辛 順,吉慶林,高銘志,慧 寧
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)
在世界能源日趨緊張的現(xiàn)狀下,節(jié)能減排成為海上油田生產(chǎn)的重要指標,油田伴生氣的有效利用成為油田開發(fā)的重要趨勢。目前對于油田伴生氣的主要利用途徑是作為為平臺提供熱源的燃料,但對熱源需求量不大,且伴生氣回收成本又較高的平臺來說,通常做法是將伴生氣通過火炬排放,這顯然是對能源的一種浪費。如果將伴生氣用作主機燃料[1],作為油田生產(chǎn)的補充電源,將既實現(xiàn)節(jié)能又達到環(huán)保的雙重目標。
目前海上油田的主電站主要是原油往復機組,以伴生氣作為燃料的燃氣往復機組應用還較少,主要原因是往復機組對燃料氣的要求較高。表1為油田伴生氣的典型組分。
表1 油田伴生氣的典型組分 單位:%
從表1可知,伴生氣的重烴(C4及以上成分)含較大比例,重烴的存在不僅容易使氣缸內(nèi)積碳,還容易在燃燒時發(fā)生爆震,給往復式發(fā)動機的連續(xù)安全運行帶來風險。
目前伴生氣去重烴化的成熟技術主要有兩種:
1) 物理法,將伴生氣中重烴液態(tài)化并去除;
2) 催化裂解法,將重烴轉化成輕烴。
物理分離法的原理是利用各組分的沸點不同,將氣體液化并分離。液化氣體的主要途徑有加壓法、降溫法、加壓降溫聯(lián)合法。
1)加壓法容易造成可燃氣的泄露,而且加壓時會產(chǎn)生高溫,對整套設備的安全帶來不利影響,增加了設計、制造以及操作上難度,也會導致成本的上升。
2)降溫分離法,由于純降溫法需要更低溫度的冷媒,而冷媒的制取耗能較大,在綜合經(jīng)濟效益比較下,則加壓降溫聯(lián)合法更可取。圖1為目前已經(jīng)成熟的加壓降溫聯(lián)合法——深冷法[2,3]流程。
圖1 深冷法流程
3)深冷法的關鍵設備是初冷及深冷換熱器,初冷換熱器的換熱介質(zhì)是干燥處理后的常溫伴生氣和經(jīng)過二級分離后的低溫燃料氣,深冷換熱器的換熱介質(zhì)是冷媒和經(jīng)過初級分離后的伴生氣。換熱器的關鍵技術是提高換熱效率以及耐低溫性能,目前常用的是翅片管式套管換熱器,這種換熱器傳熱效率高、流程阻力小、耐低溫性能強,且維修方便。
物理法的特點:
1)干燥功能強,經(jīng)過深冷之后,伴生氣的壓力露點可以達到-29℃;
2)除渣能力強,由于整個流程中共有三級過濾分離,能去除 99%以上雜質(zhì),顆粒粒徑可達到 0.1μm以下;
3)能去除伴生氣中硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、硅氧烷、鹵素等有害組分;
4)通過流程的優(yōu)化,可使深冷裝置出口的燃料氣達到往復機組所需要的燃氣壓力和溫度。
但物理法的缺點也是很明顯的,即:脫除的重烴無法有效利用,造成能源的浪費,同時需要一套輔助的制冷裝置提供穩(wěn)定的冷媒。
以陸地石化工業(yè)常用的催化裂解工藝[4,5]為基礎深化開發(fā)。其原理是:在一定的溫度壓力下,利用飽和水蒸氣及催化劑裂解伴生氣中的重烴,生成可以直接用于往復機組的輕烴組分(見圖2)。目前國際上已有成熟的催化裂解裝置應用于海上油田,圖3為伴生氣的催化裂解流程。
圖2 催化裂解原理
