天然气脱水脱烃方法介绍

天然气技术／天然气技术／摘要首先介绍了为满足天然气管输要求的脱水脱烃方法，即“浅脱”。认为对油田伴生气和凝析天然气宜采用注入水合物抑制剂的温降法，以同时满足在管输条件下对水露点和烃露点的要求；对不需要脱烃的气层天然气和经液体脱硫后的净化天然气，则宜采用三甘醇溶液吸收脱水的方法，以满足在管输条件下对水露点的要求。其次还介绍了温降法脱水脱烃所用水合物抑制剂的相关情况。最后指出，进入脱水脱烃设备的原料天然气的清洁度对该设备至关重要，因此务必精心设计和操作前置分离系统。关键词天然气脱水脱烃水合物抑制剂天然气脱水脱烃方法介绍王协琴（中国石油和石化工程研究会天然气专业委员会，四川成都610051）收稿日期：2009－06－01作者简介：王协琴（1942－），本科，高级工程师。现为中国石油和石化工程研究会理事、天然气专业委员会副主任兼秘书长。电话：[phone]。中图分类号：TE644文献标识码：A1概述本文所指天然气系油气田开采的伴生气和非伴生气。要将天然气从油气田用管道输送出去，除了要除去其中所携带的固体杂质和游离液体外，还必须除去在输送条件下会凝结成液体的气相水（WaterVapour）和天然气液烃（NGL）组分。天然气脱水脱烃即指脱除天然气中会影响其在输送条件下正常流动的那部分气相水和ＮGL组分，以满足天然气在管输条件下对水露点和烃露点的要求。这种只为满足输气要求的脱水脱烃常被称为“浅脱”（ShallowCut）。本文只涉及“浅脱”的脱水脱烃，不涉及要求尽可能多回收NGL组分的“深脱”（DeepCut）的脱水脱烃，以及为生产液化天然气（LNG）和车用压缩天然气（CNG）燃料的深度脱水。但包括那些含NGL组分很少，不脱烃也能达到输气烃露点要求的气层天然气（GasLayerGas）的脱水。对含有较多NGL组分的油田伴生气和凝析天然气而言，能同时有效脱除其中水和烃的方法是温降法，其中包括节流膨胀制冷法和外部制冷法；对不需要控制烃露点的气层天然气而言，应视其具体情况选用脱水方法。通常，在有自然压力能可供利用的场合宜选用温降法脱水，反之则宜选用三甘醇（TEG）吸收法脱水。本文就温降法脱水作一介绍。2温降法该法系通过降低天然气的温度，将其中所含的会影响天然气在管输条件下正常输送的那部分气相水和NGL组分冷凝并分离出来，以满足外输气水露点和烃露点要求的一种脱水脱烃方法。使用该法需防止天然气在降温过程中生成水合物堵塞系统的设备和管道，为此需要在天然气降温前注入水合物抑制剂。降温方法可分为节流膨胀制冷降温和外部致冷降温两种类型。前者要损失天然气自身的压力能；后者虽然不会损失压力能，但天然气致冷需要消耗电力。2.1节流膨胀制冷节流膨胀制冷设备有J－T阀、超音速分离器（3S）和膨胀机。其中，膨胀机因机组结构和运行都较J－T阀和3S复杂，通常不适合用于“浅脱”工程，故不属本文介绍范围。2.1.1J－T阀J－T阀在油气田上广泛用于有自然压力能可供利用的天然气“浅脱”设备。其工艺流程见图1。Vol.3，No.5Oct.2009文章编号：1673-9035（2009）05-0051-04天然气技术NaturalGasTechnology2009年第3卷·第5期51/NaturalGasTechnology图1J－T阀节流制冷脱水脱烃流程图J－T阀系等焓节流降温设备[2]，因此制冷效率低，在相同压力降条件下温降小，但其脱水脱烃工艺过程和设备都相对简单，易于实施。2.1.23S3S是一种新型节流膨胀制冷设备[3]，近年来用于天然气脱水脱烃取得很大进展。3S与J－T阀的主要区别在于：天然气经3S节流降温泠凝分离出会影响输送的水和NGL组分后，其经喷嘴节流损失的压力会大部分得以恢复，从而大大减少了天然气的压力损失。在相同压力降的情况下，3S具有比J－T阀大得多的温降，其制冷效率远高于J－T阀，因此倍受天然气开发商的青睐。其典型工艺流程见图2。