天然氣透平膨脹機脫水裝置的研制及應用
                        辛紹杰1　王建軍2　李憲文2
    (1·上海電機學院機械學院　2·大慶建軍石油機械有限公司)
    摘要：針對目前油田轉油站天然氣脫水使用的光管冷卻器存在脫水效果不穩定、安全性能差等問題,研制了天然氣透平膨脹機脫水裝置。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作為制冷核心單元,利用天然氣自身輸送壓力推動膨脹機制冷,將天然氣內所含水分液化,具有脫水效果好、保護環境、方便管理等優點。現場應用表明,該裝置工作性能穩定,各項指標明顯優于“干燥器”,脫水效率達到91·7%,是一種非常適合油田中轉站的小型脫水設備。
    關鍵詞：透平膨脹機　天然氣脫水　低溫分離技術　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。由于油田轉油站外輸濕氣或燃燒濕氣對脫水的指標要求不高(目前無明確的規范要求),油田各轉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易裝置中流過時,利用環境溫度對其降溫,使氣體中夾帶的水、輕烴結露凝析,然后再進行排放、收集,從而達到氣、液分離的目的。“干燥器”脫水雖簡單,但受環境溫度與風速影響很大,特別是冬春和秋冬交換期,干燥效果很不穩定,并且因結構設計、集液方式等問題還造成安全性較低。由于該設備屬“三無”產品,也給現場使用、環境保護以及管理等方面帶來許多問題。針對這一難題,許多單位嘗試了多種辦法,也開發了許多產品,都不理想,未得到實際應用。為此,自2003年初開始,李憲文和項目組成員經過調查研究,比較了10多種脫水處理方案,采用以天然氣透平膨脹機作為制冷核心單元的脫水方案。2004年上半年開始系統的整體研究,并對裝置核心部件———天然氣透平膨脹機進行了試制,還對樣機進行了模擬系統測試和全套系統聯調,于下半年開發出石油伴生氣的脫水專用裝置。該裝置充分利用了現有資源,降低了使用成本,提高了脫水效率,同時還減少了環境污染,保證了安全,方便了管理。系統設計與工藝流程
    1·設計依據及工作原理
    天然氣組分會在不同溫度環境下表現出不同狀態。天然氣透平膨脹機脫水裝置是依據空氣分離技術發展而來的低溫分離技術而研制的新產品,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,使水和部分輕質油冷凝,實現氣、液分離。膨脹機制冷后的天然氣與新進入的天然氣經過換熱器進行熱交換,使新進入的含水份天然氣溫度下降到最佳冷凝溫度(水的冷凝點為1~3℃),再通過設置系統流程中的分離器對天然氣與冷凝水進行氣、水分離,達到氣、水完全分離的目的。透平膨脹機脫水裝置只利用氣源的壓力能,無需額外能源,冷卻均勻,脫水效率高,無需添加脫水吸收劑,且適應各種復雜工況環境。系統流程的設計決定脫水系統的整體功能,為了確保系統各部件發揮最大功效,合理地利用設備資源,經過反復研究和參數調整,確定了以“天然氣透平膨脹機制冷,通過換熱器對含水天然氣換熱到水分子的冷凝點,由旋風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措施和可靠的輔助設備有效地保護了核心部件膨脹機等設備的正常工作保證了系統工作的可靠性,減輕了現場工作人員的勞動強度,做到無人看守。在總體設計中主要考慮了降低膨脹比,提高制冷效率和使用的耐久性,改進了系統流程,確保了整套系統的運行可靠性。
    2·工藝流程
    (1)裝置的組成　天然氣透平膨脹機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行密封,故特別適用于拆卸式換熱器。熱交換裝置在系統內的主要作用是對來自輸氣管線的濕氣與經過冷卻的干氣進行熱交換使來氣溫度迅速降低。
    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入后,在螺旋通道內以一定的速度旋轉,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下向下運動進入積液筒,氣體則由內筒上行從出氣口排出,實現氣液分離。一次分離器的主要作用是:對輸氣管線來的濕氣進行粗分離,脫去其中的一部分凝析液和雜質,減少凝析液和雜質對系統的破壞保證后級系統的正常工作。二次分離器的主要作用是:對凝析出來的少部分輕質油和水進行再次分離,保證系統的脫水效果。
    天然氣制冷裝置由天然氣透平膨脹機、平衡裝置和指示儀表等組成。為滿足現場使用的需要,天然氣透平膨脹機與壓縮機采用一體化設計。透平膨脹機組的主機采用筒殼式結構,潤滑系統采用天然氣潤滑的氣體軸承,同時,膨脹機組還配置了完善的安全保護系統,以保證機組長期工作而無需維護、維修,提高了透平膨脹機組的可靠性。
    系統的液體排出裝置由儲液罐、液位感應器、氣壓排液泵和指示控制部分等組成,其主要作用是及時排出分離出來的液體,保證系統在寒冷的氣溫下能正常工作。
    (2)系統的工藝流程　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, E至外輸系統管線。該裝置采用的天然氣透平膨脹機主要是為裝置提供輔助冷量,在外部氣溫高于-30℃時運行以保證分離器進口為脫水的最佳溫度。裝置將壓縮機出口并入外輸系統時,需要對控制閥門進行調整,其調整量經實際測量后確定。
              
