和單流閥各1臺，并碰接在原甲醇系統(tǒng)出口管線的單流閥后側，與原系統(tǒng)并聯(lián)；甲醇泵入口安裝截止閥和過濾器，出口安裝超壓回流保護。

在輕烴外輸泵房內輕烴外輸泵入口前某一合適位置，安裝在線輕烴含水分析儀一臺，分析儀輸出的輕烴含水信號引入撬裝PLC內；輕烴外輸質量流量計輸出信號引入撬裝PLC，此信號與輕烴含水量信號通過相應的函數計算出甲醇的加注量和變頻電動機對應的輸入頻率，從而自動調節(jié)甲醇泵的加注量。改造示意見圖1。

圖1 甲醇自動加注系統(tǒng)改造示意圖

2.3 甲醇自動加注系統(tǒng)控制方案

1）當PLC檢測到環(huán)境溫度不高于10℃時，啟動輸烴加注甲醇程序。

2）PLC讀入輕烴質量流量計和輕烴含水分析儀數據，計算出輕烴內含水總量，通過甲醇水溶液的性質計算出理論甲醇加注量。其中，甲醇泵排量和變頻電動機的運行頻率成正比。南八原油穩(wěn)定項目中選擇的甲醇體積分數為65%，此時對應的凝固點約為-70℃（表2）。

表2 甲醇水溶液體積比和凝固點對應

甲醇泵的電動機工作輸入頻率由式（1）計算得出：

H——電動機輸入頻率，Hz；

F——輕烴質量流量計流量，t/h；

A——輕烴含水率，%。

3）甲醇泵的啟停和輕烴外輸泵啟動信號與環(huán)境溫度信號做與運算的輸出相關聯(lián)，當結果為真時，甲醇泵自動啟動。

4）主甲醇泵啟動失敗后自動切換啟動輔助甲醇泵，并輸出報警信號。

5）輕烴外輸泵停止3 s后，停甲醇泵。

6）如果輕烴流量或輕烴含水分析儀輸入信號任意一個有故障時，則PLC向主控室DCS上輸出聲光報警，撬裝PLC自動將甲醇加注量控制程序的輸出置為最大值，即PLC控制變頻電動機的頻率為50 Hz，甲醇泵注入量為150 L/h，直到輸入信號正常為止。

7）如果環(huán)境溫度低于10℃，且輕烴泵處于運行狀態(tài)，但是甲醇泵沒有運行，則PLC向DCS輸出報警。

8）DCS上顯示甲醇自動加注系統(tǒng)甲醇泵的運行狀態(tài)和PLC與DCS通訊是否正常狀態(tài)，如果出現PLC與DCS通訊故障，則在DCS上顯示聲光報警，提示必須進行維修。

（9）如果PLC存在故障，而此時輕烴泵必須啟動，則手動啟動輕烴泵房內的備用甲醇泵。

控制邏輯圖見圖2。

圖2 甲醇自動加注控制邏輯圖

2.4 技術應用效果

甲醇自動加注系統(tǒng)自從2014年在南八原油穩(wěn)定裝置現場應用以來，從未出現過輕烴輸送管線凍堵現象。按照2013年的裝置物耗統(tǒng)計，南八原油穩(wěn)定裝置原來每年需要加注甲醇約160 t，本項目實施后每年只需要加注甲醇12 t左右。每年可節(jié)約甲醇148 t，節(jié)電4700 kWh，直接經濟效益20余萬元。

輕烴內加注的甲醇會聚集在丙烷餾分中，過量地加注會導致下游化工裝置催化劑失活，間接經濟效益也很大。

2.5 系統(tǒng)存在的問題

1）甲醇計量泵對甲醇的計量是開環(huán)的，實際甲醇的加注量是由計算得出，不能直觀反映甲醇加注量。

2）輕烴輸送管線可能距離很長，當環(huán)境溫度下降，系統(tǒng)開始加注甲醇時，管線里的輕烴有可能形成烴類水合物。

3 結論

甲醇自動加注系統(tǒng)運用了輕烴含水率與輕烴外輸流量計算出輕烴含水量，從而計算出需要加注的甲醇量和電動機對應頻率。PLC通過檢測環(huán)境溫度和輕烴泵的運行狀態(tài)自動判斷是否啟動甲醇泵，實現了南八原油穩(wěn)定輕烴管輸時能夠既防止出現水合物凍堵，又可實時調節(jié)加注量。提高了甲醇加注效率，降低了甲醇的消耗，保障了原油穩(wěn)定裝置及輕烴管網的平穩(wěn)運行。

[1]李明川，樊栓獅.天然氣水合物形成過程3階段分析【J].可再生能源，2010，28（5）：80-83.

[2]王海霞,陳保東,陳樹軍.輸氣管線中水合物的形成及預防[J].天然氣與石油，2006，24（1）：29-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.017

2016-05-27

（編輯 李珊梅）

胡建立，工程師，2002年畢業(yè)于佳木斯工學院（機械設備與工藝專業(yè)），從事油田建設方面工作，E-mail：163daqing@163. com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田建設集團有限責任工程公司第二工程處，163000。