無人值守脫水橇在塔河油田的應(yīng)用

顏昌平 楊舒

1.上海明羅石油天然氣工程有限公司 2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

塔河地區(qū)的偏遠(yuǎn)井和零散井較多，采出的天然氣在管輸過程中容易發(fā)生凍堵，對后續(xù)壓縮機等設(shè)備造成危害，大部分零散井冬季處于關(guān)閉狀態(tài)，為了增產(chǎn)保供，決定試點建設(shè)無人值守的小型脫水站，以點帶面盤活整個區(qū)域的零散井和偏遠(yuǎn)井，保障冬季天然氣供應(yīng)。此次試點在塔河油田托甫臺工作區(qū)展開，建設(shè)TP-2零散井回收脫水工程；由于當(dāng)?shù)貥O限環(huán)境溫度低，對天然氣脫水深度要求高，因此，考慮采用分子篩脫水工藝。以往主要在聯(lián)合站應(yīng)用分子篩脫水裝置，現(xiàn)場值班人員較多，因輸氣量大，運行成本得以攤低，安全也有保障。此次的小氣量零散井回收工程從成本、脫水效果和運行安全等方面考慮，決定將分子篩脫水設(shè)備橇裝化，以方便安裝和后續(xù)搬遷；建成后經(jīng)過試運行和各項檢測，運行平穩(wěn)可靠，遭遇突發(fā)狀況時也有相應(yīng)的安全保障措施。橇裝化設(shè)計控制了建設(shè)成本，可無人值守設(shè)計降低了后期運行成本，可在塔河地區(qū)推廣應(yīng)用，對增產(chǎn)保供和提高效益具有重要的意義，可為類似的偏遠(yuǎn)井開發(fā)、零散井回收和小型處理站的建設(shè)提供參考。

1 TP-2零散井脫水概述

TP-2零散井回收工程位于中石化西北油田分公司的塔河油田托甫臺工作區(qū)，夏季最高氣溫40.5 ℃，冬季最低氣溫-26 ℃。采出天然氣中含飽和水及微量游離水，游離水中含CaCl2。天然氣產(chǎn)量(20 ℃，101.325 kPa下，下同)為12×104～17×104m3/d，操作壓力(G)隨處理量在1.2～2.7 MPa波動。該區(qū)天然氣組分見表1。

表1 原料天然氣組成組分y/%組分y/%C189.27n-C50.04C24.69C6+0.00C31.37N23.93i-C40.16CO20.23n-C40.25H2O飽和i-C50.04H2S0.8 mg/m3

TP-2零散井脫水工程具有以下特點：

(1) 環(huán)境溫度低，在脫水深度和防凍等方面需要充分考慮。

(2) 天然氣中含有氯離子，脫出的水中必然帶有氯離子，相應(yīng)材料的選用應(yīng)滿足防腐要求。

(3) 該零散井地勢偏遠(yuǎn)，處理量較小，自動化程度要求按無人值守的條件設(shè)計制造；另外，該地區(qū)有突發(fā)停電風(fēng)險，應(yīng)考慮相應(yīng)的預(yù)防措施。

(4) 根據(jù)該零散井的回收過程，3～5年后產(chǎn)量可能下降至不足以抵消運行成本，脫水裝置可調(diào)運到附近的井場復(fù)用，因此，該裝置應(yīng)高度集成和緊湊，以降低運輸和拆裝成本。

針對上述情況，TP-2零散井脫水工程提出設(shè)計處理量為20×104m3/d，設(shè)計壓力(G)為3.2 MPa，出脫水裝置天然氣水露點小于-40 ℃，采用橇裝式分子篩脫水裝置[1-3]。

2 脫水裝置整體方案

2.1 分子篩脫水橇

考慮成橇緊湊性和成本控制，采用不帶壓縮機的兩塔流程[4]，濕氣等壓再生，干氣等壓冷卻；其中一塔吸附，另外一塔先再生后冷吹[5-7]。吸附：天然氣自上而下通過脫水塔，所帶水分被塔內(nèi)的分子篩填料吸附，再經(jīng)粉塵過濾器過濾后外輸。再生：隨著吸附過程的進行，塔內(nèi)分子篩填料傳質(zhì)區(qū)下移，在吸附周期結(jié)束后，將吸附流程的塔切換到再生流程。橇入口處的濕氣通過FV-101流量控制分出28%的設(shè)計氣量作為再生氣，經(jīng)過冷/熱氣換熱器和電加熱器兩次升溫達(dá)到260 ℃，再自下而上對脫水塔吸附層進行再生。熱再生氣由塔頂排出，進入氣/氣換熱器和再生空冷器，兩次降溫至46 ℃以下，進入再生分離器分出水相，氣相則返回至吸附系統(tǒng)入口。冷吹：通過FV-102流量控制分出33%的設(shè)計氣量作為冷吹氣，自下而上對脫水塔吸附層進行冷吹，熱氣從塔頂排出，進入冷吹空冷器降溫至46 ℃以下，返回干氣外輸主管。其工藝流程如圖1所示。

