油气集输工艺技术现状与展望-第四章油田气处理技术

第四章油田气处理技术油田伴生气处理技术又称轻烃回收技术，用于回收伴生气中的轻烃，生产出干气、液化气（或丙烷）、轻油等产品。油田气是石油开采过程中获得的气态组分，它的化学组成是由烃类中的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷为主，并含有水、硫化氢、二氧化碳非烃类组分，还含有一定数量的戊烷、己烷、庚烷、辛烷……乃至癸烷，以及与其沸点相近的环戊烷、环己烷、苯、甲苯等环烷烃和芳香烃。轻烃是指相对密度低、分子量小、沸点低的轻质烃类，在油田气处理过程中，人们习惯将油田气处理过程中所得的凝液及其分馏所得产品称为轻烃。目前，国内的轻烃回收装置主要的产品是液化气和轻质油，也有一部分装置回收C2以上的轻烃混合物，为乙烯等化工厂提供原料。油田气或气田中回收轻烃概括起来不外乎三种：冷凝分离法、油吸收法和吸附法。目前，我国各油田基本上都是采用冷凝分离法，其它两种方法已基本不用。对冷凝工艺来说，国外发展趋势和国内实践表明：直接膨胀冷凝法和冷冻—膨胀机结合法工艺较为合理，技术经济指标较为先进。膨胀机的工艺流程要比吸收法无论从加工深度或合理利用油田气资源、增加收率等方面要优越得多。特别是1964年透平膨胀机用于天然气分离之后，冷凝分离技术获得了迅猛发展和广泛应用，基本上取代了油吸收方法。80年代以后国外新建的低温天然气加工装置几乎90%采用了透平膨胀机，国内近年来兴建的轻烃回收装置都采用带膨胀机的工艺流程。从80年代初期开始，伴随着原油密闭集输工艺的推广应用，我国各油田推广普及了伴生气处理技术，已建成轻烃回收装置近100套，总加工能力2000×104m3/d以上。油田气处理工艺流程，通常由增压、预处理净化、冷冻和凝液分馏四个单元组成。这里主要介绍预处理、冷冻和凝液分馏部分。1油田气预处理原料油田气在进入低温系统之前必须进行净化预处理，即脱除水等其它杂质，这些杂质包括水、CO2、H2S、硫醇、重烃、污物等，因为这些杂物在低温下会冻结而引起系统堵塞，造成生产事故。冷冻过程会使油田气中微量水成为冰粒，磨损甚至击穿高速旋转的膨胀机叶轮等设备。所以，在油田气集输和加工处理过程中，人们时刻都在警惕着水的危害，并采取坚决的措施将水脱除。轻烃回收装置的天然气预处理脱水，常用固体吸附法、甘醇吸收法等。甘醇法适用于大型轻烃装置中脱除原料气中所含的大部分水分，但达不到深冷工艺的要求，还必须用固体吸收法进一步干燥，将露点降至-78℃以下。分子筛是最有效的深度脱水方法，脱水后天然气含水量可达到5×10-6以下。由于在油田伴生气流程中，集气半径很长，通过联合站、配气站、进站等多道流程的分离器脱水，使其通常只含饱和水，再经过压缩、冷却又分离出部分水分，故在轻烃回收装置中一般仅设分子筛脱水，即可满足深冷工艺的要求。在轻烃回收装置的原料气预处理中，常采用化学或物理吸收过程脱除H2S和CO2。即使用醇胺、环丁砜或环丁砜—醇胺混合吸收，不再详述。2冷冻过程冷冻分离技术是从空气分离工业发展而来的，其工作原理是利用油田气中多组分的冷凝温度不同，将油田气冷却到较低温度后，其中的轻烃便冷凝成液体与气体分离。因此，冷冻过程也就是提供低温冷量使原料气降温。油田气回收轻烃工艺从加工温度看，可分为浅冷法（-45℃以上）和深冷法。随着加工深度的提高，加工温度逐渐转为深冷领域。根据提供冷量方式不不同，又有强制制冷、膨胀机制冷、节流制冷等方法。2.1强制制冷强制制冷是指设置独立的外加冷源将原料气降温。常用的是制冷机，制冷工质原来多用氟利昂，由于它破坏大气臭氧层，现多采用丙烷。2.2膨胀制冷该方法的冷量由原料气通过串在系统中的膨胀元件的膨胀过程得到，最简单的就是节流阀（或喷嘴），最常用的是膨胀机。由于透平膨胀机具有尺寸小、可以获得相当低的温度、运转安全、建设费用和运转费用低等诸多优点，现已成为轻烃回收制冷工艺的主要方向。但是它需要高压的原料气，故需要配套压缩机。