天然氣烴水露點控制問題探討

申雷昆，蔣 洪

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500）

天然氣烴水露點控制問題探討

申雷昆，蔣 洪

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500）

烴水露點為管輸天然氣的重要指標，其高低對管道輸送有較大影響，因此如何控制露點在氣田處理工藝中成為最主要的內(nèi)容。目前，我國高壓氣田大多采用節(jié)流注醇控制烴水露點，但發(fā)現(xiàn)有些氣田低溫分離器入口溫度偏離設(shè)計值加大，低溫分離器出現(xiàn)堵塞以及外輸干氣存在反凝析現(xiàn)象、管道末站有液烴析出等問題。經(jīng)研究得知:這些問題主要是換熱器、低溫分離器選型不合理以及外輸干氣烴露點控制要求存在不足造成的。對于上述問題，分別從工藝流程設(shè)計、低溫分離器及換熱器選型上提出解決方案。

露點；反凝析；醇；低溫分離器

天然氣處理中控制烴水露點是一項重要內(nèi)容，國家規(guī)范GB17802－2012《天然氣》以及GB50251－2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》對天然氣烴水露點做了明確說明。不同氣質(zhì)條件控制烴水露點的方式不同，對于有壓差可利用的氣源，可通過J-T閥或膨脹機膨脹制冷實現(xiàn)脫水脫烴，由于J-T閥膨脹制冷工藝簡單、設(shè)備操作方便、能耗低，因此我國氣田應(yīng)用較多，如克拉美麗氣田、克深氣田、克拉2、迪那2、牙哈、吉拉克凝析氣田、榆林氣田、大牛地氣田等；對于壓差較少或無壓差可用的氣源可利用外冷實現(xiàn)脫水脫烴，外冷冷源由制冷劑提供（如丙烷、氨），我國長北天然氣處理廠、榆林天然氣處理廠以及蘇里格第一天然氣處理廠等采用外冷實現(xiàn)脫烴[1-9]。

通過對國內(nèi)外低溫法控制烴水露點的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[3，4]，部分天然氣處理廠的烴水露點比低溫分離器的溫度高很多，達不到設(shè)計規(guī)范要求；此外還發(fā)現(xiàn)部分氣田換熱設(shè)備及分離器有堵塞現(xiàn)象，本文將重點研究低溫法所存在的問題以及提出改進措施。

1 烴水露點控制方法

為滿足天然氣生產(chǎn)處理及管輸要求，必須將天然氣中的重烴及水分離。對于氣質(zhì)較貧且只需滿足水露點要求的氣源可通過溶劑法、吸附法以及膜分離法等脫除天然氣中的水；對于需同時滿足烴水露點要求的原料氣，可采用低溫法實現(xiàn)脫水脫烴。

溶劑吸收法是通過溶劑吸收天然氣中的水分達到脫水的效果，常用溶劑有三甘醇（C6H14O4）等。在實際生產(chǎn)過程中，由于原料氣中攜帶有無機鹽、有機雜質(zhì)、管道腐蝕產(chǎn)物等容易引起三甘醇發(fā)泡，因此應(yīng)當增加過濾分離設(shè)備，減少雜質(zhì)對甘醇的影響[10-12]。

膜分離技術(shù)是在有壓差的條件下，不同分子通過膜的速率不同以及在膜表面吸附能力不同實現(xiàn)分離，是在擴散、選擇性通過的綜合作用。對于高壓氣田氣，膜分離技術(shù)已成功應(yīng)用于脫水、脫烴以及脫酸氣。對于低壓原料氣，我國最早在勝利油田樁西采油廠應(yīng)用膜分離技術(shù)分離重烴。該技術(shù)成本低、工藝簡單、能耗低，具有廣闊的應(yīng)用前景[13，14]。

