天然氣超聲波脫水技術(shù)

天然氣超聲波脫水技術(shù)

天然氣超高壓技術(shù)天然氣中含有大量飽和蒸汽。在天然氣的收集和處理中，蒸汽很容易形成液態(tài)水。液態(tài)水容易與烴結(jié)合形成天然氣水合物(冰狀結(jié)晶固體),引起管線、節(jié)流閥、各種閥門以及儀表堵塞,降低天然氣的產(chǎn)量和管線輸送能力,增大動(dòng)力消耗,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn),甚至造成停產(chǎn)事故。另外,液態(tài)水容易溶解CO2、H2S等酸性氣體,形成具有強(qiáng)腐蝕性的酸液,引起管線和設(shè)備腐蝕。現(xiàn)有的天然氣脫水技術(shù)包括J—T閥和透平膨脹機(jī)、三甘醇脫水技術(shù)和分子篩脫水技術(shù),其中應(yīng)用最廣泛的是三甘醇脫水技術(shù)。三甘醇脫水系統(tǒng)包括分離器、吸收塔和三甘醇再生系統(tǒng)。存在的主要問題是:系統(tǒng)比較復(fù)雜;三甘醇溶液再生過程的能耗比較大;三甘醇溶液會(huì)損失和被污染,因此需要補(bǔ)充和凈化;三甘醇與空氣接觸會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),生成有腐蝕性的有機(jī)酸,所以三甘醇脫水的投資和運(yùn)行成本比較高。天然氣超音速脫水技術(shù)是2000年由Shell(殼牌)公司引入天然氣領(lǐng)域的新型脫水技術(shù),它利用天然氣在超音速狀態(tài)下的蒸汽冷凝現(xiàn)象進(jìn)行天然氣脫水,在熱力學(xué)原理和系統(tǒng)構(gòu)成上與傳統(tǒng)的天然氣脫水方法有顯著的區(qū)別。天然氣超音速脫水將膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的功能集中到一個(gè)管道中,大大簡化了脫水系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了脫水系統(tǒng)的投資、運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)境污染。開展天然氣超音速技術(shù)的研究和應(yīng)用可以緊跟國外天然氣脫水的技術(shù)前沿,徹底改變現(xiàn)有天然氣脫水系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、操作復(fù)雜、污染大、運(yùn)行費(fèi)用高的不足。為此,中國石油集團(tuán)科技發(fā)展部于2003年立項(xiàng),由江漢機(jī)械研究所與有關(guān)單位聯(lián)合開展天然氣超音速脫水技術(shù)的研究。天然氣超音速脫水技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r從1997年起,殼牌石油公司開展了天然氣超音速脫水技術(shù)的研究,包括基礎(chǔ)理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。基礎(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬研究主要在荷蘭的埃因霍恩科技大學(xué)等幾所大學(xué)、StorkProductEngineering公司和Shell的研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行,發(fā)展了一些描述分離器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的分析和數(shù)值模擬工具。Shell公司于2000年與Beacom風(fēng)險(xiǎn)投資公司合資成立了專門研究和推廣這項(xiàng)技術(shù)的TwisterBV公司。1998年,在荷蘭的Zuiderveen進(jìn)行了500×104m3/d規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該試驗(yàn)的進(jìn)口條件是11MPa和40℃,分離器內(nèi)部的參數(shù)是3MPa和-45℃,出口條件是8MPa和30℃。1999年初,在荷蘭的Barendrecht安裝了一套試驗(yàn)設(shè)備,用于研究富天然氣的處理。2000年11月在尼日利亞的試驗(yàn)裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn),成功地將85×104m3/d的天然氣脫水到管線要求的標(biāo)準(zhǔn)。共測(cè)試了6個(gè)不同的管,探索了超音速脫水技術(shù)在富天然氣中的應(yīng)用。