热分离机也是一种旋转喷嘴式的膨胀制冷机，它比一般的透平膨胀机结构简单，具有制造精度要求低，成本低、工作弹性大、操作维修简便等特点，适用于利用气体自身压力回收轻烃的场合。四川石油设计院和川中矿区研制的LRQ—2型热分离机，进口压力可在1.2～2.0MPa，出口压力在0.35~0.55MPa，日处理气量可在3.2~5.5×104m3/d之间。2.3节流制冷对于高压天然的分离，采用节流制冷也是一种有效的工艺方法。在空气分离技术发展的早期，就曾采用预冷和节流相结合的方法用于制取液态空气。美国埃德华工程公司（EdwardsEngineeringCorp.）认为，由于膨胀机的费用较高，如果从经济上考虑，其规模当在28×104m3/d以上。该公司研制了用于小处理量的节流制冷深冷工艺流程，使用丙烷预冷，塔内换热及经改进的节流阀，据称其温度可达-103℃，乙烷收率达90%，丙烷收率达98%。节流制冷的原理就是焦汤效应，气体由高压被节流到低压以后，若节流前后气体的流速变化很小或不变，则在绝热条件下节流前后的焓值不变，这是节流过程的主要特征。实际气体和理想气体不同，节流前后实际气体温度发生变化，即为焦尔—汤普森效应。等焓绝热膨胀和等熵绝热膨胀相比显然是一种有损失的膨胀过程，但是在一定范围内使用等焓绝热膨胀仍然是很有效的。虽然等焓膨胀的温度降小于等熵膨胀，但当压力大于3.5MPa以上和-18℃以下的范围内，随着压力的提高和温度的降低，二者的温降趋于接近。固然此时等熵膨胀仍比等焓膨胀优越，但是膨胀机涉及到高压、大的膨胀比、高的带液量和变工况的适应性等问题，导致膨胀机实际上在低效区运转，同时膨胀机也存在操作与维修、投资高等问题。此时，节流制冷具有一定的经济性。在此需要强调的是，使用焦汤节流取代膨胀机则可充分利用天然气自身的压能，而不必无故地降低压力来适应膨胀机所要求的工作条件。节流制冷流程其引人注目之处是操作弹性大，当原料气减量时，仍然保持较高的回收效率。而对于膨胀机来说，在原料气量明显降低时，其效率急剧降低。2.4气波制冷技术气波制冷技术是近年来在热分离机的基础上发展起来的新型制冷技术，它吸收了热分离机的优点，能更加有效地利用天然气的压能，提高了制冷效率，并在结构方面作了较大改进。它通过机器内部的非定常流动，产生激波和膨胀波，实现热量分离，达到气体制冷的目的。气波制冷机（专利号89213744.4）就是利用该技术设计制造的简单、高效、经济的制冷设备，适用于高压气中回收轻烃和脱水。气波制冷机主要由旋转喷嘴和一排沿喷嘴方向圆周排列的工作管组成。工作时，高压气体通过喷嘴膨胀、加速，由喷嘴口高速喷出，驱动喷嘴旋转。随着旋转喷嘴的旋转，高速气流依次射入工作管中，射入的气体与管内原有气体之间形成一接触面，该接触免可以看作成是一个无质量的“活塞”，“活塞”向前运动，在活塞的前方将出现同方向运动的激波。激波扫过之处，原在管内的气体受到压缩，温和压力提高，形成热腔，通过管壁向外界散热。入射气体由于对管内气体做功而导致温度下降。当喷嘴转过，接收管与低压排气管相连，室被制冷的气体排出，从而实现制冷的目的。气波制冷机与其它类型的制冷机如透平膨胀机、热分离机相比，具有以下几个显著的特点：①转速低，一般为3000～4000rpm。连续运转时间长，每年维修时更换轴承即可。②具有抵抗两相流侵蚀的能力，允许带液量大，可达10%～15%。而且即使整机充满液体对气波制冷机的运转也没有大的影响。如果轻烃液体较多，正好可通过气波制冷机将其冷凝回收，可谓一举两得。③允许波动范围大，膨胀比范围为2～7，允许气体处理量的变化在设计点的±30%，在较大的压力变化范围内有较稳定的效率。④不耗电，适用于边远、零散区块缺水电等操作条件苛刻的地方。⑤制冷温度可达-123℃（实验室），最高效率可达75%，实际运行效率可达65%。气波制冷技术自80年代末开始在现场应用，如大庆油田天然气公司南六联天然气脱水装置、辽河油田沈一联5×104m3/d橇装轻烃回收装置、黄一站30×104m3/d天然气脱水装置、胜利油田孤岛压气站轻烃回收装置等，大都取得了较好的经济效益。