超声速天然气脱水成橇技术研究

胡志良，赵瑞云，李巍，李玉玲，张江波，时颖，孟晨亚

（1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

（2.天津修船技术研究所， 天津 300456）

海洋平台天然气脱水技术一般采用溶剂脱水和低温分离技术脱水，目前在平台上较常用的为三甘醇脱水技术，利用高浓度的三甘醇吸收天然气中的水蒸气实现脱水的目的，该技术成熟，在文昌、渤中等平台中均有成功应用，但其设备占用平台面积较大，流程复杂，橇内塔器较高，整橇施工难度较大，目前正在研究的超声速天然气脱水橇属于低温节流膨胀脱水技术，其主要核心部件为拉法尔喷管，橇装尺寸较小，集成度高。本文主要介绍超声速天然气脱水成橇技术及成橇设计注意事项，可以有效提高超声速橇块的设计效率，避免设计过程中出现质量问题，节约生产成本，缩短项目工期。

1 超声速天然气脱水橇典型PFD流程

图1 超声速天然气脱水橇典型PFD流程图

天然气首先经过与轻烃气换热进行一次降温，然后与低温天然气换热进行二次降温，最后与液态轻烃换热进行三次降温。经过三级降温后的低温天然气进入超声速天然气脱水拉法尔装置进行水和轻烃的分离，然后在三相分离器中进行液相分离。

橇内主要工艺管线考虑低温保冷，橇内管线等级A4AL，不锈钢材质。

2 超声速天然气脱水橇成橇

2.1 超声速天然气脱水橇成橇技术资料包括：

(1)拉法尔核心组件厂家的技术资料、尺寸，安装要求；

(2)超声速天然气脱水橇的PFD、PID；

(3)业主采购技术要求书、技术澄清纪要；

(4)海洋平台布置总图、专业规格书、海洋平台总体管口布置图；

(5)超声速天然气脱水橇内管线PIPINGLIST，查询管道低温参数；

(6)设计软件PDMS对于超声速管道元件的成橇库技术准备；

(7)核实橇内换热设备形式及橇内大型仪表资料；

(8)橇内流量计选型及前后直管安装技术要求。

2.2 超声速天然气脱水橇成橇布置

2.2.1 橇内流量计选型及安装技术要求

天然气脱水橇目前为科研实验项目，橇内流量计较多，为使流量计仪表计量准确，厂家对于流量计安装的前后直管段要求较为严格，对于整橇的布置提出了较高要求。目前天然气脱水橇内流量计主要选用了孔板流量计及涡街流量计，主要海洋平台流量计合格供货商如恒升、菲舍波特、川仪等厂家对于流量计的前后安装尺寸要求较高，最大安装尺寸达到前25D后15D，对于海洋平台橇块尺寸提出了严格挑战。这就需要总体成橇设计人员在电仪专业采办评标阶段就流量计的外形及安装尺寸、测量精度给出总体尺寸限制条款，以使得成橇尺寸可行，整橇结构合理紧凑，布局美观。

2.2.2 橇内大型仪表元件的参数化建模

PDMS对于复杂且较大的SDV、BDV等类似于设备的仪表进行了较为贴近厂家供货的元件参数化建模，对于各磅级/尺寸的元件越来越丰富，使得成橇设计与施工阶段空间相符，有限地避免了碰撞，而且提高了设计效率。且SDV、BDV等大型仪表前期应参照以往项目的厂家预留安装尺寸，以避免预留尺寸过大或过小造成整橇设计布局的不合理，项目后期无法调整。

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图2 橇内大型仪表元件PDMS参数化建模

2.2.3 橇座及操维平台SOLIDWORK建模-ANSYS有限元分析联合

海洋平台橇块是基于各专业软件集成联合设计的，橇座及异型操维平台等结构件可以用SOLIDWORK软件直接建模出图，一方面相关结构模型可以用STP格式输入到PDMS模型中供总体设计人员建模检查碰撞干涉，另一方面SOLIDWORK模型也可以导入到ANSYS有限元中进行结构强度分析，节省了两个专业的建模设计工作。

