DANA FPSO 天然氣處理工藝流程分析

屠 艷

（啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇啟東 226006）

0 引言

DANAFPSO項目由啟東中遠為英國公司建造，用于英國北海WesternIsles 油田開發。項目采用Sevan400 圓筒型概念設計，是中國的首個FPSO 總承包項目。該FPSO 擁有40 萬桶儲油能力，日處理量44 000 桶，日處理油氣31.6MMSCFD，其主要功能是對海底原油進行油氣處理，儲存和卸油等。本文針對該項目天然氣處理工藝進行介紹，包括氣體 壓縮、脫水、除汞等流程。

DANA FPSO 用于接收距離2.5 km 遠的兩個井下鉆井中心油氣，并向其供給生產所需注水和氣舉氣。每個鉆井中心分別有2 條生產立管、1 條注水立管和1 條氣舉管與FPSO 連接。其中南鉆井中心連接4 口生產井和4 口注水井，北鉆井中心連接5口生產井和3 口注水井。氣體外輸/供給管線與附近的Tern平臺外輸管線在海底匯合，一同外輸到North Cormorant 平臺，可以同時滿足前期多余氣體的外輸，同時后期由于氣體不足，可以提供FPSO 氣體的供給。

天然氣處理是FPSO 一項主要的功能，主要是將分離罐分離出來的天然氣進行收集、分離凈化、增壓，最終供平臺各用戶使用。

處理后的氣體主要有以下幾種用途：

1）滿足自身平臺燃料需求和平臺用氣，主要作為透平發電機燃料、火炬系統匯管吹掃氣和氣浮裝置填充氣；

2）作為氣舉氣，滿足油田開發需求；

3）在開發前期，過剩的氣體通過海底輸送給其他平臺使用。

天然氣的處理包括氣體的壓縮增壓、除汞和脫水凈化。從1 級分離罐和2 級分離罐分離出的氣體根據壓力大小分別進入低壓壓縮和高壓壓縮系統，低壓氣體經過增壓后一同進入高壓壓縮系統。氣體通過高壓一級壓縮后，依次進行脫汞和脫水處理，然后進行二級和三級壓縮以達到最終的處理標準。根據項目要求，處理后的氣體應滿足FLAGS 管線輸入氣體技術參數[1]，見表1。

表1 外輸氣體技術參數要求

1 天然氣壓縮

天然氣壓縮是天然氣處理最重要的部分，主要是利用天然氣壓縮機組將分離出的低壓氣體加壓至滿足條件的外輸氣或者平臺供應氣，并在壓縮過程中盡可能將氣體中的重組分剔除。

本項目為適應不同壓力的氣體處理，分別設置高壓壓縮和低壓壓縮兩個系統。油井產出的油氣經過水下生產系統匯入FPSO，在經過減壓、加熱后進入2 級三相分離器，一級分離器分離出的氣體（0.82 MPa）進入高壓壓縮系統，二級分離器分離出的氣體（0.104 MPa）先進入低壓壓縮系統增壓，然后與一級分離出的高壓氣體一同匯入高壓壓縮系統[2]。

1.1 天然氣低壓壓縮系統

低壓壓縮系統由兩組相同的入口冷卻器，洗滌罐，冷凝液回流泵和螺桿式低壓壓縮機組組成。從二級分離罐分離出的氣體，匯合其他系統回流的低壓氣體，首先通過入口冷卻器，將氣體從75℃冷卻至25℃，冷卻后的氣體進入氣體洗滌罐分離，冷卻后的氣體經低壓壓縮機組加壓至0.87 MP a 后送至高壓壓縮系統入口，分離出的冷凝液由回流泵重新送至分離系統進行分離。典型的低壓壓縮系統如圖1 所示。

