浮式液化天然氣裝置LNG預處理工藝大型分離設備研究進展

李 焱， 喻西崇， 王春升， 王 清， 韓旭亮

(中海油研究總院， 北京 100028)

浮式液化天然氣裝置LNG預處理工藝大型分離設備研究進展

李 焱， 喻西崇， 王春升， 王 清， 韓旭亮

(中海油研究總院， 北京 100028)

分離設備是海上浮式生產系統上天然氣預處理的重要設備，在海上油氣田特殊環境下，分離設備在氣液不均勻分布條件下會嚴重影響分離效率，使預處理工藝效率降低。通過調研有關晃蕩條件下分離設備氣液流動和傳質性能的研究現狀，分別對氣液分離器、填料塔等典型設備和常用的凈化工藝進行討論分析，為提高浮式設備的分離效率提供新的研究思路。結合工程實際,指出晃蕩條件下分離設備運行性能的現有問題和今后的研究重點，為浮式環境中分離器的選型和優化設計提供建議。

海上油氣開發；浮式液化天然氣裝置(FLNG)；氣液分離；海上環境；晃動；分離效率

0 引 言

據估計，世界初級能源的市場利用份額在2012—2035年間將以每年1.5%的增速逐步上升，而天然氣作為重要的初級能源，其消耗則預估每年增長1.9%[1]。隨著全球天然氣貿易的增加，液化天然氣(LNG) 扮演著日益重要的角色。預計在2035年，LNG 在全球天然氣消費市場將占比15%。龐大的市場需求使世界各國對海上天然氣資源的開采利用產生了足夠的興趣[2]。但由于海上環境嚴峻、技術難度大、投資巨大、建設周期長、安全風險高等特點，使得陸上傳統管道輸送的開發模式無法滿足開發需求。近年來海洋工程界提出了一種新型的開發模式，即浮式液化天然氣生產儲卸裝置(LNG-FPSO, 又稱FLNG)。該裝置集合了 LNG 生產、預處理、液化、儲存、運輸與裝卸等功能，簡化了邊際油田開發的過程，具有建造周期短、便于遷移等優點而備受青睞[3]。

在FLNG 裝置上部模塊中，預處理過程需要采用分離技術對天然氣進行凈化處理。相關分離技術在陸上應用相對成熟，但是由于FLNG 裝置在海上環境運行，對安全性和可靠性提出了更高的要求。本文針對在海況引起的船體晃蕩條件下分離設備氣液流動和傳質性能的研究現狀，分別對氣液分離器、填料塔等大型分離設備和典型凈化工藝進行討論分析，為提高浮式設備的分離效率提供新的研究思路，為浮式環境中分離器的選型和優化提供一定的設計建議。

1 FLNG裝置預處理工藝設備關鍵問題

天然氣進入液化流程之前需要進行預處理。預處理與液化工藝流程如圖1所示。天然氣的預處理是指脫除原料天然氣中的硫化氫、二氧化碳、水分、重烴和汞等雜質，以免這些雜質腐蝕設備或在低溫下凍結從而堵塞設備和管道。當按照LNG的溶解度考慮時，一般情況下天然氣允許的原料氣雜質含量不同。CO2含量(體積分數，下同)應低于4×10-5， H2S含量應低于7.35×10-4， H2O含量應低于10-11[4]。

圖1 天然氣預處理液化工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of natural gas pretreatment and liquefaction

天然氣預處理工藝流程中通常會用到較大型的分離設備，如氣液分離器、塔器等。這些裝置由于設備內部工質流動慢、氣液界面較大等特點不可避免地會出現作業條件的要求差異。由于FLNG上天然氣液化設施的空間布置和浮動平臺晃動對設備性能可能產生不良影響[5]，因此FLNG 裝置的選擇最關鍵的問題在于設備的效率和空間占用量的優選： 設備的總體布局既要保證流程的緊湊高效，又要考慮到LNG 儲罐等其他模塊設施的安全性和可靠性問題。

2 FLNG裝置預處理工藝大型分離設備

2.1 氣液分離器

分離器設備主要用于油氣分離，也可以作為油、氣、水和泥沙等多相分離、緩沖、計量的工具。一般地，油氣水分離是依靠密度差進行沉降分離，分離器的主要分離部分即是應用這個原理。液體的沉降速度和連續相的物性對分離效果具有決定性的影響。在陸上常用的分離器類型有立式和臥式兩種，如圖2所示。臥式分離器的液相處理量大，安裝高度低；立式分離器氣相處理量大，占地面積小，安裝高度高[6]。在浮式平臺上，由于外界環境存在晃動情況，對依靠重力沉降原理的分離器存在較大影響，由于液面波動而引起兩相流的再次混合，進一步抵消沉降作用。研究發現： (1)橫搖工況下，立式分離器未能完全分離氣液兩相，臥式分離器保持良好的分離性能，明顯優于立式分離器；(2)橫搖工況下，立式分離器中氣液界面波動的幅度和頻率均大于臥式分離器，立式分離器的氣液界面雜亂無序，臥式分離器的氣液界面波動平穩，氣液界面的劇烈擾動造成立式分離器分離性能的顯著降低；(3)橫搖工況下，氣液界面的劇烈波動造成立式分離器的壁面應力增加，臥式分離器的壁面應力做周期性變化，臥式分離器的壁面應力明顯低于立式分離器。

