陳維志，馬庭紅，吳應(yīng)輝，付志遠，林 波

（西南油氣田公司蜀南氣礦工藝研究所，四川瀘州 646001）

0 引言

高速發(fā)展的膜分離技術(shù)，能高效、經(jīng)濟地從空氣中直接獲取氮氣，且不受地貌和地理環(huán)境的影響，可為油氣田氮氣氣舉、氣體置換、氣體鉆井、環(huán)空注氮等作業(yè)提供連續(xù)穩(wěn)定的氣源。基于氮氣特有的安全屬性和廉價經(jīng)濟的特點，西南油氣田分公司于2007 年從天津凱德實業(yè)有限公司購置了2 臺NPU1200 型車載式制氮車。

1 制氮車基本情況

1.1 主要組成

NPU1200 型車載式制氮車主要包括柴油發(fā)動機、螺桿式空氣壓縮機、空氣凈化系統(tǒng)、加熱器、模組和電氣儀表控制系統(tǒng)等部分，安裝固定在改裝的重型卡車上。

（1）柴油發(fā)動機。美國卡特彼勒3412E 柴油發(fā)動機，轉(zhuǎn)速2100 r/min，功率567 kW，為螺桿式空氣壓縮機提供所需的動力。

（2）螺桿式空氣壓縮機。美國Sullair1500/400 螺桿式空氣壓縮機，為模組提供一定壓力的氣源，主要技術(shù)參數(shù)：排氣量2400 m3/h，排氣壓力2.4 MPa，排氣溫度：82110。

（3）空氣凈化系統(tǒng)。由冷干機和5 級過濾器組成。ZR-1600/HP冷干機對壓縮后的高溫氣體進行冷卻，降低氣體溫度，并使氣體中的氣態(tài)水和油冷凝聚集；經(jīng)過冷凝后的氣體逐級進入過濾系統(tǒng)，將氣體進行過濾凈化，使進入模組的空氣清潔無雜質(zhì)顆粒等，各級過濾系統(tǒng)作用見表1。

表1 各級過濾系統(tǒng)作用

（5）模組。NPU1200 型車載式制氮車采用美國MD4240 模組，單臺機組由13 組模組并聯(lián)組成，氣體通過模組的滲透-擴散作用生產(chǎn)出純度95%99.5%的氮氣。

（6）電氣儀表控制系統(tǒng)。主要包括電氣控制系統(tǒng)、操作顯示盤、各類報警（溫度、壓力、流量、純度、差異、閥門開度）和模組的運行狀態(tài)監(jiān)控等。

1.2 應(yīng)用情況

車載式制氮車自2008 年1 月投用至改造前，2 臺車載式制氮車?yán)塾嬍褂?1 805 h，開展各類作業(yè)231 余井次、制氮量969104m3，為分公司增產(chǎn)天然氣7462104m3、排水72 062 m3，取得了明顯的挖潛增效成果。此外，車載式制氮車還可根據(jù)現(xiàn)場需要，生產(chǎn)出管線所需的置換或試壓氮氣，液氮車無法達到上述效果，也無法滿足氣井連續(xù)排液的要求。據(jù)初步測算，車載式制氮車作業(yè)費用約為液氮車費用的1/3，每年可為公司節(jié)省液氮費用90余萬元。

2 制氮原理及工藝流程

2.1 膜分離制氮原理（圖1）

膜分離技術(shù)的核心是利用空氣中不同組分在高分子材料上的擴散系數(shù)不同而進行氣體分離的物理過程。模組是一個圓筒狀的不銹鋼外殼和PVC 高分子材料制成的中空纖維膜束，每根膜束像列管一樣包含上百萬根中空纖維，以提供最大限度的分離面積，每根纖維直徑約幾十微米。壓縮空氣在中空纖維膜束孔內(nèi)通過，氣體分子在壓力作用下首先在模組高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴散、脫溶、逸出。由于每種氣體具有不同的滲透速率，滲透速率“快”的氧氣、二氧化碳、水蒸汽等由纖維壁高壓側(cè)向外側(cè)滲出，滲透速率“慢”的氮氣則由模組的另一端排出，從而實現(xiàn)空氣中氧氣、氮氣的分離。

圖1 膜分離制氮工作原理

2.2 制氮工藝流程（圖2）

螺桿式空氣壓縮機在發(fā)動機驅(qū)動下，將環(huán)境空氣經(jīng)壓縮升壓，經(jīng)油氣分離器、冷干機、聚結(jié)過濾器和活性炭等設(shè)施的分離、冷凝、過濾、凈化，除去空氣中的油、水和顆粒等物質(zhì)。氣體在加熱后進入膜分離器進行組分分離，空氣中的氧氣、二氧化碳以及少量水汽會快速的滲透過膜壁，并通過模組壓力側(cè)面的排氣孔排出；空氣中的氮氣滲透過膜壁的速度較慢，它沿著纖維孔流動并在壓力末端的氣管處流出，生產(chǎn)出高濃度氮氣，從而實現(xiàn)從空氣中分離出氮氣。

