海上自升式平臺伴生氣液化回收方案

孫延國，韋曉強，黃國良，余捷，王連佳

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

國外小型天然氣液化流程主要采用天然氣膨脹循環、制冷劑膨脹循環和混合制冷劑循環的制冷方法。美國愛達荷州國家實驗室開發的小型天然氣液化裝置利用輸氣管網的壓差能量來液化天然氣。ABB Lummus Global 公司設計了2種小型天然氣液化流程，其中1種將標準的制冷系統與透平膨脹技術相結合，其制冷系統由丙烷制冷系統和透平膨脹機制冷系統構成；另1種為雙膨脹制冷循環流程，該循環利用等熵膨脹制冷原理，通過2個相互獨立的制冷齊膨脹循環提供冷量來液化天然氣。Kryopak公司在考慮經濟性和可靠性的基礎上，對設計小型和中型液化天然氣裝置提出了3種不同的制冷流程，Kryopak EXP流程、KryopakPCMR流程和Kryopak SCMR流程。Hamworthy是首先在歐洲提供小型天然氣液化裝置的廠家之一，所制造的小型天然氣液化裝置已在挪威運行，其小型天然氣液化流程的能量由封閉的氮膨脹循環提供[1]。我國海上油田伴生氣在回收利用方面仍處于起步階，回收裝置不夠成熟[2]。天然氣凈化工藝種類很多，而且新技術也不斷應用于工業生產。一般常規天然氣凈化技術的工藝流程長、占地面積大，而且設備復雜、投資和操作費用較高，不適合用于灘海油田伴生氣的凈化。一些具有設備簡單、體積小和機動性強等特點的橇裝天然氣凈化設備被用于邊遠地區天然氣的凈化，設備采用了包括變壓吸附[3](PSA)、膜分離[4]和旋轉噴霧干燥[5](SDA)等技術。為此，考慮空間布置、結構強度、公用設備能力、液化設備接口，以及現場作業工況等因素，分析某自升式平臺加裝小型伴生氣液化回收裝置的改造方案，以期在擴展平臺功能的同時實現液態產品的生產、儲存、吊裝轉運的一體化。

1 工程方案

實際情況，對渤海某自升式平臺的鉆桿堆場進行清理和改造，將試采期間的伴生氣由取氣點取出，經過凈化工藝及液化工藝流程后，將產生的LNG及NGL放入儲罐中存儲，方案的工藝流程見圖1。同時新增1臺雙燃料主發電機為液化工況工藝設備提供電力，布置應急發電機單獨為新增水霧噴淋泵等消防設備提供應急供電。

圖1 方案工藝流程

2 技術方案

2.1 平臺布置

伴生氣液化裝置、液態產品儲存罐箱及天然氣/柴油雙燃料發電機組布置見圖2。

圖2 改造后二層甲板布置示意

經計算，新增水霧噴淋系統及固定式干粉滅火系統設備功率將增加192.25 kW，超出平臺原應急發電機組的能力，因此須配備應急發電機組及應急配電系統。布置見圖3。

圖3 改造后設備甲板及二層工程房頂部布置示意

2.2 取氣點分析

典型的火炬氣回收系統位于所有裝置總管連接的主火炬總管的下游和總管壓力大體上不隨載荷變化的某一處。結合標準API 521(2014)第5.7.11.4條對火炬氣回收的建議，確定在火炬管匯上進行取氣。規范中推薦的保證火炬管網壓力方案有3種，取氣流程方案對比見表1。

表1 取氣流程方案比選表

方案二在火炬與分液罐之間增加先導式安全閥和PV控制閥以控制放空氣體走向。

2.3 凈化工藝

2.3.1 脫酸性氣體

用于伴生氣脫除酸氣的方法有溶劑吸收法、物理吸收法、氧化還原法和分子篩吸附法。目前廣泛應用溶劑吸收法和分子篩法，對比見表2。

表2 脫酸方案對比

2.3.2 脫水

伴生氣脫水工藝方法對比見表3。

表3 脫水方案對比

2.3.3 脫汞

伴生氣脫汞主要有兩種工藝：HgSIV分子篩吸附法和浸硫活性碳吸附法。本方案使用浸硫活性碳吸附法，通過汞與硫產生化學反應生成硫化汞，硫化汞被活性碳吸附，從而脫除氣體中的汞。

