天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置的研制及應(yīng)用
                        辛紹杰1　王建軍2　李憲文2
    (1·上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院　2·大慶建軍石油機(jī)械有限公司)
    摘要：針對(duì)目前油田轉(zhuǎn)油站天然氣脫水使用的光管冷卻器存在脫水效果不穩(wěn)定、安全性能差等問(wèn)題,研制了天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置。該裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣制冷裝置和排液裝置等部分組成,以天然氣透平膨脹機(jī)作為制冷核心單元,利用天然氣自身輸送壓力推動(dòng)膨脹機(jī)制冷,將天然氣內(nèi)所含水分液化,具有脫水效果好、保護(hù)環(huán)境、方便管理等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,該裝置工作性能穩(wěn)定,各項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于“干燥器”,脫水效率達(dá)到91·7%,是一種非常適合油田中轉(zhuǎn)站的小型脫水設(shè)備。
    關(guān)鍵詞：透平膨脹機(jī)　天然氣脫水　低溫分離技術(shù)　脫水裝置
    引言   目前,天然氣脫水方法一般有冷凍法、固體干燥劑吸附法、甘醇液吸收法等3種。由于油田轉(zhuǎn)油站外輸濕氣或燃燒濕氣對(duì)脫水的指標(biāo)要求不高(目前無(wú)明確的規(guī)范要求),油田各轉(zhuǎn)油站廣泛采用自然冷卻脫水方法的光管冷卻器,稱為天然氣“干燥器”。其工作原理是:石油伴生天然氣在簡(jiǎn)易裝置中流過(guò)時(shí),利用環(huán)境溫度對(duì)其降溫,使氣體中夾帶的水、輕烴結(jié)露凝析,然后再進(jìn)行排放、收集,從而達(dá)到氣、液分離的目的。“干燥器”脫水雖簡(jiǎn)單,但受環(huán)境溫度與風(fēng)速影響很大,特別是冬春和秋冬交換期,干燥效果很不穩(wěn)定,并且因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集液方式等問(wèn)題還造成安全性較低。由于該設(shè)備屬“三無(wú)”產(chǎn)品,也給現(xiàn)場(chǎng)使用、環(huán)境保護(hù)以及管理等方面帶來(lái)許多問(wèn)題。針對(duì)這一難題,許多單位嘗試了多種辦法,也開發(fā)了許多產(chǎn)品,都不理想,未得到實(shí)際應(yīng)用。為此,自2003年初開始,李憲文和項(xiàng)目組成員經(jīng)過(guò)調(diào)查研究,比較了10多種脫水處理方案,采用以天然氣透平膨脹機(jī)作為制冷核心單元的脫水方案。2004年上半年開始系統(tǒng)的整體研究,并對(duì)裝置核心部件———天然氣透平膨脹機(jī)進(jìn)行了試制,還對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了模擬系統(tǒng)測(cè)試和全套系統(tǒng)聯(lián)調(diào),于下半年開發(fā)出石油伴生氣的脫水專用裝置。該裝置充分利用了現(xiàn)有資源,降低了使用成本,提高了脫水效率,同時(shí)還減少了環(huán)境污染,保證了安全,方便了管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工藝流程
    1·設(shè)計(jì)依據(jù)及工作原理
    天然氣組分會(huì)在不同溫度環(huán)境下表現(xiàn)出不同狀態(tài)。天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置是依據(jù)空氣分離技術(shù)發(fā)展而來(lái)的低溫分離技術(shù)而研制的新產(chǎn)品,利用油田氣中多組分的冷凝溫度不同,將油田氣冷卻到較低溫度后,使水和部分輕質(zhì)油冷凝,實(shí)現(xiàn)氣、液分離。膨脹機(jī)制冷后的天然氣與新進(jìn)入的天然氣經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行熱交換,使新進(jìn)入的含水份天然氣溫度下降到最佳冷凝溫度(水的冷凝點(diǎn)為1~3℃),再通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)流程中的分離器對(duì)天然氣與冷凝水進(jìn)行氣、水分離,達(dá)到氣、水完全分離的目的。