撬裝式CNG卸氣裝置在放空氣回收中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的變化和環(huán)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(fā)和利用得到迅速發(fā)展。在天然氣勘探開發(fā)中，探井評價井相對較分散距離較遠(yuǎn)，并且受地形限制，輸氣管道短期內(nèi)無法鋪設(shè)到位，在探井評價井試氣和產(chǎn)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(fā)揮其便于運輸、安裝施工簡單、靈活機動等特點，在開發(fā)頁巖氣探井、邊遠(yuǎn)零散井、石油伴生氣及煤層氣等氣源回收中得到廣泛應(yīng)用，油氣田放空氣回收利用技術(shù)[1-4]需要根據(jù)現(xiàn)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(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供氣的典型應(yīng)用[5]，CNG撬裝減壓站不僅可以較好地解決中小城鎮(zhèn)和中小城市的主要氣源問題，而且兼顧工業(yè)用戶的安全供氣需求。CNG回收和減壓工藝相對成熟，撬裝設(shè)備造價低、建設(shè)快、經(jīng)濟效益明顯[6-10]。

撬裝式CNG卸氣裝置是為配合該區(qū)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(dāng)?shù)谻NG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(jīng)過多級換熱、調(diào)壓后進入輸氣管網(wǎng)外輸，或者進入LNG工廠生產(chǎn)流程。

2 撬裝式CNG卸氣裝置工藝流程與設(shè)計

2.1 工藝流程設(shè)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(cè)需求供氣壓力4.5MPa，瞬時流量200～2000m3/h(標(biāo)況)，供氣溫度常溫20℃左右，氣源質(zhì)量滿足國標(biāo)一類天然氣質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求，如表1所示。

表1 天然氣質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

2）該裝置設(shè)計實現(xiàn)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(shè)計由過濾器、減壓閥、電加熱復(fù)熱器、緊急截斷閥及超壓放空保護設(shè)備等構(gòu)成。自CNG槽車輸送來的高壓天然氣經(jīng)過高壓球閥控制，首先進入過濾器過濾，之后經(jīng)過ESD緊急切斷閥進入電加熱復(fù)熱器加熱至40～60℃，通過自力式調(diào)壓閥減壓到工作壓力4.5MPa左右，經(jīng)過計量流量計后進入LNG生產(chǎn)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(shè)計

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

圖2 自力式減壓閥結(jié)構(gòu)

2）該系列調(diào)壓閥為整體機械式結(jié)構(gòu)，盡量避免中間環(huán)節(jié)，以防由于電控部分的不穩(wěn)定造成調(diào)節(jié)閥工作失靈。調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥后的壓力也隨之變化，當(dāng)調(diào)節(jié)閥后的壓力降低時，指揮器工作使調(diào)節(jié)閥的開啟度響應(yīng)的開大，以保證有足夠量的天然氣通過，反之，則調(diào)節(jié)閥開啟度自動減小，確保調(diào)壓后的天然氣壓力在設(shè)定范圍之內(nèi)。

2.3 復(fù)熱器選擇與設(shè)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(jīng)過脫水處理，會攜帶一定量水份。高壓壓縮天然氣經(jīng)過減壓閥節(jié)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(shè)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(fù)熱器，結(jié)構(gòu)包括箱體、氣路組件、發(fā)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(tǒng)，對高壓天然氣進行加熱。

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

2）技術(shù)特點。可連續(xù)長時間工作，汽化量穩(wěn)定；出口溫度為常溫或按照用戶要求設(shè)定；采用優(yōu)質(zhì)低溫專用不銹鋼換熱管，優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長；能量損耗低，熱交換效率高，節(jié)能環(huán)保。

2.4 超壓保護單元設(shè)計

為防止高壓天然氣進入后續(xù)生產(chǎn)流程，造成安全事故。該方案設(shè)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(gòu)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(jù)用戶要求對壓力控制器壓力進行設(shè)置，當(dāng)出口壓力大于設(shè)定壓力時，ESD緊急切斷閥切斷高壓氣源。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)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(dāng)出口壓力高于安全閥設(shè)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(shè)備和管道，在壓縮天然氣進口設(shè)置ESD緊急切斷閥。緊急切斷閥選用國內(nèi)名牌產(chǎn)品，控制氣源采用壓縮空氣或氮氣。緊急切斷閥可聯(lián)鎖調(diào)壓后壓力超限、天然氣出口超壓、循環(huán)水出水超溫、燃?xì)庑孤秷缶刃盘枴?/p>

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(dǎo)閥組成，當(dāng)主閥開啟時，不允許有氣體流經(jīng)導(dǎo)閥。安全閥有設(shè)定值調(diào)節(jié)裝置，使安全閥的設(shè)定值可以調(diào)節(jié)。當(dāng)安全閥達到設(shè)定值時應(yīng)能迅速起跳泄放壓力，安全閥起跳壓力和設(shè)定值之間的誤差不超過3%，當(dāng)管線壓力回落至最大操作壓力，安全閥自動關(guān)閉。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

該案例撬裝式CNG卸氣裝置自2021年4月投產(chǎn)至今，設(shè)備基本保持正常運行，未發(fā)生故障，并能達到設(shè)計氣量滿負(fù)荷運行。裝置持續(xù)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(wěn)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(jīng)濟效益4～5萬元/套。

現(xiàn)場應(yīng)用注意事項如下：

1）每次使用前，應(yīng)檢查控制保護單元各儀表和指示燈顯示正常，復(fù)熱器溫度、儀表空氣壓力等參數(shù)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(shè)備投入使用。

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

4）當(dāng)出現(xiàn)異常工況時，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)超壓、燃?xì)庑孤兜牡惹闆r時，會自動觸發(fā)報警或聯(lián)鎖，緊急切斷閥動作切斷進氣。

5）正常停機時，關(guān)閉卸氣閥、進氣閥，以及工藝要求相關(guān)輔助設(shè)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?xì)怏w監(jiān)測器和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)進行檢定和試驗，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，保護動作可靠。

4 結(jié)論

該CNG卸氣裝置采用撬裝化設(shè)計，具備撬裝式裝置集成度高、投資少、建設(shè)周期短的優(yōu)勢，可有效解決當(dāng)?shù)仄h(yuǎn)井較多，放空氣回收CNG產(chǎn)能過剩的問題，減少天然氣勘探開發(fā)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(jīng)過減壓后進入集氣站并入輸氣管網(wǎng)。在減少碳排放、促進實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的同時，該套CNG卸氣裝置創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益和較好的社會效益，下步將繼續(xù)加大在偏遠(yuǎn)井零散氣回收及天然氣外輸方式轉(zhuǎn)化中推廣應(yīng)用。