2.3.4 脫重烴

重烴在進入深冷液化之前必須脫除干凈，否則會在深冷換熱器內結冰而產生凍堵。脫重烴可采用活性炭吸附法、降溫冷凝分離法、填料塔洗滌法。

活性炭吸附法一般針對重烴含量低的原料氣，重烴含量高的原料氣使得吸附負載太大，導致需要體積過大的吸附塔，且吸附再生周期短，因而不適合用此法。

降溫冷凝分離法原理是將原料氣降溫至-60 ℃左右，重烴成為液態從伴生氣中分離出來。該方法比較適合原料氣中重烴含量低的情況，另外，降溫分離法不能將重烴脫得很干凈，對于重烴含量高的原料氣，重烴會在深冷換熱器內積累而導致凍堵。

填料塔洗滌法脫重烴原理是將原料氣降溫至-20 ℃以下，所分離出來的液體被用作洗滌液，返回填料塔的頂部向下流動，原料氣從塔底部進入向上流動，通過逆流接觸，原料氣中的重烴在填料塔內被脫出，從塔底排出。洗滌法能高效、徹底地脫除重烴，且得到的重烴產品重組分含量高。

某自升式平臺工作的油田伴生氣屬濕氣，C3+烴類含量較高。綜合考慮，選擇MDEA吸收法脫除酸性氣體、分子篩脫水、浸硫活性炭脫汞、及洗滌法脫重烴。

2.4 液化工藝

目前廣泛應用于小型LNG裝置的液化工藝有膨脹機制冷循環和混合冷劑制冷循環。

膨脹機制冷循環是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環制冷實現伴生氣液化的流程，流程中的關鍵設備是透平膨脹機。根據制冷劑的不同，可分為氮氣膨脹液化流程、氮-甲烷膨脹液化流程，帶膨脹機的液化流程比較適合產能較小的伴生氣液化裝置，應用較多的是氮氣膨脹液化流程。

根據表4分析，依據同規模在陸地上使用的裝置，選擇C3/MRC混合冷劑液化流程。

表4 液化方案比選表

2.5 配電系統配置

經計算，液化工況，新增電力負荷613.2 kW，在應急工況，應急新增負荷192.25 kW，原平臺的主發電機組合應急發電機組的預留功率無發滿足新增電力負荷需求。綜合考慮平臺改造成本，電網穩定性，新增雙燃料主發電機1臺，為液化工況工藝設備提供電力，新增應急發電機1臺，為液化工況應急設備供電。

2.5.1 主發電機組

主發電機組方案對比見表5。

表5 主發電機組方案對比

方案二獨立供電、資源利用合理、模塊化設計、改造工作量小，優勢明顯。故新增1臺伴生氣/柴油雙燃料發電機組及其主配電系統。

2.5.2 應急發電機組

應急發電機方案對比見表6。

表6 應急發電機方案對比

方案二獨立供電、造價低、模塊化設計、改造工作量小，優勢明顯。故新增1臺應急機組及其應急配電系統，該應急發電及應急配電系統專門用于新增消防系統和火氣探測系統和照明的供電。

2.6 罐箱選型及布置優化分析

管道輸送是最為常見也是最為方便的一種輸送方法，主要在陸上進行天然氣的運輸。受限于技術、資金等因素的影響，海上天然氣管道的長度受到制約[6]。在油田試采作業期間，油田伴生氣量相對較小、平臺作業地點離岸較遠，伴生氣通過管道回收經濟性差，根據某自升式平臺空間及實際運行情況，方案采用罐箱的儲存方式。

罐箱的選型及布置應考慮：伴生氣日處理量；轉運周期；起重機最大吊重；占甲板面積；甲板載荷校核。

起重機配置需求的影響是罐箱選擇的重要因素。方案采用依托平臺原有吊機進行裝卸作業，成本為最低，且采用20 in罐箱，重量較輕，甲板載荷小，安全性好。

3 結論

1)擴展了某自升式平臺的功能，形成集采油、儲油、伴生氣液化回收為一體的多功能集成平臺。

2)充分依托平臺現有起重機的吊重能力及覆蓋范圍，在不更換起重機的前提下實現伴生氣液化裝置及LNG罐箱的優化布置；新增供配電系統采用天然氣/柴油雙燃料發電機組，充分利用伴生氣資源，實現資源優化配置。

3)新增消防系統、應急配電系統的模塊化設計，獨立成系統，最大程度減少了對原平臺的改造，罐箱式存儲便于吊裝且可重復利用。