(a) 立式 (b) 臥式 圖2 分離器結構簡圖Fig.2 Structural sketch of separators

因此，比較立式和臥式分離器的性能，立式分離器的液面晃動更小，占地面積小。立式分離器通常用于高氣液比的油氣混合物分離，比如用作氣體洗滌器、分液罐等，以便除去大量氣體中所含的少量液體。當液相占比較大時，則采用臥式分離器進行氣液分離。一般情況下，天然氣從海管進入 FLNG 時設置三相分離器(見圖3)，經進口分氣包預脫氣后又進入水洗室，分離出大量的游離水，沒有分離的混合液則進入沉降室，最終實現油水分離。

圖3 FLNG油氣水三相分離器臥式結構圖Fig.3 Structural diagram of oil-gas-water three-phase separator on FLNG

在使用臥式分離器時，為了降低分離器所受的海況晃動影響，需要利用內部擋板的設置減小波動。對臥式分離器的分離性能進行擋板優化，選取多個擋板均勻布置的方式即可達到良好的分離效果(見圖4)。結構優化后，氣相出口和液相出口的波動明顯減小，周期大幅縮短，液面波動的周期減小為原來的1/5，波峰高度變化范圍減小為原來的1/2，優化效果明顯。

圖4 三個擋板均勻布置在分離器中Fig.4 Damper adjustment with three dampers distributed uniformly in the separator

在FLNG、 FPSO、海上平臺等海上油氣田開發裝置上，從所需的占地面積、分離效果、工質流體組分物性差異等方面考慮，除了傳統的重力沉降分離之外還可以合理運用離心分離、碰撞和聚結分離等原理進行天然氣中水雜質的脫除，具體包括超音速脫水法、膜分離法、分子篩吸附脫水方法等[7]。其中超音速脫水占地小、造價低，但脫水程度不高，無法直接達到天然氣中水含量要求；膜分離法對酸性雜質和水都有很好的脫除作用，但性能尚存在不穩定性，在烴損失、濃差極化、膜的塑化等方面仍存在著挑戰；分子篩脫水則對氣溫、流速、壓力等變化不敏感，也沒有腐蝕、形成泡沫等問題[8]。因此，推薦采用分子篩作為天然氣預處理中的深度脫水工藝。

2.2 塔器

目前，FLNG預處理工藝環節中，另一個關鍵技術問題是如何避免脫酸塔、脫重烴塔[9]受船舶運動而帶來的影響[10]。目前海上應用比較廣泛的較典型的大型塔器按照結構形式劃分為板式塔和填料塔。這兩種塔器的適用范圍和優缺點如表1所示。

表1 板式塔與填料塔比較分析Table 1 Comparison between plate tower and packed tower

通過表1對比可以發現，在運動條件下填料塔結構更適于進行天然氣預處理脫酸操作。隨著近年來塔器在浮動平臺等裝置上的廣泛應用，施加在操作塔上的傾斜和運動已被證明對塔的能力和產品規格有顯著影響，填料效率會受傾斜狀態(見圖5)影響而下降[11]。建造過程中首先要保證安全，然后才能進行塔設備的優化設計[12]。實際中，塔器內部的流體流動和吸收效率將大大影響 FLNG塔器的尺寸(直徑D和高度H)。業內建議通過添加填料高度來彌補效率的降低[13]。但是，考慮填料高度、安全系數和波動對塔性能的影響等因素時，現有的數據對設計方法的指導意義不大。隨著對塔器流體分布影響因素的不斷探索，研究者分別從理論、模擬和實驗等角度對填料塔性能受波動影響進行了研究。

圖5 塔器海況傾斜示意圖[12]Fig.5 Schematic diagram of tower tilting in sea conditions[12]

為了實現塔器在海上的正常運行，需要考慮多方面綜合因素，包括液體黏度、填料高度、塔直徑、加速度、液/氣流量比(FL/FG)、填料類型以及運動對系統的影響。多個實驗室對塔器在運動條件下的性能進行了實驗研究。圖6所示為Linde和Heriot-Watt大學的實驗裝置。研究表明，運動條件下影響填料塔內流場分布的因素分為兩大類，包括水力分布不均和對分布不均的敏感性[14]。

