油田伴生氣輕烴回收過程中低溫分離法的使用

油田伴生氣輕烴回收過程中低溫分離法的使用摘要：油田天然氣中重組分(C3及以上烷烴)含量較多，燃料氣系統(tǒng)各級處理過程中，脫除液量大，原有設(shè)計流程為排放至平臺閉排后，通過火炬系統(tǒng)燃燒放空。本著節(jié)能降耗，增產(chǎn)增效的思路，對天然氣處理流程進行改造，增加液烴回收流程，以實現(xiàn)對這部分輕烴的有效回收利用，提升油田生產(chǎn)效益，降低輕烴對于原油流程的干擾，同時降低油田生產(chǎn)管理風(fēng)險。關(guān)鍵詞：油田；伴生氣；脫除；重?zé)N；對比1低溫分離技術(shù)應(yīng)用油田燃料氣處理系統(tǒng)主要為透平發(fā)電機提供燃料，燃料氣來源為本平臺產(chǎn)出的伴生氣，伴生氣經(jīng)天然氣壓縮機加壓至3600kPaG、冷卻至40°C后，進入燃氣儲罐除去液滴，天然氣在壓縮、冷卻處理過程中由于壓力、溫度的變化會有液烴析出，原有設(shè)計流程為排放至平臺閉排罐，通過火炬系統(tǒng)燃燒放空。由于輕烴是寶貴的化工原料，在我國有著巨大的市場空間，本著節(jié)能降耗，增產(chǎn)增效的思路，計劃增加輕烴回收流程，以實現(xiàn)對這部分輕烴的有效回收利用，同時降低輕烴對于原油流程的干擾，提高油田燃氣系統(tǒng)輕烴回收利用率。冷劑制冷法。冷劑制冷法主要指由外部單獨設(shè)置的冷劑系統(tǒng)為伴生氣的冷凝提供冷量，即冷劑系統(tǒng)與伴生氣之間相互獨立，無直接關(guān)系，因此其工藝流程主要為凝液回收與分離、冷劑循環(huán)兩部分組成。冷劑系統(tǒng)可以是機械制冷也可以是壓縮制冷等。根據(jù)冷源的利用情況，可以是單級制冷、多級串聯(lián)制冷和階梯式制冷。膨脹制冷法。膨脹制冷法多用于氣體存在較大富余壓力的場合，如高壓管輸氣接入城市燃氣管網(wǎng)時富余的壓力。高壓氣體通過節(jié)流閥或膨脹機等膨脹制冷設(shè)備時，由于焦耳一湯姆遜效應(yīng)溫度顯著降低，由于焦耳一湯姆遜效應(yīng)在低溫下溫降更加明顯，所以往往設(shè)置與冷凝物換熱而預(yù)冷單元后再進入多級膨脹設(shè)備。溫降幅度主要取決于氣體溫度和壓力。膨脹機的制冷效果好于節(jié)流閥，但膨脹機投資較大且受到滯液量的限制。油田產(chǎn)出物由于受到安全性和產(chǎn)能的作用，產(chǎn)出的伴生氣的壓力較低，且平臺空間有限，因此該方法對油田伴生氣來說不太適應(yīng)。（3）聯(lián)合制冷法。聯(lián)合制冷法，即將冷劑制冷法和膨脹制冷法聯(lián)合起來。一般來說，先通過冷劑制冷法將高溫氣體的溫度降低下來，即預(yù)冷，當降低至一定溫度后，再利用節(jié)流閥或膨脹機等降壓膨脹制冷，此時溫降深度將大幅提高。兩者提供的冷量情況和預(yù)冷深度等需要經(jīng)過綜合對比后方可確定。該方法即要求伴生氣有一定的富余壓力，又需要一定的空間和設(shè)備布置冷劑制冷相關(guān)設(shè)備，因此在油田的應(yīng)用極少。2吸附分離吸附分離主要是利用吸附劑存在的極性化學(xué)鍵而具有的選擇性吸附性能。對伴生氣中不同烴類物質(zhì)的吸附容量不同，實現(xiàn)各組分的分離。這種方法最初主要用于氣體凈化方面。隨著吸附技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是合成沸石分子篩的研發(fā)，吸附分離技術(shù)發(fā)展進程得以加快，并在石化、環(huán)保等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。其中，變壓吸附（PSA）、變溫吸附（TSA）和模擬移動床（SMB）分離方法成為應(yīng)用主流［5］。變壓吸附分離最早于1960年被發(fā)明，整個工藝在常溫條件下實現(xiàn)分離，主要是利用固體吸附劑對伴生氣中烴類的吸附量隨壓力升高而提高的特性，而進行的增壓吸附，降壓再生的分離技術(shù)。3膜分離技術(shù)膜分離脫重?zé)N工藝是近年來逐步發(fā)展起來的新型凈化技術(shù)，結(jié)合固體催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，克服了傳統(tǒng)分離技術(shù)分離不徹底的難題，充分發(fā)揮集成工藝的優(yōu)勢，可應(yīng)用于不同領(lǐng)域，因此具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景。