    其工藝流程如下:進入脫水系統的天然氣原料氣(參數為0·18 MPa、20℃),經散熱器先行冷卻后進入換熱器與冷端天然氣進行熱交換,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1次分離器時分離出來;一部分氣體經過渦輪膨脹機膨脹后制冷,然后返回到換熱器的冷端與新進入的天然氣原料氣進行熱交換(ε=2·182,η=0·77),進一步脫出其中的水分和烴液,此時的氣體壓力為0·10MPa,溫度為-13℃;這部分氣體進入2次分離器,分離新凝析出來的水和烴液;這時的氣體作為冷源進入換熱器,與進入系統的原料氣換熱,一方面降低來氣溫度,另一方面提高干氣溫度;最后氣體經過與渦輪膨脹機同軸的壓縮機增壓(ε=1·4,η=0·65)后外輸,此時外輸壓力為0·12MPa,溫度為32℃; 1次和2次分離器分離出來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。
    天然氣透平膨脹機脫水裝置充分利用天然氣自身輸送壓力推動膨脹機制冷,將天然氣內所含水分液化,液化后的水及輕質油,通過自動排水裝置直接輸送到轉油站的“三合一”分離罐進行再利用或再生產。由于該工藝過程接近等熵過程,不但能分離出天然氣內的水分、提高烴的回收率,而且能做外功,驅動壓縮機輸送氣體。分離后的結晶體在分離裝置內經過升溫后,轉化為液體進入沉淀器經過液體泵輸出。
    3·透平膨脹機的設計
    膨脹機是低溫脫水裝置產生冷量的關鍵設備。它應用在大型空氣制冷,天然氣田,天然氣提取輕質油,液化等大型、高膨脹比的場合,屬成熟技術。但在氣量小、低膨脹比現場(無任何增壓設備)使用該技術極其困難。通過一系列的研究、試驗以及優化設計,解決了膨脹機在復雜工作環境下應用時存在的供氣壓力低、壓差小等關鍵技術難題。根據配套的要求在設計方面采取了下列措施:
    (1)透平膨脹機在實際工況下的運行參數與理論值有一定差異,對于結構尺寸較小的透平膨脹機,為了簡化結構及方便操作,工況的調節采用了機后調節方式。具體設計中選擇了體積流量最小的工況作為主設計工況,確定了透平膨脹機通流部分各零、部件的結構尺寸,并對部分結構尺寸做了一些必要的調整,保障了透平膨脹機在各種工況下運行都能滿足制冷效率要求。
    (2)透平膨脹機采用增壓機制動,制動氣可以對裝置輸出氣體進行增壓,保證遠距離輸送氣體的壓力需要,這樣膨脹機的運行可不受外界環境大氣壓力、溫度的影響,但增加了裝置的復雜程度,尤其是增加了流程設計的難度。考慮到現場使用的具體條件,膨脹機采用輸出氣制動,簡化了操作,使其能在一定范圍內正常運行。
    (3)為使透平膨脹機運行穩定可靠,在設計上采取了以下措施:①由于軸承的承載能力比較小,在精心計算的基礎上,合理選定了工作輪、風機輪的運行參數及結構尺寸,從而減少了轉子的軸向受力,提高了軸承使用壽命;②采用大剛度的轉子,避免了轉子通過臨界區域而引起的共振破壞問題,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管,在增壓機進出口加裝平衡閥等,調節轉子負載,延長了設備使用壽命。
    4·主要技術參數
    水的質量濃度:≤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:連續運轉;
    環境溫度: -30~10℃。
    現　場　應　用
    首臺天然氣脫水裝置于2004年6月在大慶油田采油三廠進行了樣機礦場試驗。該站環境溫度-10℃,天然氣來氣溫度20℃,來氣壓力0·18MPa,來氣流量17 000 m3/d,來氣中水的質量濃度為21·2 g/m3。目前,已在該廠推廣18臺。用戶認為:“該裝置工作正常,性能穩定”。通過各種測試和多方面對比,裝置的各項指標均明顯優于“干燥器”,經現場試運行,脫水效果良好,脫水效率達到91·7%,是一種非常適合油田中轉站使用的小型脫水設備”。該裝置在2005年1月通過石油工業原油及石油產品質量監督檢驗,樣機脫水前后的天然氣參數對比如表1所示。
              
    由檢測結果可看出:由于水和烴液的排出,天然氣的密度、相對密度和高位熱值均降低,尤其是露點的前后結果,充分反映出樣機脫水效果好。
    綜上所述,可得如下結論:
    天然氣透平膨脹機脫水裝置是目前油田最有效的天然氣脫水系統,與現在使用的“干燥器”相比較,具有以下幾點優勢:
    (1)可以有效地脫除天然氣中所含的水分,保證站內用氣和外輸氣的質量,確保各種用氣設備的安全,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系統,天然氣經過裝置處理后直接輸出,同時,分離出的水及輕質油也直接回輸到外輸油管線,既減輕了工人勞動強度,又避免了環境污染。
    (3)該裝置結構緊湊、體積小,是一種橇裝設備,安裝方便且維護量小,尤其可以安裝在室內,非常便于統一管理。
    (4)該裝置直接將分離出的輕質油回輸到外輸原油管線,杜絕了人為放油帶來的不安全因素,減少了經濟損失,確保了安全生產。