(a) Linde實驗裝置

(b) Heriot-Watt大學實驗裝置圖6 實驗裝置實物圖Fig.6 Pictures of experimental facilities

分布不均的因素僅限于塔中直接影響水力特性和流體流動的物理條件，包括塔的傾斜、填料床高與塔直徑的比(L/D) 、塔的運動和流體的物理特性。研究發現： (1)傾斜塔中填料內部流體垂直流動，導致填料一側超載而另一側則流體過少，從而造成較低的效率。(2)對于給定的L/D，傾斜對填料的影響是固定的。在給定傾斜和塔直徑的情況下，較深的填料層會產生較嚴重的分布不均。(3)運動條件下塔和液體的絕對加速度導致晃蕩的效果。在固定高度H，短周期(如12～15s)和較高位置處，液體慣性呈對稱分布。尤為重要的是如果H在填料床層最高處時，塔中剩余床的高度使液體慣性減小。由于沒有慣性力的精確表征模型，慣性對液體分布不均的作用不能忽視。(4)液體的物理性質在填料床液體分餾中具有重要作用，傾斜條件下氣液表面張力是最具代表性的物理性質之一，它直接影響小液滴的形成和液體在填料表面的擴散。

基于塔器在晃動環境下所受到的傳熱傳質影響，近年來工程界對填料塔在海上的適應性進行了一系列研究，并針對海況條件提出了相關的塔器設計指導性建議： (1)隨著填料高度的增加，填料塔的效率呈現明顯下降趨勢。這是因為更深的填料床層會使得液體不均勻程度增大。可以降低每段填料的高度，以保證在一定的填料高度內，塔器傳質效率持續在較高水平。(2)隨著傾角的增大，填料的效率也呈明顯下降趨勢，需要在設計時精確考慮限制L/D保持在1左右，使分布不均影響最小，通過減小填料來解決運動條件帶來的問題。例如，一個塔徑5m的脫丙烷塔，靜態傾角為1°時，僅僅提高5%～10%的填料高度，即可補償填料效率的下降；對于3°的傾斜，需要提高30%～50%的填料高度；而當傾斜角達4°時，則填料高度需要提高近100%。

針對填料塔易受船體運動影響的問題，提出了超重力旋流分離設備[15]。該設備采用旋轉環裝多孔填料床作為工具替代體積龐大的填料塔，運用氣體與液體之間的性質差異，在急速旋轉的條件下實現相界面的擾動分離，并能夠更好地克服由船體運動慣性帶來的環境干擾，實現CO2， H2S等酸性氣體與天然氣的分離。該技術與塔式設備相比，體積傳質系數高出1～3個數量級，并且該設備的體積和重量僅為塔器的百分之幾。該裝置在技術研發上尚不成熟，在FLNG 裝置、海上平臺、FPSO 等海上天然氣處理中仍需要進一步研發和實踐檢驗，以降低成本，保證設備性能的穩定性和高效性[16]。

3 結 語

本文對大型分離設備(氣液分離器、塔器)開展性能分析，并對一些典型凈化工藝的優缺點進行對比，得出如下結論。

(1) FLNG 裝置預處理工藝中，在設備選型時不僅要布局緊湊合理，更需要設備高度安全可靠。研究中要充分考慮傳統結構的大膽創新，綜合運用實驗和計算模擬方法，多因素比選，提出創新性的設計結構和思路。

(2) 傳統氣液分離器存在較大的氣液界面，為了保證分離效率和穩定性，推薦采用占地面積較小的立式分離器。對臥式三相分離器可設置內部擋板進行優化。尋找相關變量的最佳組合是今后一個至關重要的設計目標。為了達到FLNG天然氣水含量的要求，推薦采用對工質物性變化不敏感的分子篩作為天然氣預處理中的深度脫水工藝。

(3) 針對海況特殊環境，脫酸工藝中所需要的大型塔器設備推薦選用效率較高、抗晃動能力較強的填料塔，設計時需精確考慮限制高徑比降低運動影響。另外，新提出的超重力旋流分離設備在FLNG 裝置、海上平臺、FPSO 等海上天然氣處理中的應用仍需要進一步研發和實踐檢驗，以降低成本，保證設備性能的穩定性和高效性。

[1] Austb? B, L?vseth S W, Gundersen T. Annotated bibliography—use of optimization in LNG process design and operation [J]. Computers & Chemical Engineering, 2014,71： 391.

[2] Yu X, Xie B, Wu Y, et al. Floating liquid natural gas (FLNG) liquefaction process analysis for South China Sea deep water gas field [C]. ISOPE, 2015： I-15-105.