該技術(shù)主要是利用薄膜的表皮層中存在的大量非鍵合材料組織的毛細管孔，伴生氣通過這些管孔的流動主要是自由分子流、篩分機理和表面流等共同作用的結(jié)果。當伴生氣在壓力的作用下穿透薄膜時，不同組分的滲透速率不同，表現(xiàn)出不同的傳遞特性，滲透速率強的組分往往為待脫除的組分，這里主要是重?zé)N組分。氣體膜分離法作為一種新型分離技術(shù)，其流動分離過程非常復(fù)雜，總體來說其分離機理可以由Knudsen擴散、表面擴散和分子篩共同作用的結(jié)果。4超音速分離法超音速分離器法作為一種新型分離工藝，主要利用伴生氣在超音速噴管內(nèi)絕熱膨脹降溫（由于在噴管內(nèi)停留時間極短，可看作為絕熱）后，在高速旋流的作用下將氣體與凝液分離出來。相比于傳統(tǒng)的分離手段，由于設(shè)備簡單、無轉(zhuǎn)動單元、能量消耗低、占地面積小等，大幅簡化工藝流程，并提高系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。特別適合于空間有限、安全要求高的油氣田的氣體分離，降低伴生氣的烴露點和水露點，為透平燃燒提供穩(wěn)定可靠的氣源和海管的安全經(jīng)濟運行提供策略。伴生氣超音速分離技術(shù)的核心部件為拉伐爾噴管，伴生氣在自身壓力作用下在漸縮段加速至音速附近，頸部時達到音速，然后進入漸擴段，氣體流速進一步提高，實現(xiàn)超音速。根據(jù)能量守恒，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，此時溫度和壓力急劇降低，氣體中的重?zé)N在低溫條件下很快被冷凝成細小液滴，最后在旋流離心力的作用下被“甩”出來，實現(xiàn)分離。一般情況下，為了深度脫重?zé)N，在超音速分離器前設(shè)置預(yù)冷冷卻器，同時將進料伴生氣與分離后的低溫干氣換熱，進一步降低進料伴生氣的溫度同時提高空氣溫度。依托燃氣儲罐本身緩存能力，在罐內(nèi)實現(xiàn)輕烴和水的重力分異，對液相出口管線進行改造，在排液調(diào)節(jié)閥下游新增至天然氣海管管線，當燃氣儲罐液位上漲高于調(diào)節(jié)閥設(shè)定值后，調(diào)節(jié)閥打開，儲罐內(nèi)液烴進入天然氣海管外輸，在儲罐底部出口與正常排液出口之間加裝油水界面液位計，手動排水控制油水界面，實現(xiàn)對燃氣儲罐的輕烴回收。若實際中要求嚴格得脫水脫重?zé)N深度，則需要配備相應(yīng)的冷劑循環(huán)流程和設(shè)備，將大幅增加工程投資和成本。吸附分離法目前較為常見的是分子篩吸附分離，主要用于深度脫重?zé)N，而制約該方法在油田應(yīng)用的因素主要是同時需要兩個及以上吸附塔切換操作，一個用于吸附，另一個用于再生。若處理量較大時，設(shè)備占地面積大，投資大，再生能耗和操作成本高。另外，吸附劑存在一定的損耗，適用壽命較短，需要經(jīng)常更換，因此在油田的應(yīng)用方面存在局限性。膜分離技術(shù)和超音速分離技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新型分離技術(shù)。膜分離技術(shù)需要伴生氣具有一定的壓力穿透薄膜，分離精度高，目前在海水淡化、氣體凈化領(lǐng)域均有成熟的應(yīng)用。超音速分離技術(shù)作為一種簡約、經(jīng)濟、安全可靠的脫除工藝，特別適用于油田伴生氣的脫烴處理。結(jié)語油田伴生氣能否有效利用直接受到應(yīng)用場合經(jīng)濟性的制約。我國油田伴生氣主要用途為透平發(fā)電和海管外輸，其對氣質(zhì)均有一定的要求，在實際中需要脫除液烴，保證安全生產(chǎn)和可靠運行。目前，已形成幾種相對成熟的脫重?zé)N方法，各方法具有一定的適用場合和條件。低溫分離法對油田來說，主要用于深度較淺的脫水脫重?zé)N，難以適應(yīng)深度脫除；吸附分離法需要配置尺寸較大的吸附塔，另外再生能耗大，吸附劑壽命短等因素制約其在油田的應(yīng)用；膜分離技術(shù)和超音速分離技術(shù)作為新型的分離方案，由于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、操作費用低，特別適用于油田伴生氣的重?zé)N脫除，具有廣闊的發(fā)展前景。參考文獻：祁亞玲，宋東輝，汪貴