透平膨脹機(jī)脫水裝置只利用氣源的壓力能,無(wú)需額外能源,冷卻均勻,脫水效率高,無(wú)需添加脫水吸收劑,且適應(yīng)各種復(fù)雜工況環(huán)境。系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)決定脫水系統(tǒng)的整體功能,為了確保系統(tǒng)各部件發(fā)揮最大功效,合理地利用設(shè)備資源,經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和參數(shù)調(diào)整,確定了以“天然氣透平膨脹機(jī)制冷,通過(guò)換熱器對(duì)含水天然氣換熱到水分子的冷凝點(diǎn),由旋風(fēng)分離器將冷凝后的水與天然氣分離”的方案該方案配以完善的安全防護(hù)措施和可靠的輔助設(shè)備有效地保護(hù)了核心部件膨脹機(jī)等設(shè)備的正常工作保證了系統(tǒng)工作的可靠性,減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,做到無(wú)人看守。在總體設(shè)計(jì)中主要考慮了降低膨脹比,提高制冷效率和使用的耐久性,改進(jìn)了系統(tǒng)流程,確保了整套系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
    2·工藝流程
    (1)裝置的組成　天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置主要由熱交換裝置、氣液分離裝置、天然氣制冷裝置和液體排出裝置等4部分組成。
    熱交換裝置采用的是新型氬焊板式換熱器,因其不采用橡膠密封墊進(jìn)行密封,故特別適用于拆卸式換熱器。熱交換裝置在系統(tǒng)內(nèi)的主要作用是對(duì)來(lái)自輸氣管線的濕氣與經(jīng)過(guò)冷卻的干氣進(jìn)行熱交換使來(lái)氣溫度迅速降低。
    氣液分離裝置由一次分離器、二次分離器、液位指示儀和控制閥門等組成,分離器采用新型旋風(fēng)分離器。主要工作原理是:需處理的氣液混合氣流從分離器切向進(jìn)入后,在螺旋通道內(nèi)以一定的速度旋轉(zhuǎn),由于離心力的作用,使密度大的固體顆粒和液滴在器壁上聚積,在自身重力和氣流帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入積液筒,氣體則由內(nèi)筒上行從出氣口排出,實(shí)現(xiàn)氣液分離。一次分離器的主要作用是:對(duì)輸氣管線來(lái)的濕氣進(jìn)行粗分離,脫去其中的一部分凝析液和雜質(zhì),減少凝析液和雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的破壞保證后級(jí)系統(tǒng)的正常工作。二次分離器的主要作用是:對(duì)凝析出來(lái)的少部分輕質(zhì)油和水進(jìn)行再次分離,保證系統(tǒng)的脫水效果。
    天然氣制冷裝置由天然氣透平膨脹機(jī)、平衡裝置和指示儀表等組成。為滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的需要,天然氣透平膨脹機(jī)與壓縮機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)。透平膨脹機(jī)組的主機(jī)采用筒殼式結(jié)構(gòu),潤(rùn)滑系統(tǒng)采用天然氣潤(rùn)滑的氣體軸承,同時(shí),膨脹機(jī)組還配置了完善的安全保護(hù)系統(tǒng),以保證機(jī)組長(zhǎng)期工作而無(wú)需維護(hù)、維修,提高了透平膨脹機(jī)組的可靠性。
    系統(tǒng)的液體排出裝置由儲(chǔ)液罐、液位感應(yīng)器、氣壓排液泵和指示控制部分等組成,其主要作用是及時(shí)排出分離出來(lái)的液體,保證系統(tǒng)在寒冷的氣溫下能正常工作。
    (2)系統(tǒng)的工藝流程　脫水裝置的工藝流程如圖1所示。其中, A至加熱爐, B、D至伴熱管線, C至外輸原油外輸系統(tǒng), E至外輸系統(tǒng)管線。該裝置采用的天然氣透平膨脹機(jī)主要是為裝置提供輔助冷量,在外部氣溫高于-30℃時(shí)運(yùn)行以保證分離器進(jìn)口為脫水的最佳溫度。裝置將壓縮機(jī)出口并入外輸系統(tǒng)時(shí),需要對(duì)控制閥門進(jìn)行調(diào)整,其調(diào)整量經(jīng)實(shí)際測(cè)量后確定。
              