兩塔的吸附、再生和冷吹流程切換由運行周期時間而定，而運行周期的延長，一方面有利于分子篩填料的使用壽命，降低更換填料成本，減少閥門切換次數(shù)，降低切換故障風(fēng)險；另一方面卻會使分子篩填料單次用量增多，脫水塔的體積增大，熱容量增加，整體制造成本上升。

在設(shè)計年限內(nèi)，本項目的年均制造成本、年均填料成本及年均總成本與運行周期之間的關(guān)系見圖2。從圖2可以看出，年均總成本在運行周期為23.5 h附近最低，選擇24 h作為運行周期對分子篩脫水橇進行設(shè)計，分子篩脫水橇的運行狀態(tài)和閥門切換時間見表2。

表2 運行時序表運行周期/h設(shè)備狀態(tài)脫水塔A塔B塔電加熱器再生空冷器冷吹空冷器程控開關(guān)閥KV調(diào)節(jié)閥01A04A02A06A03A05A01B04B02B06B03B05BFV-101FV-1020～7吸附加熱開運行關(guān)開關(guān)關(guān)關(guān)開關(guān)運行全開7～12吸附冷吹關(guān)關(guān)運行開關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)開全開運行12～19加熱吸附開運行關(guān)關(guān)開關(guān)開關(guān)關(guān)運行全開19～24冷吹吸附關(guān)關(guān)運行關(guān)關(guān)開開關(guān)關(guān)全開運行

2.2 特殊性問題

2.2.1含氯離子的兩相流

原料氣中帶有微量游離水，游離水中氯離子質(zhì)量濃度約4 172 mg/m3，經(jīng)過脫水塔的吸附，部分氯離子滯留在分子篩填料層，同時由于產(chǎn)出水的稀釋作用，使得脫出的水中氯離子質(zhì)量濃度并沒有普通采出水那么高，測得值為247 mg/m3。此處涉及兩個關(guān)鍵問題：①接液材質(zhì)；②兩相流的布管[8]。氯離子環(huán)境下材料選擇需要考慮的因素較多，如：溫度、壓力、介質(zhì)危害性、酸堿性等[9]，也存在一定的爭議，常見材料的對比如表3所列。

表3 材料對比表材料常用氯離子質(zhì)量濃度/(mg·L-1)常用溫度/℃優(yōu)點缺點本項目使用經(jīng)驗Q345R(碳鋼)≤700≤70強度大,價格低,加工焊接容易,常規(guī)材料易采購易腐蝕,介質(zhì)含離子、呈酸堿性和高溫等工況腐蝕加劇,通常需要考慮腐蝕裕量和油漆用于該項目地區(qū)天然氣的過濾器、收發(fā)球筒等,成本低,效果好S31603(不銹鋼)≤400≤90抗常規(guī)腐蝕能力較強,加工焊接容易,常規(guī)材料易采購抗氯離子腐蝕能力有限,在氯離子環(huán)境易發(fā)生點蝕,高溫和較高壓力場合一般不適用用于該項目地區(qū)的生產(chǎn)水排污罐和換熱器等,換熱管與管板的焊縫接頭易泄漏S31803(雙相鋼)≤1 000≤130抗常規(guī)腐蝕和氯離子能力均較強,適用于惡劣工況材料和加工成本較高,采購量小時采購周期長用于該項目地區(qū)的換熱器,經(jīng)久耐用

再生空冷器入口的天然氣溫度在42～121 ℃呈周期性變化，在空冷器換熱管中冷卻產(chǎn)生兩相流。為了提高傳熱效率，換熱管壁通常較薄，約1.6 mm，因此，換熱管與管板的焊縫焊腳高度有限，空冷器的振動、溫度的頻繁變化和氯離子的影響，使得空冷器換熱管與管板的焊縫接頭處存在較高的腐蝕泄漏風(fēng)險；換熱管外部裸露在空氣中，與空氣雨水等接觸，綜合工況惡劣，而空冷器又是確保運行和安全的核心設(shè)備，因此，空冷器換熱管考慮選用可靠性高的S31803雙相鋼。

再生分離器介質(zhì)溫度低于46 ℃，屬于常規(guī)靜態(tài)設(shè)備，選用Q345R碳鋼材料，設(shè)置3 mm的腐蝕裕量，同時，外部涂刷油漆進行防腐。

