楊進榮 張躍 吳斌強 宋煜 朱海明
(中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司)
隨著我國能源結構的變化和環(huán)保力度的不斷加大,對清潔能源的需求量越來越大,天然氣資源開發(fā)和利用得到迅速發(fā)展。在天然氣勘探開發(fā)中,探井評價井相對較分散距離較遠,并且受地形限制,輸氣管道短期內無法鋪設到位,在探井評價井試氣和產能評估過程中天然氣點火放空,造成天然氣能源資源浪費,小型撬裝式裝置可以發(fā)揮其便于運輸、安裝施工簡單、靈活機動等特點,在開發(fā)頁巖氣探井、邊遠零散井、石油伴生氣及煤層氣等氣源回收中得到廣泛應用,油氣田放空氣回收利用技術[1-4]需要根據現場實際進行不斷改進和完善。王航等分析了壓縮天然氣(CNG)撬裝減壓站在偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)供氣的典型應用[5],CNG撬裝減壓站不僅可以較好地解決中小城鎮(zhèn)和中小城市的主要氣源問題,而且兼顧工業(yè)用戶的安全供氣需求。CNG回收和減壓工藝相對成熟,撬裝設備造價低、建設快、經濟效益明顯[6-10]。
撬裝式CNG卸氣裝置是為配合該區(qū)塊頁巖氣放空氣回收,配天然氣CNG裝置和槽車使用,主要解決了當地CNG下游用戶少、銷售困難的問題,有效的提升了放空氣回收量,減少了資源浪費。CNG裝置將井口頁巖氣放空氣凈化、壓縮后進入槽車存儲,運輸至就近的天然氣外輸集氣站或液化天然氣(LNG)站后,接入撬裝式CNG卸氣裝置,經過多級換熱、調壓后進入輸氣管網外輸,或者進入LNG工廠生產流程。
1)該裝置氣源由CNG槽車供氣,兩臺CNG槽車交替供氣,供氣壓力1~20MPa,最大供氣量2000m3/h,通過軟管與裝置連接。用戶側需求供氣壓力4.5MPa,瞬時流量200~2000m3/h(標況),供氣溫度常溫20℃左右,氣源質量滿足國標一類天然氣質量技術指標要求,如表1所示。
表1 天然氣質量技術指標
2)該裝置設計實現的基本功能為天然氣減壓功能、天然氣加熱功能、天然氣緊急切斷、天然氣泄露報警、超壓放散、超壓切斷、天然氣計量。
3)該撬裝式CNG卸氣裝置設計由過濾器、減壓閥、電加熱復熱器、緊急截斷閥及超壓放空保護設備等構成。自CNG槽車輸送來的高壓天然氣經過高壓球閥控制,首先進入過濾器過濾,之后經過ESD緊急切斷閥進入電加熱復熱器加熱至40~60℃,通過自力式調壓閥減壓到工作壓力4.5MPa左右,經過計量流量計后進入LNG生產流程。CNG減壓撬工藝流程圖如圖1所示。
圖1 CNG減壓撬工藝流程
1)天然氣減壓閥是該撬裝裝置核心設備,原則上采用兩路配置,一用一備。根據用戶壓力需求,選擇采用一級或兩級調壓方式。該裝置采用自力式調壓閥,一級減壓方式。該閥由氣動薄膜閥、指揮器、壓力調節(jié)器等部分組成,進口壓力可達28MPa,出口壓力0.86~10MPa范圍內可調。自力式減壓閥結構如圖2所示。
圖2 自力式減壓閥結構
2)該系列調壓閥為整體機械式結構,盡量避免中間環(huán)節(jié),以防由于電控部分的不穩(wěn)定造成調節(jié)閥工作失靈。調節(jié)閥的工作是由指揮器的壓力控制,隨著上游壓力的不斷降低,調節(jié)閥后的壓力也隨之變化,當調節(jié)閥后的壓力降低時,指揮器工作使調節(jié)閥的開啟度響應的開大,以保證有足夠量的天然氣通過,反之,則調節(jié)閥開啟度自動減小,確保調壓后的天然氣壓力在設定范圍之內。
井口采集的天然氣中含水量較大,一般情況下CNG脫水深度不夠或未經過脫水處理,會攜帶一定量水份。高壓壓縮天然氣經過減壓閥節(jié)流降壓后,天然氣溫度會下降到零度以下,天然氣中的水在一定壓力、溫度條件下,會形成天然氣水合物,從而阻塞輸氣管道、閥門和加工處理設備等,因此必須給天然氣加熱升溫以防止凍堵。