該流程的核心技術是:根據(jù)伴生氣中各組分的含量設計出合適的工藝參數(shù)、催化裂解反應器的設計與催化劑的選擇。目前陸地油田的重油催化裂解技術已經(jīng)非常成熟,且利用天然氣通過催化裂解反應生產(chǎn)銨、氫等其他工業(yè)原料的技術在20世紀90年代就已成熟,因此從工藝角度來說,整套設備的流程設計是可行的。但由于流程上的限制,從裂解裝置出來的燃氣壓力不能滿足往復機組的要求,還需要一套調(diào)壓裝置,使燃氣壓力與溫度都能達到往復機組要求。由于伴生氣中含有硫組分,為防止催化劑中毒,在流程中增加除硫反應器。
圖3 伴生氣催化裂解流程
該流程的核心技術是:根據(jù)伴生氣中各組分的含量設計出合適的工藝參數(shù)、催化裂解反應器的設計與催化劑的選擇。目前陸地油田的重油催化裂解技術已經(jīng)非常成熟,且利用天然氣通過催化裂解反應生產(chǎn)銨、氫等其他工業(yè)原料的技術在20世紀90年代就已成熟,因此從工藝角度來說,整套設備的流程設計是可行的。但由于流程上的限制,從裂解裝置出來的燃氣壓力不能滿足往復機組的要求,還需要一套調(diào)壓裝置,使燃氣壓力與溫度都能達到往復機組要求。由于伴生氣中含有硫組分,為防止催化劑中毒,在流程中增加除硫反應器。
整套裝置沒有動力設備,能耗主要集中在伴生氣的預處理、飽和水蒸氣的生成以及淡水冷卻器的淡水消耗。
在預處理單元中,需要用燃氣壓縮機將伴生氣壓縮到約 0.58~0.88MPa壓力,同時去除伴生氣中的雜質(zhì)(包括:凝析油、凝結水、固體顆粒等)。
產(chǎn)生飽和水蒸氣的熱源可以利用主機的高溫煙氣,往復機組的排煙溫度通常為350~450℃,完全可以用來生產(chǎn)催化裂解裝置所需要的飽和水蒸氣,只需要添加一套煙氣鍋爐??紤]到主機故障時煙氣的中斷,需要在兩個或兩個以上主機煙氣出口各加一套煙氣鍋爐,作為備用(見圖4)。產(chǎn)生飽和水蒸氣的另一種選擇是用燃氣鍋爐,相對而言相同處理量的燃氣鍋爐的投資要大于煙氣鍋爐,煙氣鍋爐必須要有至少一臺主機的啟用,且從整個平臺主機方案的設計、煙氣鍋爐造成的主機排氣背壓和煙管布置問題等多方面綜合考慮,因此燃氣鍋爐也是一種可行選擇。
圖4 煙氣鍋爐流程
由于油田伴生氣產(chǎn)量不穩(wěn)定,只能作為平臺補充電源,當油田沒有伴生氣時,完全依靠原有主機為平臺供電;當伴生氣產(chǎn)量足夠時,用伴生氣發(fā)電,減少主電站負荷,降低油耗。圖5、6為有燃氣往復機組作為備用電站的兩種方案。
圖5 采用深冷裝置的電站方案
圖6 采用裂解裝置的電站方案
綜上所述,物理法流程簡單,經(jīng)過物理法處理后的燃氣可以直接進主機作為燃料。配套設備少,只需一套冷媒產(chǎn)生器,操作維護方便,投資費用少,但由于去除了C4以上的重烴,會造成能源的浪費。
催化裂解裝置流程復雜,所需配套附屬設備多,主要包括:燃氣壓縮機、海水冷卻器、鍋爐、調(diào)壓閥組等。裝置操作維修復雜,初始投資費用多,但從長遠經(jīng)濟效益和環(huán)保角度上看,該方法可以將油田伴生氣充分利用,減少了主電站的負荷及燃油耗量,節(jié)約了平臺運行費用。
因此這兩種方法各有優(yōu)勢,在方案設計時,要綜合考慮初始投資費用、運行費用、伴生氣產(chǎn)量等各方面,合理選擇。
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