开关式液位控制阀在高压气田中的应用

党 博

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

在海洋石油生产过程中，各系统中会使用大量的控制阀以保障平台平稳运行，尤其在高压气田生产过程中，控制阀不仅用来进行压力、流量等参数的调节，还会作为各系统界面间的压降调节元件[1]。如南海某气田平台气体脱水系统TEG（三甘醇）接触塔入口目前有2 套入口过滤分离器，操作压力为9 MPa 左右，入口过滤分离器分为上下2 个腔室，各设置1 台液位调节阀，过滤分离器液相管线的控制阀下游接至高压火炬系统进行液烃回收，高压火炬操作压力为0～600 kPaG，液体介质经过液位调节阀时压降约为8 400 kPaG，此系统依靠这四个控制阀进行生产调节。因此，控制阀的质量与整个平台的平稳运行息息相关。

1 平台生产过程中存在问题

南海某气田平台三甘醇接触塔入口过滤分离器的液位调节阀前后压差大（系统压力9 MPa，过滤分离器液相管线的控制阀下游接至高压火炬系统进行液烃回收，高压火炬操作压力为0～600 kPaG，液体介质经过液位调节阀时压降约为8 400 kPaG），在高压差下，液体都会出现部分气化的现象，此时单相流将转变为多相流，同时调节阀阀芯因连续的流体高速冲蚀而发生内漏[2]。系统流程图见图1：

当调节阀内漏到一定程度时，则发生气窜，导致调节阀不能有效控制入口过滤分离器两个腔室的液位，易触发液位低信号，进而产生单元关断，如果处理不及时，将升至更高级别关断，影响平台正常生产[3]。为保证生产平稳，将入口过滤分离器的液位信号进行长期隔离，避免不必要的单元生产关停。为解决液位信号长期旁通问题，需对该液相流程进行改造优化并进行评估。

图1 天然气脱水系统流程图

2 控制阀频繁内漏问题的分析

结合前期对白云作业区3 个气田平台的调研情况，目前在天然气脱水工艺系统中，气量虽然很大，但液量普遍不大，阀门内漏的原因不仅仅受制于高压差因素，开度不合理也是重要影响因素之一。所以即便在控制阀下游增加背压元件（孔板、截止阀、角阀等），选择目前厂家最小尺寸的阀门，正常生产工况下控制阀开度下仍处于小开度区域，现场控制阀开度记录情况见图2。同时控制阀实时收到连续液位控制信号的反馈而进行响应动作，在不合理开度下频繁动作，控制阀阀芯很快将出现内漏情况，现场阀芯冲蚀情况见图3。

图2 控制阀现场开度曲线

图3 控制阀阀芯冲蚀情况

3 控制阀频繁内漏问题的解决思路

在现场调研过程中发现，控制阀频繁内漏问题是高压气田普遍存在的问题，在与生产人员深入探讨生产实际情况后认为：在控制阀下游增加背压元件、优化控制阀阀芯材质、增加更适合现阶段流量曲线的控制阀做分程控制等措施对增加控制阀使用寿命效果不大，且以上措施的分析结果基本都已经通过现场生产和调研厂家得到了验证。综上所述，考虑目前材料选择与经济生产的匹配性，考虑将连续的线性液位调节调整为两点式开关液位调节并增加液烃缓冲罐，即将过滤分离器两个腔室的控制阀取消，在新增缓冲罐液相出口仅增加一个开关式控制阀，可减少了阀门控制阀及工艺阀门数量，同时大大降低了阀门控制阀开启频率，最终可实现延长控制阀使用寿命的效果[4]。

下面从3 个角度出发，来分析“开关液位调节并增加液烃缓冲罐”是如何最终解决控制阀内漏问题。

3.1 减少控制阀数量，优化液位控制逻辑

将一个系统的几个独立设备的关断逻辑糅合在一起统筹考虑，减少设备液位控制阀数量，同时可避免优化控制阀的设备关停频率增加，优化液位控制逻辑后控制阀设置情况对比见图4，系统升级前后控制阀数量及系统关断逻辑对比分析情况见表1。

图4 升级前后控制阀设置情况

表1 升级前后控制阀数量及系统关断逻辑对比

3.2 调整为两点式液位控制阀后阀门开启频率的下降

首次结合在大气量、小液量的高压气田的流量特点，将连续的线性液位调节优化为两点式液位调节，优化阀门开启频率，系统升级前后控制阀开启频率对比分析情况见表2。

表2 优化阀门控制形式后阀门开启频率对比

3.3 增加液烃缓冲罐后阀门开启频率的下降和开度的合理化

摒弃控制阀的使用寿命由厂家决定的理念，从生产流程上入手，在TEG（三甘醇）接触塔入口过滤分离器下游增加体积不大的液烃缓冲罐，更大程度降低阀门开启频率，增加配管适应性，增强设计的主导性。同时此方案下，阀门的开度不再受连续的液烃流量影响，只需考虑在适当的时间将液烃缓冲罐的液位泄放到设定值即可，通过计算，增加液烃缓冲罐后选择1 个2 in 的开关式液位控制阀是合理的，增加缓冲罐后控制阀开启频率对比分析情况见表3。

表3 增加缓冲罐后控制阀开启频率对比

4 经济效益分析

节省采办4 个900 磅1-1/2 in 双相钢材质控制阀及配套双相钢高压工艺阀门，节省阀门投资68 万元人民币。且并联设备越多节省控制阀越多。

对比TEG（三甘醇）接触塔入口过滤分离系统原液位控制方式，将连续液位调节优化为间歇调节，延长控制阀使用寿命（根据平台反馈连续控制的高压差控制阀平均6～12 月更换一次，单套阀芯10 万元）。根据此系统控制阀数量，可节约维保费40 万元/年；降低阀门内漏频率，如将阀门内漏导致气窜至高压火炬系统的气体损耗折合[5]，可减少能源损失约430 万元/年。

5 结论及建议

高压气田，压力高、气量大但液量相对较小，通过采用增加液烃缓冲罐+开关式控制阀的设计思路，可显著降低阀门冲蚀时间，解决了南海海域的高压气田控制阀频繁内漏、维保费用大、环境污染的问题。同时使控制阀在气田全生命周期内的适应性更广，可普遍应用在操作压力高、气量大、液量小的高压气田中，具有可推广性。