图23S脱水脱烃流程图需要说明两点：①用温降法达到的水露点和烃露点是相同的；②用3S脱除那些含NGL组分很少的气层天然气水时，不一定需要加入水合物抑制剂，从而更进一步简化了天然气脱水系统。以3S脱除某气层天然气中水的一个例子说明如下：1）天然气进3S装置的条件：天然气流率为120×104m3／d，天然气温度为40℃，天然气压力为6.4MPa，天然气组成如表1。2）天然气输出条件：输出压力为2.5MPa，输出温度为大于0℃，水露点小于等于-10℃（在2.5MPa压力下）。3）计算结果：天然气进外输管线的压力为2.5MPa，温度为24.8℃，从天然气中脱除水4.7kg-mol／h或85kg／h（水为100％，不含水合物抑制剂），天然气水露点为-10℃（在2.5MPa压力下）。显然，在该例条件下是不需要加注水合物抑制剂的。2.2外部致冷对油田生产的伴生气而言，通常都没有可供气体节流降温的自然压力能，而要将其升压后再节流降温则又很不经济，这时大多采用外部致冷的方式冷却天然气[4]，将其中的会影响天然气输送的那部分气相水和NGL组分冷凝并分离出来，以满足输气的水露点和烃露点要求。油田用于外部致冷的冷剂主要有氨（NH3）和丙烷（N3H8）两种。其特点是：氨的单位质量的制冷量比丙烷大得多，是最具经济价值的冷剂，但需要水冷；丙烷单位质量的制冷量虽然比氨低得多，但可以采用空冷，并且“浅脱”装置所需致冷用丙烷可很方便地从油田NGL分溜装置得到，因此，在缺水地区建设“浅脱”装置时，致冷系统使用丙烷作冷剂成为一种最佳的选择。尚需说明的是，在严重缺水的戈壁滩和沙漠中，有一些小型外部致冷的“浅脱”装置，为了简化系统和降低一次投资费用而使用氟利昂作冷剂，但随着氟利昴限用期限的到来，这些装置的氟利昂致冷系统将停运。典型的外部致冷“浅脱”装置的工艺流程见图3。图3外部致冷脱水脱烃流程2.3IFPEX－1IFPEX－1系法国研究开发的脱水脱烃新方法[5]，CH497.67C2H61.06C3H80.32C4H100.16C5H120.05CO20.45N20.05H2O0.22表1某气层天然气组成表低气压自用()NGL()外输含醇水去回收系统湿天然气从前置分离系统来AIH02干天然气(外输)乙=醇或甲醇123451.2.3.J-T4.5.换热器阀低温分离器三相分离器甲醇湿天然气从前置分离系统来干天然气(外输)低气压自用()NGL()外输含甲醇水去回收系统1.2.3.3S4.5.换热器超音速分离器()低温分离器三相分离器AIH0212345低气压自用()NGL()外输含醇水去回收系统1.2.3.4.5.6.7.换热器蒸发器压缩机冷凝冷却器低温分离器三相分离器湿天然气从前置分离系统来AIH02干天然气(外输)乙醇或甲醇1234567注：1、2.换热器；3.J－T阀；4.低温分离器；5.三相分离器注：1、2.换热器；3.超音速分离器（3S）；4.低温分离器；5.三相分离器注：1、2.换热器；3.蒸发器；4.压缩机；5.冷凝冷却器；6.低温分离器；5.三相分离器（%）第3卷第5期王协琴：天然气脱水脱烃方法介绍52天然气技术／天然气技术／其工艺流程见图4。图4IFPEX－1脱水脱烃流程经前置分离系统除去固体杂质和游离液体的进料天然气分成两支，其中一支作为气提气进入IFPEX－1塔下部，从下向上流动，与来自低温分离器的含水甲醇液逆流接触，将其中的甲醇全部气提出来并随气提气从塔顶流出，与另一支进料天然气汇合，进入低温系统冷却；从塔底排出的水量是为满足水露点要求而从进料天然气中脱除的，可以回收利用。塔顶流出的气提气中所含甲醇量足以防止混合后的天然气在其后的管输和低温过程中生成水合物。在低温过程中冷凝下来的烃和醇水混合物，在一个低温三相分离器中进行分离。天然气的冷却温度由外输天然气要求的水露点和烃露点决定，外部致冷常用的制冷工艺和制冷剂都可用于IFPEX－1装置的致冷。