低溫法是通過降低原料氣的溫度使氣體中的水及重烴冷凝聚集沉降達到氣液分離的效果。目前采用低溫分離工藝的氣田一般采用膨脹制冷或者外加冷源制冷。膨脹制冷工藝是利用高壓天然氣通過J-T閥、膨脹機或超音速噴管膨脹產(chǎn)生冷量使得水和重烴聚結(jié)實現(xiàn)氣液分離，其中J-T閥工藝簡單，設(shè)備少，大多數(shù)高壓氣田采用J-T閥制冷工藝[15]。典型的節(jié)流注醇低溫分離工藝流程圖（見圖1）。

圖1 典型節(jié)流注醇低溫分離工藝流程

2 低溫法控制烴水露點問題分析

在研究大量節(jié)流膨脹制冷注醇防凍堵工藝的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，烴水露點一般比低溫分離器溫度高5℃~10℃[16]。但有些氣田烴水露點與設(shè)計值相差太大[1-4]，烴露點達不到管輸要求，其原因在于低溫分離器以及換熱設(shè)備的效率不滿足設(shè)計要求；外輸氣中含有的水化物抑制劑對露點檢測也有較大影響。

2.1 低溫分離器選型不合理、分離效果差

低溫分離器作為氣液分離的關(guān)鍵設(shè)備，其分離壓力溫度及選型對分離效果起到?jīng)Q定性作用。低溫分離器有旋流分離器以及重力式分離器與分離元件組合型等。分離器的高效分離元件主要有高效絲網(wǎng)除霧器、高效折流板除霧器和高效渦流板除霧器。為提高其低溫分離器氣液分離效果，設(shè)計時應(yīng)采用高效、合理的內(nèi)部分離元件。部分氣田低溫分離器選型及干氣烴水露點（見表1），從表1中可以發(fā)現(xiàn)，低溫分離器溫度遠低于烴水露點溫度，與設(shè)計值相差較大，分離器的氣液分離效果差。氣質(zhì)中含有的蠟成分造成低溫分離器出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，致使分離效果達不到設(shè)計要求，現(xiàn)場堵塞物質(zhì)（見圖2），因此如何正確選擇分離器及高效元件是滿足生產(chǎn)的關(guān)鍵。

此外，采用低溫分離法脫水脫烴時為防止水合物生成，通常采用注防凍劑（乙二醇）防止水合物生成。乙二醇作為關(guān)鍵的防凍劑，注入位置及噴注效果對防止水合物有較大影響。如果分離器分離效果差，外輸氣中如果含有微量的乙二醇，烴露點將提高8℃左右。

表1 低溫分離器選型及外輸氣烴水露點

圖2 現(xiàn)場分離出堵塞物

2.2 換熱器選型不合理

換熱器種類較多，常見的有板式、板翅式、管殼式、繞管式一級熱管管式換熱器。當前，油氣處理廠大量采用管殼式換熱器，針對高壓氣質(zhì)引進了固定管板式換熱器以及繞管式換熱器。水合物抑制劑的噴注位置一般選在固定管板式換熱器的管板處[17]，如果噴注不均勻或噴注位置不合理，在管束中極易產(chǎn)生水化物。

采用注醇、節(jié)流工藝控制烴水露點的克拉瑪依油田天然氣處理廠，其換熱器采用的是繞管式換熱器，由于原料氣中含有的固體雜質(zhì)易向下沉積，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了堵塞的情況，造成換熱效果降低，致使低溫分離器溫度升高，露點達不到設(shè)計要求。

2.3 管輸末端有烴析出

天然氣處理廠脫水脫烴后，高壓天然氣經(jīng)管道輸送至外輸總站，然后再輸送至各個門站，由于管道中天然氣壓力逐漸降低，在末站交接點有凝液析出。對某氣質(zhì)采用HYSYS軟件模擬節(jié)流低溫脫水脫烴工藝，該氣質(zhì)的烴露點設(shè)定是以滿足外輸總站交接點處無烴析出，外輸干氣相包圖（見圖3）。從圖3可以得出，隨著壓力降低露點溫度升高，因此在末站交接處可能有凝液析出。

我國管道末站向用戶供氣壓力通常分三個等級，分別為1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa，通過HYSYS軟件模擬，該外輸干氣組分在1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa壓力下氣相分數(shù)與溫度的關(guān)系（見圖4）[18，19]。從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，當溫度小于10℃時氣相分數(shù)開始變化，也就意味著氣體中有液體析出，由此可得出在管輸末站向用戶交接壓力條件下有烴析出。