該方案中采用電加熱復熱器,結構包括箱體、氣路組件、發(fā)熱元件、控制組件,以水或防凍液為熱傳媒,配套先進水溫自動控制系統(tǒng),對高壓天然氣進行加熱。
1)技術參數。工作壓力:0.8~40MPa;汽化量:5~2000m3/h;工作溫度:55~75℃。
2)技術特點??蛇B續(xù)長時間工作,汽化量穩(wěn)定;出口溫度為常溫或按照用戶要求設定;采用優(yōu)質低溫專用不銹鋼換熱管,優(yōu)化設計,結構緊湊,使用壽命長;能量損耗低,熱交換效率高,節(jié)能環(huán)保。
為防止高壓天然氣進入后續(xù)生產流程,造成安全事故。該方案設計超壓保護單元,主要由超壓緊急切斷和安全放散安全閥構成。
超壓緊急切斷部分由壓力變送器、壓力控制器和ESD緊急切斷閥組成。根據用戶要求對壓力控制器壓力進行設置,當出口壓力大于設定壓力時,ESD緊急切斷閥切斷高壓氣源。當現場出現其他異常情況時,也可以通過控制柜上手動急停按鈕,控制ESD切斷閥切斷高壓氣源。當出口壓力高于安全閥設定壓力時,安全閥開啟放散泄壓。
1)緊急切斷閥。為保護下游設備和管道,在壓縮天然氣進口設置ESD緊急切斷閥。緊急切斷閥選用國內名牌產品,控制氣源采用壓縮空氣或氮氣。緊急切斷閥可聯(lián)鎖調壓后壓力超限、天然氣出口超壓、循環(huán)水出水超溫、燃氣泄露報警等信號。
2)放散安全閥。安全閥采用全啟式,安全閥由主閥和外部的導閥組成,當主閥開啟時,不允許有氣體流經導閥。安全閥有設定值調節(jié)裝置,使安全閥的設定值可以調節(jié)。當安全閥達到設定值時應能迅速起跳泄放壓力,安全閥起跳壓力和設定值之間的誤差不超過3%,當管線壓力回落至最大操作壓力,安全閥自動關閉。
該案例撬裝式CNG卸氣裝置自2021年4月投產至今,設備基本保持正常運行,未發(fā)生故障,并能達到設計氣量滿負荷運行。裝置持續(xù)為一座LNG工廠供氣,平均每天可卸氣CNG7~8車,供氣壓力可以穩(wěn)定在4.0~5.0MPa,供氣溫度5~20℃,回收氣量3.5~4.0m3/d,每天直接經濟效益4~5萬元/套。
現場應用注意事項如下:
1)每次使用前,應檢查控制保護單元各儀表和指示燈顯示正常,復熱器溫度、儀表空氣壓力等參數正常,工藝流程及閥門位置正常。
2)檢查正常后,打開卸氣閥門,CNG減壓撬設備投入使用。
3)卸氣過程中,需定時巡檢設備運行情況,觀察記錄壓力、溫度、流量等儀表參數,以及設備噪聲、動靜結合點密封情況等,判斷設備時候運行正常。
4)當出現異常工況時,當出現系統(tǒng)超壓、燃氣泄露的等情況時,會自動觸發(fā)報警或聯(lián)鎖,緊急切斷閥動作切斷進氣。
5)正常停機時,關閉卸氣閥、進氣閥,以及工藝要求相關輔助設備。
6)定期開閉閥門,加注潤滑油脂,檢查閥門開合靈活性。
7)定期對儀表、可燃氣體監(jiān)測器和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)進行檢定和試驗,確保數據準確,保護動作可靠。
該CNG卸氣裝置采用撬裝化設計,具備撬裝式裝置集成度高、投資少、建設周期短的優(yōu)勢,可有效解決當地偏遠井較多,放空氣回收CNG產能過剩的問題,減少天然氣勘探開發(fā)試采過程中的天然氣資源放空浪費,也可安裝于集氣站流程,將放空氣回收后經過減壓后進入集氣站并入輸氣管網。在減少碳排放、促進實現“雙碳”目標的同時,該套CNG卸氣裝置創(chuàng)造了較大的經濟效益和較好的社會效益,下步將繼續(xù)加大在偏遠井零散氣回收及天然氣外輸方式轉化中推廣應用。