在尼日利亞的實(shí)驗(yàn)水露點(diǎn)降低22～28℃(進(jìn)氣溫度為20℃時(shí),出口氣體的露點(diǎn)為-2～-8℃)。這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了天然氣超音速脫水系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的能力,并在實(shí)際應(yīng)用中不斷地改進(jìn),所有的研究都取得了滿意的結(jié)果。超音速天然氣脫水技術(shù)在國外已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。第一個(gè)商業(yè)化的脫水系統(tǒng)于2003年12月在馬來西亞的B11海上平臺(tái)上安裝。該脫水系統(tǒng)包括6個(gè)超音速分離器,每個(gè)分離器的處理能力約為280×104m3/d,總處理能力接近850×104m3/d(有備用分離器),該氣田富含H2S、CO2等非伴生氣,壓力降達(dá)25%～30%,出口水露點(diǎn)達(dá)10℃,大修時(shí)間可達(dá)20000h。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,還節(jié)約投資和操作費(fèi)用3～8千萬美元。國內(nèi)在這方面的研究較少,江漢機(jī)械研究所與有關(guān)單位目前已經(jīng)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究工作,取得了一系列階段成果,突破了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),該項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2006年7月投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。技術(shù)分析1.天然氣免燒磚系統(tǒng)天然氣超音速脫水技術(shù)屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法。核心部件為超音速分離器,其基本原理是利用拉瓦爾噴管,使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速,這時(shí)天然氣的溫度和壓力會(huì)急劇下降,使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴,然后在超音速下產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流旋轉(zhuǎn)將小液滴分離出來,并對(duì)干氣進(jìn)行再壓縮。天然氣超音速脫水系統(tǒng)的進(jìn)口冷卻器的作用是降低進(jìn)入分離器的天然氣溫度,在相同的條件下可以達(dá)到更低的露點(diǎn),有利于提高脫水的深度。氣-氣換熱器的作用是使進(jìn)口天然氣與輸出的低溫干氣進(jìn)行換熱,可以進(jìn)一步降低進(jìn)口天然氣的溫度,并且提高輸出干氣的溫度。進(jìn)口分離器的作用是分離出天然氣中包含的細(xì)小固體顆粒和小液滴,減小超音速分離器的載荷和磨損。氣液分離器的作用是從分離后的液體中進(jìn)一步分離出氣體,并將氣體輸入干氣系統(tǒng),圖1為天然氣超音速脫水系統(tǒng)的簡圖。圖2為超音速分離器簡圖。超音速天然氣脫水技術(shù)為天然氣工業(yè)提供了費(fèi)用低、安全和環(huán)保的脫水方法,尤其適合非經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)量、臨時(shí)性生產(chǎn)系統(tǒng)和海上氣體處理等領(lǐng)域的應(yīng)用,是三甘醇脫水和透平膨脹機(jī)之后,又一革新性技術(shù),可使投資和操作費(fèi)用降低10%～25%。2.關(guān)鍵和關(guān)鍵技術(shù)分析(1)溫度差,氣體溫度高拉瓦爾噴管是一種具有精確幾何形狀的收縮-擴(kuò)張管道,可以將氣流的速度提高到超音速水平,并導(dǎo)致溫度急劇下降。通過噴管過程中,氣體絕熱膨脹,沒有熱量損失或加入,近似于90%的等熵過程。在噴管的喉道處,速度為350～400m/s。在喉道的后面是膨脹管,氣體繼續(xù)膨脹,壓力和溫度繼續(xù)降低。到達(dá)噴管出口時(shí),氣體的溫度與進(jìn)口相比可以降低50～80℃。溫度急劇下降的過程會(huì)產(chǎn)生尺寸非常小的液滴,在普通的設(shè)備中,液滴的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物的形成,但是在天然氣超音速分離器中不會(huì)出現(xiàn)。