    其工藝流程如下:進(jìn)入脫水系統(tǒng)的天然氣原料氣(參數(shù)為0·18 MPa、20℃),經(jīng)散熱器先行冷卻后進(jìn)入換熱器與冷端天然氣進(jìn)行熱交換,壓力降至0·12MPa,溫度降至1℃;在此溫度和壓力下凝析出的大部分水和烴液,通過(guò)1次分離器時(shí)分離出來(lái);一部分氣體經(jīng)過(guò)渦輪膨脹機(jī)膨脹后制冷,然后返回到換熱器的冷端與新進(jìn)入的天然氣原料氣進(jìn)行熱交換(ε=2·182,η=0·77),進(jìn)一步脫出其中的水分和烴液,此時(shí)的氣體壓力為0·10MPa,溫度為-13℃;這部分氣體進(jìn)入2次分離器,分離新凝析出來(lái)的水和烴液;這時(shí)的氣體作為冷源進(jìn)入換熱器,與進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣換熱,一方面降低來(lái)氣溫度,另一方面提高干氣溫度;最后氣體經(jīng)過(guò)與渦輪膨脹機(jī)同軸的壓縮機(jī)增壓(ε=1·4,η=0·65)后外輸,此時(shí)外輸壓力為0·12MPa,溫度為32℃; 1次和2次分離器分離出來(lái)的水份和烴液匯集于集液罐,由氣體增壓泵排至原油外輸系統(tǒng)。
    天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置充分利用天然氣自身輸送壓力推動(dòng)膨脹機(jī)制冷,將天然氣內(nèi)所含水分液化,液化后的水及輕質(zhì)油,通過(guò)自動(dòng)排水裝置直接輸送到轉(zhuǎn)油站的“三合一”分離罐進(jìn)行再利用或再生產(chǎn)。由于該工藝過(guò)程接近等熵過(guò)程,不但能分離出天然氣內(nèi)的水分、提高烴的回收率,而且能做外功,驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)輸送氣體。分離后的結(jié)晶體在分離裝置內(nèi)經(jīng)過(guò)升溫后,轉(zhuǎn)化為液體進(jìn)入沉淀器經(jīng)過(guò)液體泵輸出。
    3·透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)
    膨脹機(jī)是低溫脫水裝置產(chǎn)生冷量的關(guān)鍵設(shè)備。它應(yīng)用在大型空氣制冷,天然氣田,天然氣提取輕質(zhì)油,液化等大型、高膨脹比的場(chǎng)合,屬成熟技術(shù)。但在氣量小、低膨脹比現(xiàn)場(chǎng)(無(wú)任何增壓設(shè)備)使用該技術(shù)極其困難。通過(guò)一系列的研究、試驗(yàn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了膨脹機(jī)在復(fù)雜工作環(huán)境下應(yīng)用時(shí)存在的供氣壓力低、壓差小等關(guān)鍵技術(shù)難題。根據(jù)配套的要求在設(shè)計(jì)方面采取了下列措施:
    (1)透平膨脹機(jī)在實(shí)際工況下的運(yùn)行參數(shù)與理論值有一定差異,對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸較小的透平膨脹機(jī),為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及方便操作,工況的調(diào)節(jié)采用了機(jī)后調(diào)節(jié)方式。具體設(shè)計(jì)中選擇了體積流量最小的工況作為主設(shè)計(jì)工況,確定了透平膨脹機(jī)通流部分各零、部件的結(jié)構(gòu)尺寸,并對(duì)部分結(jié)構(gòu)尺寸做了一些必要的調(diào)整,保障了透平膨脹機(jī)在各種工況下運(yùn)行都能滿足制冷效率要求。
    (2)透平膨脹機(jī)采用增壓機(jī)制動(dòng),制動(dòng)氣可以對(duì)裝置輸出氣體進(jìn)行增壓,保證遠(yuǎn)距離輸送氣體的壓力需要,這樣膨脹機(jī)的運(yùn)行可不受外界環(huán)境大氣壓力、溫度的影響,但增加了裝置的復(fù)雜程度,尤其是增加了流程設(shè)計(jì)的難度。考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用的具體條件,膨脹機(jī)采用輸出氣制動(dòng),簡(jiǎn)化了操作,使其能在一定范圍內(nèi)正常運(yùn)行。