從空冷器到再生分離器這段管道內(nèi)為氣、液兩相流，空冷器與再生分離器的位置布置上必須滿足空冷器的出口高于再生分離器的入口，且二者之間的管道應(yīng)該逐步降低，不能布置成兩頭高中間低的“口袋”管。

2.2.2介質(zhì)高溫和環(huán)境低溫的矛盾

托甫臺工作區(qū)最低氣溫-26 ℃，必須做好產(chǎn)出水和儀表部分的防凍措施，需要注意的是脫水裝置再生部分介質(zhì)溫度高達(dá)260 ℃，儀表部分如壓力變送器和控制閥的執(zhí)行器等不能采用沿管道布置電伴熱帶的辦法防凍，應(yīng)選用耐低溫型儀表頭抗極端低溫環(huán)境，閥體部分必須選用耐高溫的硬密封閥門。再生分離器產(chǎn)出的水則可以通過電伴熱帶防凍，伴熱帶的設(shè)置也比較特殊：①需要預(yù)防突發(fā)停電時空冷器停轉(zhuǎn)，熱氣竄入再生分離器，最高溫度121 ℃左右；②冷吹階段沒有產(chǎn)生脫出的水，排水管內(nèi)的水不流動，局部凍結(jié)危險性高。因此，應(yīng)選用高溫伴熱帶，提高允許暴露溫度和防凍效果，電伴熱布置如圖3所示。

2.2.3電加熱器控制系統(tǒng)

分子篩脫水橇的控制系統(tǒng)采用PLC防爆控制柜的形式集成到橇內(nèi)，對整個脫水橇的運行進行控制、監(jiān)測和報警；電加熱器發(fā)熱功率需求隨電加熱器進口介質(zhì)溫度的升高而降低，功率調(diào)節(jié)需要一套電加熱器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合控制和配電，接收PLC的指令信號，通過改變電加熱器的配電量調(diào)節(jié)發(fā)熱功率。

電加熱器控制系統(tǒng)存在大電流，并且目前主要用可控硅元件調(diào)節(jié)功率，該元件調(diào)節(jié)效果好，但發(fā)熱量較大，需要考慮控制系統(tǒng)的散熱?？紤]以下3種方案進行比選，見表4。

表4 電加熱器控制方案比選方案柜體防爆柜體材質(zhì)成本/萬元優(yōu)點缺點評價結(jié)果方案一不需要碳鋼鍍塑4.3(1)室內(nèi)溫度低,柜體非防爆,散熱容易。(2)可控硅元件調(diào)節(jié)功率準(zhǔn)確穩(wěn)定控制柜與橇塊分開,不利于安裝和搬遷成本低,效果好,搬遷周期預(yù)估5年,綜合考慮可以選用方案二隔爆316不銹鋼7.2(1)集成到脫水橇內(nèi),安裝和搬遷方便。(2)無可控硅元件,發(fā)熱量小(1)室外隔爆柜散熱差。(2)繼電器調(diào)節(jié)功率不穩(wěn)定成本相對較高,且無法保證加熱器的功率調(diào)節(jié)精度,不予選用方案三正壓通風(fēng)316不銹鋼6.3(1)正壓通風(fēng)散熱效果好。(2)可控硅元件調(diào)節(jié)功率準(zhǔn)確穩(wěn)定需要接儀表風(fēng)系統(tǒng)偏遠(yuǎn)零散井無儀表風(fēng)系統(tǒng),無法采用

方案一：控制柜放在室內(nèi)非防爆區(qū)，用可控硅調(diào)節(jié)功率。

方案二：控制柜放在橇塊內(nèi)，用繼電器調(diào)節(jié)功率，并設(shè)置遮陽板。

方案三：控制柜放在橇塊內(nèi)，用可控硅調(diào)節(jié)功率，柜體用正壓通風(fēng)柜。

3 試運行

3.1 運行調(diào)試

在試運行準(zhǔn)備階段，先用氮氣置換，同時將流量計拆卸下來吹掃前端管線，再逐漸升高系統(tǒng)壓力至設(shè)計壓力，用發(fā)泡劑重點檢查法蘭、螺紋接口和閥門填料函等部分[10]，確保無泄漏。

再生氣量為設(shè)計值的30%左右(6×104m3/d)，氮氣的定壓比熱容不到天然氣的一半，如果考慮先用氮氣將脫水塔再生后投入天然氣的話，氮氣需求量在12×104m3/d以上，供應(yīng)難度過大。因此，用約8×104m3/d的小流量天然氣進行整體聯(lián)合調(diào)試和再生，調(diào)試階段的不合格天然氣導(dǎo)入火炬放空系統(tǒng)[11-13]。