圖3 外輸干氣相包圖

圖4 不同壓力下溫度與氣相分數(shù)關(guān)系

3 解決方案

3.1 多級分離工藝

對氣田處理規(guī)模大、氣質(zhì)較富且含有重烴的低溫控制烴水露點工藝，可采用多級分離脫水脫烴流程，多級分離不僅可提高分離效果，解決分離器堵塞問題，而且也降低了注醇量及乙二醇再生能耗，兩級分離工藝流程圖（見圖5）。

運用HYSYS軟件對一級和二級分離工藝模擬分析，在相同的烴水露點條件下（水露點-21℃，水化物生成溫度-25℃），兩級分離注醇量較一級分離大幅減少，約為一級分離注醇量的1/3，二級分離的烴水露點隨注醇量增加還可進一步降低可達-30℃，由于注醇量減少，乙二醇再生可大幅降低重沸器負荷，總體來說二級分離效果明顯。原料氣組分（見表2），一級分離與二級分離注醇量與水合物生成溫度的模擬結(jié)果（見圖6）。

3.2 小壓差、大面積換熱工藝

對于高壓氣田開發(fā)后期或低壓凝析氣田，原料氣壓力較低，控制烴水露點的工藝主要采用的外冷法，但其能耗高。為減少系統(tǒng)能耗，可采用小壓差、大面積換熱產(chǎn)生較大溫降實現(xiàn)脫水脫烴。小壓差、大溫降分離流程已在長慶榆林、長北氣田成功應(yīng)用，并取得良好的節(jié)能效果[20，21]。

3.3 關(guān)鍵設(shè)備選型

氣田低溫分離器大多采用重力分離器與高效元件組合，高效元件作為氣液分離的核心組件，其氣液分離效果對外輸干氣烴水露點起決定性作用，部分高效分離元件分離效果（見表3）。從表3可以看出，高效絲網(wǎng)型分離元件分離效果最好，可100%除去大于2 μm~3 μm的液滴，但在克深處理廠發(fā)現(xiàn)含重烴和蠟的低溫原料氣易造成高效絲網(wǎng)元件堵塞；高效葉片式分離元件可100%去除大于8 μm的液滴且壓降小，該分離元件分離原理是以多次改變氣體從入口到出口的方向，氣體強迫夾帶的小液滴沖擊葉片表面，在葉片表面形成液膜、聚集實現(xiàn)氣液分離，可有效防止含重烴或蠟的原料氣堵塞問題。

圖5 兩級分離工藝

圖6 不同分離級數(shù)下注醇量與水合物生產(chǎn)溫度的關(guān)系

表2 原料氣組分

表3 部分高效分離元件分離效果

圖7 雙筒臥式分離器結(jié)構(gòu)圖

對于原料氣處理量大并且含有重烴的低溫分離工藝，低溫分離器可采用帶葉片式除霧器的雙筒臥式分離器，葉片式除霧器保證氣液分離效果并防止重烴堵塞，臥式雙筒結(jié)構(gòu)可滿足較大處理量、為氣液分離提供了充足的停留時間并且可以防止液體的二次夾帶。雙筒臥式分離器（見圖7）。

換熱器作為回收冷量的關(guān)鍵設(shè)備，換熱效果的好壞將直接影響原料氣節(jié)流后進低溫分離器溫度。對于壓力大于10 MPa的高壓原料氣，可滿足高壓條件換熱的換熱器結(jié)構(gòu)有板翅式[22]、繞管式、管殼式。板翅式與繞管式換熱器對原料氣氣質(zhì)要求較嚴格，換熱介質(zhì)需為較清潔、無腐蝕的原料氣，因此用在含有雜質(zhì)的原料氣換熱不合適，容易造成換熱器堵塞。管殼式以有無溫差補償分為兩類，由于管殼式中殼程和管程存在較大溫差，可產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，需選用帶有膨脹節(jié)或U形管式的管殼式換熱器。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，固定管板采用薄管板結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器有效解決了高壓條件下大溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，并且管束易于清洗更換，造價低廉。當前我國已可以自行設(shè)計生產(chǎn)采用薄管板的、且無膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，在塔里木油田得到廣泛應(yīng)用[23]。此外，為強化換熱器傳熱效果，換熱管可選用帶有翅片的換熱管。