3 車載式制氮車改造前狀況

由于模組選型以及工藝流程設(shè)計不當(dāng)，在近幾年的使用過程中，模組先后損壞6 根，進入模組的最后兩組過濾器也存在液態(tài)水，這些因素極大地影響了模組的使用壽命。單臺機組制氮量從最初設(shè)計的1200 m3/h 遞減到改造前的580 m3/h（氮氣純度均是95%的情況下）；發(fā)動機冷卻水散熱器、空氣散熱器、機油散熱器采取重疊的安裝方式，散熱效果差，并且受環(huán)境溫度的影響很大，常出現(xiàn)超溫停機的情況，延誤正常的施工進度。

3.1 模組選型不當(dāng)

車載式制氮車使用的是MEDAL 膜，在使用過程中，進入模組最后的屏障——第四級和五級過濾器（圖3）均不同程度出水。由于MEDAL 膜采用親水的聚苯烯類聚合PMP，水會使內(nèi)部中空纖維膨脹堵塞、局部憋壓，表現(xiàn)為模組產(chǎn)氮量下降以及模組脫離膜芯桿（圖4）。

3.2 散熱器設(shè)計不合理

改造前空氣散熱器、機油散熱器和冷卻水散熱器采取重疊的安裝方式（圖5），發(fā)動機風(fēng)扇吹出的風(fēng)經(jīng)過機油散熱器熱交換后，熱風(fēng)再與空氣散熱器、冷卻水散熱器進行熱交換，導(dǎo)致散熱效果差，受環(huán)境溫度影響很大，常出現(xiàn)發(fā)動機水溫和機油溫度高超溫停機；由于采取重疊的安裝方式，散熱器（中間）清洗不到位；若徹底清洗各組散熱器，只能用吊車吊出中間散熱器，不便于日常維護保養(yǎng)。

3.3 流程設(shè)計不合理

水域加熱器位置不合理：加熱器位置（圖2）在活性炭罐及四、五級過濾器前，經(jīng)過加熱的氮氣在活性炭罐和過濾器處不斷與周圍環(huán)境進行熱交換，而測量氮氣進膜溫度的傳感器位置在加熱器和活性罐之間，因而造成儀表顯示溫度與進膜實際溫度存在10的差異；通過控制進入加熱器的發(fā)動機冷卻水水量對氮氣進行快加熱，加熱效果及靈敏度不易控制，且達到最佳的模組溫度時間較長，影響制氮效果。

圖2 改造前車載式制氮車制氮工藝流程

圖3 車載式制氮車聚結(jié)過濾器

圖4 模組脫離膜芯桿

活性碳罐：每次更換活性炭后，必須進行30 min 以上的吹掃。因為活性炭與炭罐內(nèi)壁之間、活性炭與活性炭之間存在間隙，在外部壓力作用下，它們之間互相碰撞產(chǎn)生活性炭粉末，活性炭粉末通過過濾后進入模組堵塞纖維壁，造成產(chǎn)氮能力下降及影響模組壽命。

4 系統(tǒng)改造

4.1 模組選型

圖5 改造前車載式制氮車散熱器布置

表2 常用模組參數(shù)對比

膜性能還與生產(chǎn)的氮氣純度、操作溫度和運行壓力直接相關(guān)。在一定純度下，產(chǎn)氣量、回收率隨工作壓力的增加而稍有增加；產(chǎn)氣量隨溫度升高而增加，回收率則隨溫度增高而降低。

因此，膜的運行必須在一定的溫度和壓力下才能達到最佳效果。目前各種膜推薦的工作溫度為45左右。影響膜性能的其他外部因素是油、水、雜質(zhì)等。

由表2 可知：普里森膜氮氣回收率不如其余兩組膜，但模組的耐溫性、尤其是抗油性明顯優(yōu)于其他兩種膜；均質(zhì)模采用親水的聚苯烯類聚合PMP，水會使內(nèi)部中空纖維膨脹堵塞，嚴(yán)重影響模組分離效率及壽命，普里森膜采用中空纖維復(fù)合膜，水對其壽命幾乎無影響。綜上所述，本次車載式制氮車膜分離的核心組件采用普里森膜，單臺機組采用PA4050 模組39 根。

4.2 冷卻系統(tǒng)改造

由于制氮車系統(tǒng)改造不能改變車輛的外觀尺寸，因此不能簡單依靠加大風(fēng)扇直徑和增加散熱器散熱面積來改善效果。整個制氮車氣路、水路和油路流程中，只有氣路流程需要散熱后再加熱達到所需進模溫度，因此對于氣路，其散熱效果和散熱器設(shè)計散熱余量可以不考慮，因為氣路需要經(jīng)過各個緩沖罐、四級過濾器、管線，不斷與周圍空氣進行熱交換散熱，因此，可以設(shè)計較小面積的散熱器。但對于機油散熱器和冷卻水散熱器需要較強的散熱效果，防止機油過高，出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，因此，在原有的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大散熱面積。對于三組散熱器的排列方式（圖6），利用發(fā)動機風(fēng)扇散熱的機油散熱器和冷卻水散熱器采用并排方式排列，空氣散熱器采用獨立電機（5.5 kW）驅(qū)動風(fēng)扇散熱，以達到更好的散熱效果。