3.2 模擬實驗

調(diào)試合格后，對各控制、報警點進行了模擬試驗，試驗結(jié)果合格；并對出口天然氣露點進行檢測，在吸附周期快結(jié)束時的水露點為-43 ℃。

該地區(qū)有突發(fā)停電的風(fēng)險，因此，對遭遇突發(fā)停電工況進行了模擬試驗，在不同運行時間遭遇停電的危險程度不同，最危險的狀態(tài)是一臺脫水塔溫度達(dá)到最高值260 ℃時遭遇停電，在最危險的狀態(tài)下，模擬試驗結(jié)果見表5。

表5 遭遇突發(fā)停電模擬結(jié)果停電前狀態(tài)外加干預(yù)橇內(nèi)危險性1 h后外輸天然氣溫度/℃2 h后外輸天然氣溫度/℃外輸天然氣最高溫度/℃24 h后外輸天然氣水露點/℃一塔處于再生階段末期高溫狀態(tài)無無3151114-295分鐘內(nèi)關(guān)閉高溫脫水塔進出口的程控閥無303032-28一塔處于冷吹階段前期高溫狀態(tài)無無243256257-285分鐘內(nèi)關(guān)閉高溫脫水塔進出口的程控閥無313043-28

從表5中的模擬結(jié)果可以看出，遭遇突發(fā)停電時，外輸天然氣溫度存在升高至257 ℃的可能性，后續(xù)輸氣管線和設(shè)備無法承受。而及時關(guān)閉高溫狀態(tài)脫水塔的程控閥門則可以確保安全，同時，外輸天然氣水露點在停電24 h后仍低于極端環(huán)境溫度，給遭遇停電留出了充分的反應(yīng)處理時間。

針對兩種最危險的狀態(tài)，決定增設(shè)一套不間斷電源(UPS)，電池續(xù)航時間30 min以上，為程控閥門和PLC控制系統(tǒng)供電，控制柜內(nèi)增設(shè)接點和程序連鎖UPS，在發(fā)生停電3 min后，執(zhí)行程序：關(guān)閉非吸附狀態(tài)脫水塔的進出口程控閥，僅保留吸附狀態(tài)脫水塔內(nèi)介質(zhì)的流通。脫水塔處于任何狀態(tài)時遭遇停電，熱量都不會被帶出，可以確保后續(xù)系統(tǒng)的安全。

處于高溫狀態(tài)的脫水塔進出口程控閥關(guān)閉后，由于塔體外的保溫層有100 mm厚，塔內(nèi)溫度下降很慢，72 h后仍有87 ℃；因此，從安全角度考慮，恢復(fù)供電后，PLC自動保持停電前的運行時間點，控制脫水橇恢復(fù)到斷電前的運行狀態(tài)繼續(xù)運行。無論停電時間長短都沒有安全隱患，但停電時間長于24 h后恢復(fù)供電，外輸天然氣水露點會存在一段時間不達(dá)標(biāo)的狀態(tài)。當(dāng)然，遭遇停電后一般會安排人員巡查和外加干預(yù)，恢復(fù)供電后，如果兩臺脫水塔內(nèi)溫度都不高，也可以通過設(shè)置運行時間或者跳步功能，選擇將剩余吸附能力較強的脫水塔投入吸附，另一臺進行再生。

此外，停電后再生分離器存在凍結(jié)的風(fēng)險，在PLC中增設(shè)再生分離器水相排空程序[14]，停電3 min后執(zhí)行。水相排空程序原理：控制LV-101開度到10%，計算從開始排放到液位變送器示數(shù)50 mm的平均流量，按剩余液體的理論體積得出所需的排放時間，再通過實際排放試驗設(shè)定修正系數(shù)，即在液位調(diào)節(jié)閥10%的開度下按時間排空。

4 結(jié)論與建議

(1) 無人值守設(shè)計的分子篩脫水橇能夠適應(yīng)塔河地區(qū)的偏遠(yuǎn)井、零散井工況，脫水效果好，成本可控，在遭遇突發(fā)狀況時，安全也有保障，可以推廣應(yīng)用。

(2) 應(yīng)結(jié)合項目地區(qū)特點，充分考慮特殊性問題，有針對性地進行優(yōu)化，特別是材料、防凍和可能遇到的突發(fā)狀況等，需要重點關(guān)注。

(3) 運行周期建議采用長周期，降低切換頻次，減少故障風(fēng)險點，同時制定合理的檢修保養(yǎng)計劃，確保程控閥、電加熱器等處于良好的狀態(tài)。

(4) 試運行階段除按照投運流程規(guī)范操作外，建議進行復(fù)雜工況下的模擬試驗，確保運行控制和報警的準(zhǔn)確性，以及突發(fā)停電狀況下的安全性。