    (3)為使透平膨脹機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,在設(shè)計(jì)上采取了以下措施:①由于軸承的承載能力比較小,在精心計(jì)算的基礎(chǔ)上,合理選定了工作輪、風(fēng)機(jī)輪的運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸,從而減少了轉(zhuǎn)子的軸向受力,提高了軸承使用壽命;②采用大剛度的轉(zhuǎn)子,避免了轉(zhuǎn)子通過(guò)臨界區(qū)域而引起的共振破壞問(wèn)題,也方便了操作。
    (4)在裝置的其它方面也采取了一些措施,如在軸承加油口、腔體間增加平衡毛細(xì)管,在增壓機(jī)進(jìn)出口加裝平衡閥等,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子負(fù)載,延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。
    4·主要技術(shù)參數(shù)
    水的質(zhì)量濃度:≤7 g/m3;
    氣體流量: 10 000~50 000 m3/d;
    供氣壓力: 0·12~0·5MPa;
    工作方式:連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);
    環(huán)境溫度: -30~10℃。
    現(xiàn)　場(chǎng)　應(yīng)　用
    首臺(tái)天然氣脫水裝置于2004年6月在大慶油田采油三廠進(jìn)行了樣機(jī)礦場(chǎng)試驗(yàn)。該站環(huán)境溫度-10℃,天然氣來(lái)氣溫度20℃,來(lái)氣壓力0·18MPa,來(lái)氣流量17 000 m3/d,來(lái)氣中水的質(zhì)量濃度為21·2 g/m3。目前,已在該廠推廣18臺(tái)。用戶認(rèn)為:“該裝置工作正常,性能穩(wěn)定”。通過(guò)各種測(cè)試和多方面對(duì)比,裝置的各項(xiàng)指標(biāo)均明顯優(yōu)于“干燥器”,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行,脫水效果良好,脫水效率達(dá)到91·7%,是一種非常適合油田中轉(zhuǎn)站使用的小型脫水設(shè)備”。該裝置在2005年1月通過(guò)石油工業(yè)原油及石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn),樣機(jī)脫水前后的天然氣參數(shù)對(duì)比如表1所示。
              
    由檢測(cè)結(jié)果可看出:由于水和烴液的排出,天然氣的密度、相對(duì)密度和高位熱值均降低,尤其是露點(diǎn)的前后結(jié)果,充分反映出樣機(jī)脫水效果好。
    綜上所述,可得如下結(jié)論:
    天然氣透平膨脹機(jī)脫水裝置是目前油田最有效的天然氣脫水系統(tǒng),與現(xiàn)在使用的“干燥器”相比較,具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):
    (1)可以有效地脫除天然氣中所含的水分,保證站內(nèi)用氣和外輸氣的質(zhì)量,確保各種用氣設(shè)備的安全,消除鍋爐的爆膛事故,防止外輸管線的凍、堵等事故。
    (2)該裝置是一種全封閉循環(huán)系統(tǒng),天然氣經(jīng)過(guò)裝置處理后直接輸出,同時(shí),分離出的水及輕質(zhì)油也直接回輸?shù)酵廨斢凸芫€,既減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,又避免了環(huán)境污染。
    (3)該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,是一種橇裝設(shè)備,安裝方便且維護(hù)量小,尤其可以安裝在室內(nèi),非常便于統(tǒng)一管理。
    (4)該裝置直接將分離出的輕質(zhì)油回輸?shù)酵廨斣凸芫€,杜絕了人為放油帶來(lái)的不安全因素,減少了經(jīng)濟(jì)損失,確保了安全生產(chǎn)。