气波制冷技术有效地利用气体的压能，对于高压气井气初步大量脱水是较理想的。以辽河油田黄一站为例，高压天然气（0.95MPa、10~20℃）经过分离器、过滤器后，进入喷射泵加入甲醇，防止降温形成水化物，之后天然气进入换热器预冷，经分离器分出凝液后进入气波制冷机膨胀至0.2MPa,温度降至-36℃，再进入分离器分出液态水。几种方法对比：以上几种常用的冷凝分离技术中，透平膨胀机造价高、润滑系统复杂，加工维修麻烦，带液运行困难；节流制冷在温度较高的过热区效率很低，只适合温度较低的领域，一般只作最低一级的降温措施。这些传统的冷凝分离技术的操作温度必须在冰点以上，否则会造成系统冻堵。而轻烃生产装置中常用的分子筛干燥系统，虽然可以得到较低的露点，但其设备复杂，切换操作繁琐，而且从装置的用分析结果可知，干燥工段是系统中最大的用损环节，影响了整个装置的用效率。浙江大学提出了一种新型冷冻原理，解决了操作温度低于冰点以下的水份冻结的问题，从而提高了脱水深度。该流程通过4个换向阀周期切换冷凝蒸发器，在一个流程内用制冷剂的冷量来冻结原料气中的水分，而在另一流程内用制冷剂的冷凝热来脱除前一流程中冻结的冰霜，从而达到较深度地脱除水分的目的。脱水深度可根据采用不同的工作压力和不同温度的制冷剂（如氨、丙烷等）来确定。这种新型冷冻法应用于天然气脱水，跟其它方法相比，本流程集干燥、冷冻于一体，结构简单，投资少，脱水效果显著，而且在脱水的同时，也副产部分轻烃，可以省掉轻烃回收装置中的分子筛吸附工段，提高了生产效率。对于富气轻烃装置在不使用低温膨胀机的情况下，可以得到令人满意的C3收率。这种方法还没有在生产中实际应用。如今的轻烃回收工艺流程特别是深冷流程中，常用强制制冷和膨胀制冷两种方法同时使用，即首先通过强制制冷实现浅冷，将高沸点重烃类冷凝下来，然后通过膨胀机实现深冷。两种制冷方法结合，使系统的适应性较大，即使一部分发生故障，整套装置也能保持低收率情况下继续运转，而且这种流程还可以提高丙烷收率，提高装置有效能效率，装置的建设投资和能耗较低。3.膨胀机在采用膨胀机制冷循环的轻烃回收装置中，膨胀机是制冷系统的核心。膨胀机的形式基本上可分为两类：输出外功和输出外热。按输出外功形式的不同，输出外功类又分为活塞式膨胀机和透平膨胀机。输出外热类是将气体在膨胀过程中的能量以热能形式输出，这就是通常所说的热分离式膨胀机（也称热分离机）。轻烃回收装置所用的膨胀机主要是透平膨胀机和热分离机。由于透平膨胀机效率高，设备的研制较早，因而目前国内装置以透平膨胀机占绝大部分。3.1透平膨胀机油田气加工领域使用透平膨胀制冷回收轻烃工艺始于60年代，由于它具有流程简单、能耗地，操作方便，投资省，占地少，经济效益好等突出的优点，在70年代便得到推广应用。到80年代，国外新建的油田气加工装置几乎有90%使用了透平膨胀机。我国于1976年首次研制成功了天然气加工装置用透平膨胀机，天然气处理量7×104m3/d，压力4.0MPa，于1980年在四川中坝气田投入运行。随后胜利油田、四川气田等相继投产10余套透平膨胀轻烃回收装置，运转良好，表明我国透平膨胀机制造技术已趋成熟。国内从事透平膨胀机研究的单位除了西安交通大学等高等院校外，还有四川深冷设备研究所和航空科技集团609所，制造厂家则以四川空气分离设备厂为代表。为了提高国内透平膨胀机组的制造水平，四川空分厂和609所都先后从国外引进技术和样机，并组织消化吸收攻关。如四川空分厂引进美国Rotoflow公司天然气膨胀机—压缩机组技术和样机，包括设计、制造、中间试验等全面质量保证手段。设计方面，膨胀机采用美国的三元流动程序进行流动分析，结构上采用高效率的可适应大带液量的闭式工作轮；增压机采用瑞士BBC公司模型级模化设计，效率高，性能曲线平坦。轴承采用Rotoflow公司高强度动静压油轴承。机组轴向力平衡采用推力控制自平衡系统。闭式工作轮的加工采用了先进的精密铸造工艺。膨胀机效率达到80%～84%。目前正在试验第二代可调喷嘴，它可