1.2 天然氣高壓壓縮系統

圖1 低壓壓縮系統流程圖

高壓壓縮系統分為三級壓縮，系統流程圖如圖2 所示。該壓縮機組由一套離心式壓縮機組組成。一、二級壓縮屬于同軸壓縮，一級壓縮后的氣體首先進行氣體的脫水、分離和除汞，處理后的氣體繼續進行二級和三級壓縮。來自一級分離器及低壓壓縮機系統的天然氣一起（混合氣的壓力：0.8 MPa，溫度：96℃），首先經一級高壓壓縮機進口冷卻器冷卻至30℃，再經一級高壓壓縮機進口洗滌器進行分離，分離出的冷凝液經高壓壓縮機液體循環泵，打回至一級分離器前的進口加熱器，重新循環利用； 分離出的天然氣，進入一級高壓壓縮機，增壓至3 MPa，此時增壓后的氣體溫度可達110℃，然后經一級高壓壓縮機出口冷卻器冷卻至30℃，再通過一級高壓壓縮機出口洗滌器，分離出因溫度降低而析出的液體，該液體重新回到一級壓縮機進口冷卻器，繼續循環利用；洗滌器出口的天然氣進行除汞和脫水處理，處理后的天然氣經二級壓縮機進口洗滌器，進一步分離出介質中的冷凝液，隨后進入二級壓縮機增壓至7.4 MPa，天然氣溫度可達103℃左右，然后經二級壓縮機出口冷卻器冷卻至28℃，為進一步提純，滿足外輸氣體的露點的要求，氣體通過二級壓縮機之后，通過J-T 閥減壓降溫，進一步除去氣體中的重組分。進入三級壓縮機進口洗滌器，進一步分離出由于溫度降低而析出的冷凝液，天然氣進入三級壓縮機增壓至14.25 MPa，溫度可達80℃，經三級壓縮機出口冷卻器冷卻至50℃，天然氣根據用戶需要至氣舉采油或外輸。

離心壓縮機在運行過程中由于系統工況變化或人為誤操作產生氣體流量減小的狀況，使得進入葉輪或擴壓器管道的氣流方向發生逆轉，當氣流量降到很低時，分離現象則達到最大化。當氣流發生旋轉脫離時會阻礙氣流的通過，這就使得另一端有著較高壓力的氣體返流到級里來。此時級里面氣體壓力增加，流量增加，又會重新把倒流回來的氣體重新壓出去。因此氣體在級與管道間往復徘徊，這就使得系統中產生了周期性的氣流振蕩現象，這種現象稱為“喘振”[4]。為避免喘振現象對壓縮機組的傷害，通過動態分析，在每一級壓縮機的出口分別安裝了防喘振和高溫氣體兩條回流管線，保證壓縮機入口有足夠的氣體，從而達到防喘振的目的。

2 天然氣除汞工藝

大多數天然氣中大多都含有痕量金屬元素汞及其化合物，并且地域差異很大。因汞具有高揮發性、強腐蝕性毒性，當汞的含量超過一定值時，對環境保護、職業安全健康和工藝設備安全都有不利影響。因此，開發和利用含汞天然氣必須將天然氣中的汞脫除，降低天然氣中汞的含量。

目前，國內外常用的天然氣脫汞工藝有化學吸附、溶液吸收、低溫分離、陰離子樹脂和膜分離等，目前普遍采用的是化學吸附工藝。通過前期數據表明，DANA FPSO 作業區域汞含量遠高于外輸氣體的要求，因此，需對天然氣進行脫汞處理，工藝流程圖如圖2 所示。項目中采用的脫汞工藝是通過化學吸附法，利用金屬硫化物或金屬氧化物與天然氣中的汞反應，生成汞的化合物停留在脫汞劑中，從而將天然氣中的汞脫除。脫汞工藝流程如圖2 所示，一級壓縮機出口的氣體首先通過聚結器預處理，除去天然氣中的液滴和固體顆粒，然后通過裝有脫汞劑的除汞罐，除汞罐在不同層均有取樣點，出入口的壓差傳感器檢測罐子是否有堵塞。氣體通過脫汞罐之后，經過過濾器除去氣體可能攜帶的脫汞劑顆粒，以免影響后續氣體的處理[3]。通過脫汞處理，最終使氣體中的汞含量低于0.01 ug/m3。

