撬裝式CNG卸氣裝置在放空氣回收中的應用

楊進榮 張躍 吳斌強 宋煜 朱海明

（中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司）

1 背景介紹

隨著我國能源結構的變化和環保力度的不斷加大，對清潔能源的需求量越來越大，天然氣資源開發和利用得到迅速發展。在天然氣勘探開發中，探井評價井相對較分散距離較遠，并且受地形限制，輸氣管道短期內無法鋪設到位，在探井評價井試氣和產能評估過程中天然氣點火放空，造成天然氣能源資源浪費，小型撬裝式裝置可以發揮其便于運輸、安裝施工簡單、靈活機動等特點，在開發頁巖氣探井、邊遠零散井、石油伴生氣及煤層氣等氣源回收中得到廣泛應用，油氣田放空氣回收利用技術[1-4]需要根據現場實際進行不斷改進和完善。王航等分析了壓縮天然氣（CNG）撬裝減壓站在偏遠鄉鎮供氣的典型應用[5]，CNG撬裝減壓站不僅可以較好地解決中小城鎮和中小城市的主要氣源問題，而且兼顧工業用戶的安全供氣需求。CNG回收和減壓工藝相對成熟，撬裝設備造價低、建設快、經濟效益明顯[6-10]。

撬裝式CNG卸氣裝置是為配合該區塊頁巖氣放空氣回收，配天然氣CNG裝置和槽車使用，主要解決了當地CNG下游用戶少、銷售困難的問題，有效的提升了放空氣回收量，減少了資源浪費。CNG裝置將井口頁巖氣放空氣凈化、壓縮后進入槽車存儲，運輸至就近的天然氣外輸集氣站或液化天然氣（LNG）站后，接入撬裝式CNG卸氣裝置，經過多級換熱、調壓后進入輸氣管網外輸，或者進入LNG工廠生產流程。

2 撬裝式CNG卸氣裝置工藝流程與設計

2.1 工藝流程設計

1）該裝置氣源由CNG槽車供氣，兩臺CNG槽車交替供氣，供氣壓力1～20MPa，最大供氣量2000m3/h，通過軟管與裝置連接。用戶側需求供氣壓力4.5MPa，瞬時流量200～2000m3/h(標況)，供氣溫度常溫20℃左右，氣源質量滿足國標一類天然氣質量技術指標要求，如表1所示。

表1 天然氣質量技術指標

2）該裝置設計實現的基本功能為天然氣減壓功能、天然氣加熱功能、天然氣緊急切斷、天然氣泄露報警、超壓放散、超壓切斷、天然氣計量。

3）該撬裝式CNG卸氣裝置設計由過濾器、減壓閥、電加熱復熱器、緊急截斷閥及超壓放空保護設備等構成。自CNG槽車輸送來的高壓天然氣經過高壓球閥控制，首先進入過濾器過濾，之后經過ESD緊急切斷閥進入電加熱復熱器加熱至40～60℃，通過自力式調壓閥減壓到工作壓力4.5MPa左右，經過計量流量計后進入LNG生產流程。CNG減壓撬工藝流程圖如圖1所示。

圖1 CNG減壓撬工藝流程

2.2 減壓閥選擇與設計

1）天然氣減壓閥是該撬裝裝置核心設備，原則上采用兩路配置，一用一備。根據用戶壓力需求，選擇采用一級或兩級調壓方式。該裝置采用自力式調壓閥，一級減壓方式。該閥由氣動薄膜閥、指揮器、壓力調節器等部分組成，進口壓力可達28MPa，出口壓力0.86～10MPa范圍內可調。自力式減壓閥結構如圖2所示。

圖2 自力式減壓閥結構

2）該系列調壓閥為整體機械式結構，盡量避免中間環節，以防由于電控部分的不穩定造成調節閥工作失靈。調節閥的工作是由指揮器的壓力控制，隨著上游壓力的不斷降低，調節閥后的壓力也隨之變化，當調節閥后的壓力降低時，指揮器工作使調節閥的開啟度響應的開大，以保證有足夠量的天然氣通過，反之，則調節閥開啟度自動減小，確保調壓后的天然氣壓力在設定范圍之內。

