小型撬装天然气处理技术的工艺优化研究及应用

黄博(克拉玛依市富城能源集团有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

天然气作为一种清洁能源，已成为社会经济发展过程中最为重要的能源之一。为积极响应国内加快推进天然气体制市场化改革号召，2017年底国内大面积推行“煤改气”，同时由于国内部分LNG 接收站未能按时投产以及中亚天然气管道检修的原因，造成天然气供应存在大量缺口。天然气市场一度出现供不应求的局面，引发国内大面积“气荒”。然而，我国的大型天然气气田较少，除了一些常规气田外，在偏远地区存在大量零散的小气田非常规天然气，以及在油田试油试气过程中由于无法有效回收造成的天然气放空[1]。目前国家不仅要求对天然气资源充分利用，同时环保部门也对放空天然气进行大力整顿，也促使小型撬装化设备的快速发展。本文通过合理的优化论证，将油田试油试气装置与小型撬装化天然气处理装置合为一体，实现试油试气过程中天然气零放空。

1 小型撬装化现状

撬装化设备灵活多变的特点，目前已在油气田偏远井的天然气回收中应用，工艺技术较为成熟，单仍存在设备撬块多，工艺安装复杂，占地面积大等一系列问题需要进一步研究。天然气净化处理装置包括分离计量、增压、脱水、脱烃、外输计量以及制冷系统、烃液处理系统、CNG 槽车充装系统、仪表自动化系统、供配电系统的辅助配套系统[2](图1)。

图1 天然气净化处理装置

将上述工艺模块组合在12～13 个撬设备中，实现天然气处理装置撬装化，一般包含：分离计量撬、增压撬、脱水撬、低温分离撬、制冷机撬、轻烃回收撬、轻烃储罐撬、仪表风撬、发电机撬、放空火炬、控制室及配电间等。撬与撬之间工艺管线采用法兰形式连接，同时根据不同气质组分，可将不同功能的撬块进行组合，来达到工艺要求，生产出合格的商品天然气。单套装置搬迁时间一般为1～2 周，大大降低了新建天然气处理装置的建设时间及投资，同时设备也可多次利用。此外在设备维修时可将相应备用的撬装设备替代，解决了大规模停站检修的时间，根据现场反馈，装置的运行时率可达95%以上。

2 设备撬块优化

在油田勘探发的过程中，对天然气的回收主要分为两种：一是气油比较高的单井，该类气压力相对较低，含液量大；二是小气藏中的气井，该类气一般压力较高，含液量小，且压力衰减较快。根据以上两种情况在现有的撬装化工艺基础上，加入试油试气中所需要的油嘴、分离计量模块及段塞留捕集器。再结合前期现场设备生产时暴露出的一些问题，通过对设备、工艺等方面的优化，将撬装化天然气处理装置所需要的12 个撬块，通过合理的设计，将其高度集中制2 个撬块中。根据不同需求增加仪控室、外置分离器及发电机撬，将设备数量控制在5 个以内，同时所有工艺管线采用油壬快接形式，电缆采用快速航空插头快接形式，大幅度的降低搬迁及安装的工作量。

2.1 天然气净化撬

天然气净化撬主要包含了天然气处理中的静设备，包括段塞留捕集器、油嘴套、电加热器、节流阀、分子筛、低温分离器、闪蒸罐等，如图2 所示。

图2 天然气净化撬示意图

2.2 压缩机撬

压缩机撬主要包含了天然气处理中所需要的动设备，如：压缩机、空冷器、空压机等[3]。该撬装化设备将前置压缩机与后置压缩机合并为一台压缩机，共用一台电机。前三级作为前置压缩机使用，通过三级压缩将0.2～0.3MPag 的低压天然气增压至7～8MPag 的操作压力；后三级作为后置压缩机使用，将节流脱烃后的1.5MPag 压力的商品天然气增压至20MPag 充装CNG槽车，同时随车配有简易加气柱，可直接接至槽车充装CNG。

3 工艺优化

HYSYS 模拟软件在石油化工行业中有广泛的利用，通过建立相应的模型，通过软件计算可得出所需要的结果，对设备参数优化及调整有着重要的意义。采用HYSYS 化工模拟软件对撬装化天然气处理工艺进行模拟，通过对参数的调整，降低设备能耗，提高设备的利用率。

3.1 HYSYS稳态建模

将1～25MPa 的来气分为两类，第一类为“低压气”，压力小于7MPag；第二类为“高压气”，压力大于7MPag。图3 为压力不超过7MPag 的情况。将通过节流阀将压力稳定在0.2MPag，进入压缩机前三级增至7MPa。增压后的天然气通过分子筛脱水后进行节流将天然气温度节流至1.5MPa，温度降低至-35℃进入低温分离器分离出天然气与烃液。分离出的天然气与节流前的天然气换热后返回至压缩机后三级增压至20MPag。增压后的天然气通过简易加气机充至CNG 槽车运输。低温分离器底部分离出的液烃经过闪蒸罐稳定。

图3 压力小于7MPag稳态建模

图4 为压力大于7MPag 的情况。高压井口来气由电加热器加热后，通过油嘴(或节流阀)节流至7MPag 后进入分子筛进行脱水。脱水后工艺流程与第一类“低压气”工艺流程一致。

3.2 加热节流模块优化

根据焦耳汤姆森定律，由于天然气在节流降压过程中伴随有温度的降低，当温度低于天然气水合物形成温度时会发生“冻堵”，因此在节流前必须进行加热，由于节流压差越大，温降也会越大，则加热器所需要的加热负荷也就越高[4]。通过HYSYS模拟进行分析，节流压差与加热器温度关系如图5 所示。

图4 压力大于7MPag稳态建模

根据图5 所示，当压力达到最高压力25MPag 时，电加热器最大负荷为14kW。按照图中原料气压力及电加热器负荷关系，将压力与电加热器负荷联锁，根据不同压力调节电加热器负荷，由此达到节能的效果。

图6 天然气节流制冷

3.3 制冷方式的优化

天然气制冷有制冷机制冷和节流制冷两种形式，制冷机制冷是通过对冷剂压缩再膨胀降温通过换热器与天然气换热达到制冷效果[3]。节流制冷是利用气体的焦耳—汤姆森定律，天然气在节流降压过程中伴随有温度的降低，利用天然气自身的压力通过节流后的气体冷量在换热器中降低来气温度，再节流制冷，循环最终平衡达到数学极限，制冷温度达-35℃至-40℃(图6)。

节流脱烃与制冷机相比设备数量少，工艺流程简单，节流截止阀属于静设备管理更为方便，因此节流制冷脱烃的方式更适合撬装化设备。

4 结语

通过对天然气净化处理的整个工艺流程进行研究和优化，将原本复杂笨重的天然气处理装置集合在两个撬体中，通过合理的优化组撬甚至可以将整撬放置在平板车上，作为移动化的设备在偏远地区进行天然气回收。此外针对原料气压力温度的控制以及后端脱烃流程的优化，将工艺流程在满足处理要求的前提下最简化，降低运行的成本。本文提到的小型撬装化处理设备，对偏远地区的单井天然气回收有一定的意义。