IFPEX－1与其他喷注水合物抑制剂的外部致冷脱水脱烃工艺想比，具有以下优点：①不需要另设甲醇再生系统，因而没有加热设备，不仅简化了工艺流程和设备，而且大大增强了脱水脱烃作业的安全性；②无废气排出，不会对大气造成污染；③IFPEX－1塔底排出的水已脱除了甲醇和烃类，可以直接回收进行再利用；④NGL中所含甲醇可通过简单水洗回收，对NGL的进一步处理和加工不会带来不利影响；⑤由于是低温系统，因此甲醇不降解，不腐蚀，不起泡；⑥除IFPEX－1塔较高外，其他设备重量轻、体积小，因此是海上和空间受限场所实施脱水脱烃作业的理想方法。IFPEX－1塔可以安装在远离制冷系统的适当的地方，譬如海上的井口平台上。IFPEX－1的主要技术指标：①外输天然气的水露点和烃露点完全能满足长距离输送要求，如有必要，亦可将其降低到-100℃（常压下），相当于绝对水含量0.16mg／m3。②当天然气被冷却到-40℃时，可保证外输天然气中的甲醇含量小于60mg／L。③采用水洗可以回收NGL中90%以上的甲醇。④IFPEX－1塔底排出水的甲醇含量可达到再利用要求，如有必要可使其小于50mg／L。从上可见，IFPEX－1也是在天然气中掺入甲醇水合物抑制剂的外部致冷脱水脱烃工艺，只是其采用的甲醇回收方式不同于通常的注甲醇外部致冷工艺。2.4水合物抑制剂天然气采用温降法进行“浅脱”通常需要向其中掺入水合物抑制剂，因此了解水合物抑制剂与了解“浅脱”工艺同样重要。到目前为止，天然气“浅脱”作业中使用的水合物抑制剂基本上还都是甲醇和乙二醇等醇类热力学抑制剂，其作用机理是：通过喷注并均匀分散于天然气中的醇与气相水结合，以降低液面上的水蒸气分压，从而降低水合物的生成温度。醇类热力学抑制剂被广泛用于油气田已长达数十年，技术十分成熟、可靠，并积累了丰富经验。但是，随着对脱水脱烃技术要求的不断提高，醇类热力学抑制剂显现出以下不足：①用量大，除了IFPEX－1外，其他“浅脱”方法都需要设置专门的抑制剂蒸馏回收系统，增加了“浅脱”作业的复杂性。②由于甲醇所具有的毒性和蒸气压高的特点，需要对甲醇含量以及排放废水中甲醇含量实施严格的限制，这会增大甲醇抑制剂的使用成本。为此，从上世纪90年代起，国内外就开始研究用量少且成本不高，无毒害、不污染环境的新型非热力学抑制剂，即低计量水合物抑制剂（LowDosageHydrateInhibitor）。LDHI的作用机理是延缓水合物的生成，而不是改变其生成条件。当前，LDHI主要有动力学抑制剂（KI）和阻聚剂（AA）两类，其注入量分别不超过水质量的5%和3%。KI通常是含乙烯基内酰胺结构的高分子聚合物，需要载体溶剂，并且因受过冷度限制，在载体溶剂中的浓度不能超过5%，否则会因黏度太大而影响泵送和在天然气中的分散；AA虽然其使用不受过冷度限制，但只有在有油时才能起到抑制作用。目前LDHI仍处于研发阶段，要在油气田广泛使用，还必须解决诸如过冷AIH02湿天然气从前置分离系统来水干天然气(外输)甲醇(回收再利用)NGL()外输1.IFPEX-12.3.4.5.6.7.塔换热器蒸发器低温三相分离器含水甲醇泵制冷剂压缩机制冷剂冷却器1234567注：1.IFPEX－1塔；2.换热器；3.蒸发器；4.低温三相分离器；5.含水甲醇泵；6.制冷剂压缩机；7.制冷剂冷却器天然气技术·处理与加工总第17期2009年53/NaturalGasTechnology度、抑制时间等问题。3TEG脱水这里介绍的TEG吸收法脱水系用于不脱烃也能满足输气烃露点要求的不含硫天然气的脱水，包括不含硫的气层天然气的脱水和天然气净化厂中经液体脱硫后的净化天然气的脱水[6]。二者的工艺方法、设备、仪控系统都相同，其典型工艺流程见图5。图5TEG脱水流程图TEG吸收法脱水在油气田使用已长达数十年，技术成熟可靠，设计已实现标准化或定型化。对不含硫气层天然气的脱水而言，至关重要的是必须认真按技术要求操作前置分离系统，务必将天然气中携带的游离水脱除干净，以防止液态水进入脱水塔稀释TEG溶液，从而增大其循环量和溶液再生系统的热负荷、燃料气用量以及气提塔负荷导致操作紊乱等，其结