[3] 顧安忠.液化天然氣技術手冊[M].北京： 機械工業出版社,2010.

Gu An-zhong. LNG technical manual [M]. Beijing： China Machine Press, 2010.

[4] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計概論與工藝設計[M].北京： 石油工業出版社,2007.

Guidelines for Offshore Oil Engineering Design Editorial Committee. Design introduction and process design of offshore petroleum engineering [M]. Beijing： Petroleum Industry Press, 2007.

[5] Stegenga S, van der Velde H, Marshall J. Developing a marine cryogenic hose manipulator prelude FLNG: a practical application of technical innovation [C]. World Petroleum Congress, 2014： WPC-21-1775.

[6] 謝彬,謝文會,喻西崇.浮式液化天然氣生產裝置及關鍵技術[M].北京： 中國石化出版社,2016.

Xie Bin, Xie Wen-hui, Yu Xi-chong. Floating liquefied natural gas production equipment and key technologies [M]. Beijing： China Petrochemical Press, 2016.

[7] 張春,唐建峰,李玉星,等.海上浮式LNG預處理工藝系統適應性分析[J].煤氣與熱力,2011,31(2)： B05.

Zhang Chun, Tang Jian-feng, Li Yu-xing, et al. Adaptability analysis of offshore floating LNG pretreatment process system [J]. Gas & Heat, 2011,31(2)： B05.

[8] 黃思宇,蔣洪,巴璽立,等.英買天然氣處理裝置提高丙烷收率工藝改進研究[J].石油與天然氣化工,2015,44(4)： 1.

Huang Si-yu, Jiang Hong, Ba Xi-li, et al. Process improvement research on enhancing propane recovery in Yingmai natural gas processing device [J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2015,44(4)： 1.

[9] Uwitonze H, Lee I, Hwang K S. Alternatives of integrated processes for coproduction of LNG and NGLs recovery [J]. Chemical Engineering and Processing： Process Intensification, 2016,107： 157.

[10] Son Y, Min K, Lee K S. A liquid distribution model for a column with structured packing under offshore conditions [J].

Chemical Engineering Science, 2016,153： 199.

[11] Kim Y H. Application of partially diabatic divided wall column to floating liquefied natural gas plant [J]. Energy, 2014,70： 435.

[12] Cullinane J T, Yeh N, Grave E. Effects of tower motion on packing efficiency [C]. SPE, 2011： 143766.

[13] 李玉星,朱建魯,王武昌.FLNG液化關鍵技術[J].油氣儲運,2017,36(2)： 121.

Li Yu-xing, Zhu Jian-lu, Wang Wu-chang. Key FLNG liquefaction technologies [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2017,36(2)： 121.

[14] Weiss C, Huguet E, Magné-Drisch J. How waves can significantly impact performance of amine unit installed on a FLNG? [C]. OTC, 2014： 25191.

[15] 宋俊平,戴成陽,王轉紅.淺談天然氣液化脫重烴技術[J].山東化工,2014,43(1)： 137.

Song Jun-ping, Dai Cheng-yang, Wang Zhuan-hong. Introduction to natural gas liquefaction technology of heavy hydrocarbon [J]. Shandong Chemical Industry, 2014,43(1)： 137.

[16] 陳杰.中國南海FLNG液化技術與關鍵設備方案研究[J].化工學報,2015,66(S2)： 300.

Chen Jie. Scheme research of FLNG liquefaction technology and key device in the South China Sea [J]. CIESC Journal, 2015,66(S2)： 300.

ResearchDevelopmentofLargeSeparationDevicesinLNGPretreatmentforFLNG

LI Yan, YU Xi-chong, WANG Chun-sheng, WANG Qing, HAN Xu-liang

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Separation devices are the key equipment in the liquefied natural gas (LNG) pretreatment process of the offshore floating production system, and the distributions in the devices could make large impacts on the separation efficiency, especially under the specific conditions in the offshore oil/gas field, which will decrease the efficiency of the pretreatment processes. We review the overseas and domestic research status about the gas-liquid flow and mass transfer performances under sloshing conditions, analyze the characteristics of the gas-liquid separator, packed column and the purification process, and provide some research approaches for improving the separation efficiency of the floating equipment. According to the practical project, the current problems and the future research emphases of the offshore separation equipment are pointed out, which could offer advices for the offshore separator selection and optimization.

offshore oil and gas exploitation; floating liquefied natural gas unit (FLNG); gas-liquid separation; offshore environment; sloshing; separation efficiency

2017-03-31

李焱(1986—)，女，博士，工程師，主要從事海洋石油工程液化工藝與關鍵設備相關研究。

TE645

A

2095-7297(2017)05-0249-06