由于停留時(shí)間非常短,水合物不容易形成和發(fā)展?？赡苁歉咚贇饬髌茐牧怂衔锏男纬?或者兩者都起一定的作用?？諝夂退脑囼?yàn)表明,雖然氣流的溫度達(dá)到-100℃,但是沒有結(jié)冰。水蒸氣冷凝過程中,將形成大量的尺寸非常小的液滴,并且釋放出一定的熱量,此熱量可能導(dǎo)致流場(chǎng)中出現(xiàn)激波,使流動(dòng)變得非常復(fù)雜。(2)轉(zhuǎn)的氣流拋向管口分離系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定分離葉片是一個(gè)三角形突出物,類似于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼,其作用是對(duì)氣流造旋。液滴被旋轉(zhuǎn)的氣流拋向管道的壁面,形成很薄的液膜,僅幾毫米厚,通過氣液分離器(一個(gè)同軸的管子和管壁上的環(huán)形縫)將液體排出。液體被輸送到一個(gè)常規(guī)的液-液分離器。由于存在超音速兩相流動(dòng),分離系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)非常復(fù)雜。由于出現(xiàn)激波,流動(dòng)的損失也很大。(3)氣體流速低分離后的干氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器。氣體的速度又恢復(fù)到亞音速水平,自然出現(xiàn)弱激波,因此氣體流速降低,壓力恢復(fù)到初始?xì)怏w壓力的70%～80%。(4)單管處理工藝mm的管子內(nèi)部,分離器總長3.75m。內(nèi)部的尺寸可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用改變,但是典型的Twister的氣體處理能力為100×104～500×104m3/d。單管處理能力是一固定值,調(diào)節(jié)范圍約10%,可以用多個(gè)分離器達(dá)到需要的流量調(diào)節(jié)范圍。Twister是一個(gè)壓比裝置,在應(yīng)用范圍內(nèi)可以保持30%的壓降,進(jìn)口壓力可降低。為了使裝置的優(yōu)勢(shì)最大化,原則上應(yīng)在高壓下應(yīng)用,進(jìn)口壓力為7～15MPa。3.天然氣直接脫水技術(shù)(1)天然氣超音速脫水系統(tǒng)比較簡單,需要的設(shè)備少,易形成橇裝系統(tǒng)。由于天然氣高速通過脫水系統(tǒng),因此在相同處理能力下,其體積較小。(2)天然氣超音速脫水系統(tǒng)沒有大的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和化學(xué)處理系統(tǒng),其可靠性很高,日常維護(hù)很少,允許在最苛刻環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn),易實(shí)現(xiàn)無人職守。(3)天然氣超音速脫水技術(shù)利用天然氣本身的壓力工作,能夠在瞬間啟動(dòng)和停止工作,并且不需要大量的外部能源供應(yīng)。(4)工藝工程中不添加化學(xué)藥劑,如甲醇、乙二醇、三甘醇,避免了化學(xué)品對(duì)環(huán)境的危害。(5)天然氣超音速脫水系統(tǒng)投資少,操作方便,可靠性高,不需外加動(dòng)力,故其運(yùn)行費(fèi)用低。應(yīng)用前景國外基本采用單井集氣脫水工藝流程,脫水后的干氣進(jìn)入集氣管線。我國的氣田多使用多井集氣工藝,天然氣采氣管線的壓力一般在10MPa以上,經(jīng)過節(jié)流降壓至4～8MPa后進(jìn)入集氣管線。為防止輸送和節(jié)流過程中生成水合物,常采取加熱、注醇和低溫分離等措施。天然氣超音速脫水技術(shù)容易形成體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的脫水橇,并可以充分利用天然氣的壓力能,因此非常適合單井集氣工藝的井口、多井集氣工藝的集氣站的天然氣脫水,取代加熱、注醇、低溫分離和三甘醇脫水等系統(tǒng)。對(duì)于長距離管線和天然氣處理廠,這項(xiàng)技術(shù)可能的用途包括2個(gè)方面:①對(duì)于氣溫比較高的地區(qū)(如四川),經(jīng)過天然氣超音速脫水系統(tǒng)處理后,天然氣的水露點(diǎn)可滿足外輸?shù)囊?因此可以替代傳統(tǒng)的脫水系統(tǒng)。②對(duì)于氣溫比較低的地區(qū),替代的方式有2種:在氣溫較高的季節(jié)(春、夏、秋)