4 結(jié)論

通過對目前低溫脫水脫烴分離工藝分析，氣田烴水露點控制不達標的主要原因在于換熱器及低溫分離器選型不合理，分離效果不能滿足設(shè)計要求。為滿足露點生產(chǎn)要求，提出以下建議:

（1）對于處理較大、氣質(zhì)較富且含有重烴的氣田，可通過優(yōu)化低溫分離工藝，如采用多級分離實現(xiàn)露點控制，來減少系統(tǒng)能耗。

（2）選擇合理的分離設(shè)備及換熱器。對于高氣液比并含有蠟的原料氣建議采用帶葉片式除霧器的雙筒臥式分離器；換熱器應(yīng)選用耐高壓的固定管板式換熱器。

（3）我國《天然氣》標準對烴露點控制還存在不足，沒有明確交接點位置，造成管輸天然氣末站有液烴析出，如何確定烴露點有待進一步研究界定。

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長慶油田累計生產(chǎn)原油突破3億噸

截至4月10日，有近47年開發(fā)歷史的長慶油田，累計生產(chǎn)原油3.001 1億噸。

從油田會戰(zhàn)開始就大力弘揚解放軍精神、延安精神及大慶精神鐵人精神的長慶人，用科學求實和苦干實干的實際行動，攻克了油氣勘探開發(fā)的一道道難關(guān)。到2006年，長慶油田原油年產(chǎn)量一舉突破1 000萬噸，建成我國第一個千萬噸級的低滲透油田，步入大型油田行列。近幾年，在超低滲及致密油的開發(fā)過程中，長慶油田通過精細勘探、超前注水、油藏改造、水平井鉆井、體積壓裂、吞吐采油等一系列新工藝新技術(shù)，讓華慶、合水、環(huán)江、新安邊、鎮(zhèn)原、吳起等一個個致密油田，出現(xiàn)在長慶油田的版圖上，并實現(xiàn)了效益開發(fā)。目前，這些致密油區(qū)塊的年產(chǎn)量均達百萬噸以上。昔日被國外專家打入“死牢”的區(qū)塊，如今個個成為長慶油田年穩(wěn)產(chǎn)5 000萬噸油氣當量的中堅力量。至2016年，長慶油田致密油年產(chǎn)量已達1 000萬噸以上。

長慶油田原油年產(chǎn)量自2011年突破2 000萬噸后，如今每年都穩(wěn)產(chǎn)在2 400萬噸左右。原油產(chǎn)量成為長慶油田年穩(wěn)產(chǎn)5 000萬噸的半壁江山。

（摘自中國石油新聞中心2017-04-14）

Discussion on dew point control of natural gas hydrocarbon water

SHEN Leikun，JIANG Hong
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

Hydrocarbon and water dew point as an important standard of pipeline gas,the dew point has great influence on pipeline,so how to control the dew point become the main content in gas treatment.At present,J-T valve refrigeration and glycol anti-freezing is common in most high pressure gasfield.But we found that the low temperature separator's inlet temperature deviates from the design value in some gasfield,the low temperature separator blockage,retrograde condensation phenomenon and liquid hydrocarbon in pipeline. The reason of these problems is due to the unreasonable selection of heat exchangers and low temperature separator and hydrocarbon dew point control shortcomings.To solve the above problems,the paper main through study technique design,low temperature separator and heat exchanger type selection to put forward the solutions.

dew point；retrograde condensation；alcohol；low temperature separator

TE965

A

1673-5285（2017）04-0136-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.034

2017－03-09

申雷昆，男（1990-），碩士研究生，現(xiàn)就讀于西南石油大學石油與天然氣工程學院，主要從事天然氣處理方向的研究工作，郵箱:shenleikun@126.com。