圖2 脫汞工藝系統流程圖

3 天然氣脫水工藝

從地下油氣層產出的油氣往往含有大量的游離水和飽和水，通過分離得到的氣體除去了大部分游離水，但其中仍存在大量結合水和水蒸氣。這些水分仍然對天然氣的利用和集輸產生不利影響：當天然氣被壓縮或冷卻時，水蒸氣會轉變成液態或固態。液態水會降低輸氣效率和天然氣的熱值，同時也會加速管道和設備的腐蝕，固態水會堵塞管道和閥門。因此，天然氣在使用或進入外輸管網之前，必須除掉這部分水分，使天然氣中水分含量滿足相關規范。含水量指標有“絕對含水量”和“露點溫度”兩種表示方法。前者指單位體積天然氣中水的含量，后者指一定壓力下，天然氣中水蒸氣開始冷凝結露的溫度。

常用的脫水工藝方法有低溫分離法、溶劑吸收法、固體吸附法和膜分離法。其中，溶劑吸收法憑借其高效、經濟、實用等特點，在國內外使用的最為廣泛。DANA FPSO 是利用三甘醇作為溶劑脫水，將含水量降低到30 ppmv，保證脫水后的含水量滿足外輸要求（≤35 ppmv）。天然氣在除汞之后，緊接著進行脫水處理。脫汞后的氣體（濕氣）從接觸塔的底部進入，自下而上與從頂部進入的貧三甘醇接觸，天然氣中的水被貧三甘醇充分吸收后從塔頂流出。接觸塔出口管線安裝有露點分析儀，檢測處理后的氣體的含水量，含水量正常的氣體一部分作為燃料氣供給其他設備使用，另一部分進入二級壓縮機繼續進行增壓。如果出口氣體含水量過高，未到達處理要求，氣體會通過旁路管線直接進入火炬系統燃燒[4]，脫水工藝如圖3 所示。

貧三甘醇自塔頂進入，吸收濕氣中的水分后成為富液，富液從塔底流出，經過再生回收裝置后循環注入到接觸塔中。三甘醇再生裝置的工藝流程為：貧甘醇→接觸塔→回流冷卻器→閃蒸罐→精濾器→活性炭過濾器→貧/富液換熱器→蒸餾柱、重沸器→汽提塔→貧/富液換熱器→緩沖罐→循環泵→貧甘醇冷卻器→接觸塔（三甘醇循環使用）。從接觸塔下部出來的富液，首先經蒸餾柱頂部冷凝回流器的管程進行預熱，然后進入閃蒸罐，閃蒸罐的作用是提供迅速氣化和氣液分離的空間，閃蒸出富液中溶解的天然氣、芳香烴、二氧化碳等輕組分，經過閃蒸后的富液先后經過TEG 精過濾器、活性炭過濾器，除去溶液中的機械雜質和降解產物，過濾后的富液通過貧/富液換熱后進入蒸餾柱，然后在重沸器內再生為貧液，再生過程中向汽提塔內通入處理后的干氣作為汽提氣，將貧液進一步提純。提純后的貧液經過貧/富液換熱器后，進入緩沖罐儲存（至少可供使用14 天），緩沖罐與汽提塔的平衡管線保證兩個系統的壓力相同，有利于進一步分離。緩存罐內的貧液最后通過循環泵，在經過貧液冷卻器冷卻后，送至接觸塔頂部再與濕氣逐級接觸脫水。冷卻的目的是為了保證循環回塔頂的貧液的溫度始終高于入口濕氣溫度5℃，以防烴類在接觸塔內冷凝而 引起發泡，貧甘醇溫度過高則常造成脫水不深，因此，貧甘醇的溫度亦不宜過高[5]。

圖3 TEG 脫水工藝系統流程圖

4 結論

油田開發的天然氣處理，作為FPSO 一項重要的工藝流程，不僅對油氣的充分利用有積極作用，同時也降低了平臺的能源消耗，減少了廢氣的排放。本文介紹DANA FPSO 項目天然氣處理的工藝流程和技術特點，對于油處理和水處理，由于篇幅本文就不再展開，通過本文的介紹和總結，希望對往后FPSO 工藝設計有所幫助。