4.3 流程優(yōu)化（圖6）

4.3.1 活性炭罐

活性炭與炭罐內(nèi)壁之間、活性炭與活性炭之間存在間隙，在外部壓力作用下，它們之間互相碰撞產(chǎn)生活性炭粉末，活性炭粉末通過過濾后進入模組堵塞纖維壁，因此空氣處理系統(tǒng)流程中不再布保留活性炭罐。

4.3.2 冷干機

普里森模組不需要冷干機對氣體進行冷凝除水處理，因此流程中拆除冷干機，驅(qū)動冷干機的功率用來帶動新增加電機（5.5 kW）驅(qū)動的風(fēng)扇。

4.3.3 加熱器

車載式制氮車自帶發(fā)電機（改造前主要對控制室空調(diào)和冷干機供電）30 kW 富裕功率較多，在水域加熱器處增加一組5.5 kW 的電加熱器。水域加熱器和電加熱器采用串聯(lián)方式，兩組加熱器布置在聚結(jié)過濾器與模組之間，溫度傳感器處于加熱器和模組之間，能快速精準(zhǔn)地控制進膜的最佳溫度。

4.3.4 旁通管路

針對部分管線或設(shè)備利用空氣試壓，在加熱器與模組之間，設(shè)置一旁通管路，滿足空氣試壓需要，減少作業(yè)時間和能耗50%。

圖6 車載式制氮車改造后工藝流程

4.4 設(shè)備大修

對本次車載式制氮車保留的大洋發(fā)電機、壽力空壓機等主要設(shè)施進行大修，為制氮系統(tǒng)提供可靠的電源和氣源保障，確保整個改造項目取得成功。特別是對壽力空壓機拆解過程中發(fā)現(xiàn)：編號為07008 機組轉(zhuǎn)子軸承存在一定程度的磨損，導(dǎo)致軸承失去定位精度使轉(zhuǎn)子與腔體發(fā)生摩擦，而螺桿式空氣壓縮機靠的是陰、陽轉(zhuǎn)子與腔體密封達到排氣目的，密封不好造成壓縮機排氣量不足；若模組前端無法提供足量的氣源，無法達到改造后氮氣1100 m3/h（純度95%）的指標(biāo)。

4.5 PLC 及其他設(shè)施改造

重新選用PLC 控制系統(tǒng)，并對制氮車控制系統(tǒng)進行重新組態(tài)，滿足改造對各個系統(tǒng)、保護點的監(jiān)控要求。

更換純度和三通閥（手動和電動兩種模式），管路中閥門、壓力表、溫度表以及各壓力和溫度傳感器。

5 改造效果

2018 年5 月25 日在廠家完成改造后，5 月28 日至31 日在蜀南氣礦岳101-73 井、岳101-X61 井配合車載式壓縮機組進行了改造后的現(xiàn)場試車。作業(yè)效果見表3。

表3 改造后制氮車現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

從表3 可知：2 臺制氮車改造后的氮氣流量均滿足設(shè)計1100 m3/h（純度95%）的要求，并且顯示的氮氣純度與通過化驗分析測定的氧含量之間誤差很小，完全滿足設(shè)計要求，取得很好的改造效果。

6 改造經(jīng)濟效益評價

6.1 改造后的應(yīng)用情況

2 臺車載式制氮車自試車成功以來，截至2019 年12 月31日，累計運行3747.5 h，共完成161 井次的各類氮氣作業(yè)，累計制氮量162.54104m3，增產(chǎn)天然氣2662104m3、凝析油787.5 t，排水21 327.5 m3。

6.2 改造后經(jīng)濟效益評價

根據(jù)公司有關(guān)作業(yè)費用的計價標(biāo)準(zhǔn)，車載式制氮車收費標(biāo)準(zhǔn)為1.494 4 萬元/d，按每口井平均作業(yè)1 d、井口氣價1.2 元/m3、凝析油2000 元/t 計算，2 臺制氮車改造后投入使用時間不到兩年，產(chǎn)生的總收益遠遠大于制氮車改造投資的388 余萬元，在蜀南氣礦顯示了明顯的增產(chǎn)創(chuàng)效效果。

7 結(jié)語

2 臺車載式制氮車改造投入使用的現(xiàn)場實踐證明，雖然曾出現(xiàn)過排污電磁閥以及三通閥線圈損壞的情況，但改造后制氮車總體制氮性能可靠，啟停機方便快速，能快速生產(chǎn)出高濃度氮氣；操作員工可獨自在控制面板完成加載、卸載以及各系統(tǒng)排污間隔時間設(shè)定、放空等操作，操作簡單且出現(xiàn)故障時自動報警停機，對操作人員素質(zhì)要求不高；將膜制氮系統(tǒng)固定安裝重型卡車上，特別適應(yīng)四川油氣田地域廣、野外道路復(fù)雜多變的環(huán)境特點，可為油氣田投產(chǎn)前的設(shè)備吹掃、置換以及氣井氣舉提供安全可靠的氣源保障。