图3 橇内主要结构件ANSYS有限元分析

通过上述ANSYS应力分析，对于底座的主梁、操维平台的主梁、立柱等相关梁尺寸都进行尺寸及重量优化，由原定的型钢H300×H300变为H150×H150，有效地控制了橇块重量总体设计方案通过。

2.2.4 橇内设备管线的优化布置方案

天然气脱水橇块成橇橇内设备包括核心组件拉法尔管、一台双层换热器、一台洗涤器、一台化学注入泵、两台换热器，管线橇内90%以上全部为600LB以上管线，阀门数量200多台，SDV、孔板流量计、超声波流量计、多级孔板遍布，每台大型仪表均是一台设备尺寸，此类橇块布置总结如下：

(1)核实设备立式结构是否满足工艺机械要求，此橇要求两台入口换热器立式布置，充分利用立面空间；

(2)安全阀组成组集中布置，减少放空管线汇管走线路径；

(4)对于不允许立式布置的换热器考虑上下层叠放布置；

(5)流量计核实厂家资料，不允许厂家以测量精度为由无限要求安装管段，其应提高本身测量精度。

图4 橇内设备管线优化布置

2.2.5 低温管线阀门库元件新建及操维空间核实

本项目依据工艺专业PIPINGLIST对于低温阀门管线考虑-40℃情况下，需要核对是否阀门的操作手柄高度，具体需要核对SHELL MESC SPE 77/200-2010相关技术要求及阀门实际供货厂家具体报审图纸，然后在PDMS元件库中对于橇内的阀门相关尺寸进行尺寸更新，避免橇内元件碰撞，造成整橇橇内阀门的碰撞大量整改。

图5 低温阀门SHELL MESC SPE手柄加长高度推荐值

2.2.6 低温管线保冷厚度的计算核实

表2 超声速天然气脱水橇低温管线保冷厚度计算表

橇内保冷管线X"-AG-XXXX-D4AL-C操作工况根据工艺PIPINGLIST参数提取如附件，保冷厚度计算公式参考：GB50126-2008《工业设备及管道绝热工程施工规范》、GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》及天津LNG项目的低温设备和管道外表面的材料规格和施工要求TJLNGTD-DD-TS-RPT-PI-004等相关规范，对于天然气脱水橇内的保冷管线不同保冷材料的材质和厚度进行计算，使得保冷厚度符合成橇空间要求及满足工艺保冷条件。对于保冷空间较小及保冷温度较低的管线可以采用保冷系数值较大的保冷材料来进行。

2.2.7 低温管线成橇设计注意事项

(1)管线弯头处应力较大，为管道最易脆裂部位，一般不应焊接支吊架。

(2)低温管道上，靠近弯头和三通的部位，一般不允许直接焊接法兰，为了不破坏保冷层，需要延长一段管再焊接法兰。

(3)低温保冷管道支架必须防止冷桥产生的措施，如加放木块或者硬质隔热材料，如PTFE等；也可以避免不锈钢低温管道与碳钢支撑材料的接触。

(4)低温保冷的仪表管嘴与设备管嘴必须使得法兰面伸出保冷层外侧并留有一定的距离，以方便拆卸螺栓。

(5)其它低温管线设计规定参见相关规范。

3 结语

本文基于超声速天然气脱水成橇设计过程中低温材料及成橇建模过程中一系列技术思路进行了较为详细的总结，可以有效避免超声速天然气脱水成橇在设计和生产过程中出现质量问题，提高产品质量。

◆参考文献

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会编. 海洋石油工程机械与设备设计[M].北京：石油工业出版社，2007.

[2] 胡志良，何煦，韩旭，等. 海洋空气压缩机成橇设计与应用[J].石油和化工设备，2015，18(3)：34-37.