2.3 復熱器選擇與設計

井口采集的天然氣中含水量較大，一般情況下CNG脫水深度不夠或未經過脫水處理，會攜帶一定量水份。高壓壓縮天然氣經過減壓閥節流降壓后，天然氣溫度會下降到零度以下，天然氣中的水在一定壓力、溫度條件下，會形成天然氣水合物，從而阻塞輸氣管道、閥門和加工處理設備等，因此必須給天然氣加熱升溫以防止凍堵。

該方案中采用電加熱復熱器，結構包括箱體、氣路組件、發熱元件、控制組件，以水或防凍液為熱傳媒，配套先進水溫自動控制系統，對高壓天然氣進行加熱。

1）技術參數。工作壓力：0.8～40MPa；汽化量：5～2000m3/h；工作溫度：55～75℃。

2）技術特點。可連續長時間工作，汽化量穩定；出口溫度為常溫或按照用戶要求設定；采用優質低溫專用不銹鋼換熱管，優化設計，結構緊湊，使用壽命長；能量損耗低，熱交換效率高，節能環保。

2.4 超壓保護單元設計

為防止高壓天然氣進入后續生產流程，造成安全事故。該方案設計超壓保護單元，主要由超壓緊急切斷和安全放散安全閥構成。

超壓緊急切斷部分由壓力變送器、壓力控制器和ESD緊急切斷閥組成。根據用戶要求對壓力控制器壓力進行設置，當出口壓力大于設定壓力時，ESD緊急切斷閥切斷高壓氣源。當現場出現其他異常情況時，也可以通過控制柜上手動急停按鈕，控制ESD切斷閥切斷高壓氣源。當出口壓力高于安全閥設定壓力時，安全閥開啟放散泄壓。

1）緊急切斷閥。為保護下游設備和管道，在壓縮天然氣進口設置ESD緊急切斷閥。緊急切斷閥選用國內名牌產品，控制氣源采用壓縮空氣或氮氣。緊急切斷閥可聯鎖調壓后壓力超限、天然氣出口超壓、循環水出水超溫、燃氣泄露報警等信號。

2）放散安全閥。安全閥采用全啟式，安全閥由主閥和外部的導閥組成，當主閥開啟時，不允許有氣體流經導閥。安全閥有設定值調節裝置，使安全閥的設定值可以調節。當安全閥達到設定值時應能迅速起跳泄放壓力，安全閥起跳壓力和設定值之間的誤差不超過3%，當管線壓力回落至最大操作壓力，安全閥自動關閉。

3 現場應用效果

該案例撬裝式CNG卸氣裝置自2021年4月投產至今，設備基本保持正常運行，未發生故障，并能達到設計氣量滿負荷運行。裝置持續為一座LNG工廠供氣，平均每天可卸氣CNG7～8車，供氣壓力可以穩定在4.0～5.0MPa，供氣溫度5～20℃，回收氣量3.5～4.0m3/d，每天直接經濟效益4～5萬元/套。

現場應用注意事項如下：

1）每次使用前，應檢查控制保護單元各儀表和指示燈顯示正常，復熱器溫度、儀表空氣壓力等參數正常，工藝流程及閥門位置正常。

2）檢查正常后，打開卸氣閥門，CNG減壓撬設備投入使用。

3）卸氣過程中，需定時巡檢設備運行情況，觀察記錄壓力、溫度、流量等儀表參數，以及設備噪聲、動靜結合點密封情況等，判斷設備時候運行正常。

4）當出現異常工況時，當出現系統超壓、燃氣泄露的等情況時，會自動觸發報警或聯鎖，緊急切斷閥動作切斷進氣。

5）正常停機時，關閉卸氣閥、進氣閥，以及工藝要求相關輔助設備。

6）定期開閉閥門，加注潤滑油脂，檢查閥門開合靈活性。

7）定期對儀表、可燃氣體監測器和聯鎖保護系統進行檢定和試驗，確保數據準確，保護動作可靠。

4 結論

該CNG卸氣裝置采用撬裝化設計，具備撬裝式裝置集成度高、投資少、建設周期短的優勢，可有效解決當地偏遠井較多，放空氣回收CNG產能過剩的問題，減少天然氣勘探開發試采過程中的天然氣資源放空浪費，也可安裝于集氣站流程，將放空氣回收后經過減壓后進入集氣站并入輸氣管網。在減少碳排放、促進實現“雙碳”目標的同時，該套CNG卸氣裝置創造了較大的經濟效益和較好的社會效益，下步將繼續加大在偏遠井零散氣回收及天然氣外輸方式轉化中推廣應用。