超重力技术对海洋平台天然气脱水的试验

孟凡然 ， 曹 永， 金 涛， 张公涛， 夏明磊

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300452；2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；3.中海油(天津)管道技术工程有限公司， 天津 300452)

0 引 言

海洋平台生产过程中产生的伴生气一般通过火炬放空的方式处理，造成一定程度的碳排放[1]。随着我国海上油气田的开发规模扩大，利用已有或待建的海底管道建设海底管网，既能推进周边各个区块的区域性滚动开发，又能将油田多余的天然气输送至陆地终端并接入陆地燃气管网。利用海底管网回收天然气可大幅提高天然气回收率，提升经济效益和环境效益，已成为我国海上油田节能减排、提质增效的重要手段。

天然气特别是湿气的长距离管道输送仍然面临技术挑战，管道内存在的大量液体会加速海底管道的内腐蚀和水合物的生成，不利于管道长期稳定的运行。目前应对这一问题的主要措施是在生产平台上设置三甘醇(Triethylene Glycol，TEG)脱水装置。TEG脱水工艺属于溶剂吸收法，其主要机理为：TEG分子结构中的羟基和醚键能与水分子形成氢键[2]，对水有极强的亲和力，具有较高的脱水率。TEG具有容易再生、运行成本低的优点，在天然气脱水领域得到了广泛的应用。

1 海洋平台TEG脱水工艺流程简介

海洋平台TEG脱水工艺(见图1)设备主要包括入口分离器、吸收塔、闪蒸罐、再生塔、再沸器等。其中，吸收塔是脱水部分的核心，一般采用塔盘式结构设计，含水天然气从塔底进入，TEG在重力作用下从塔顶流经塔盘，在吸收塔中与含水天然气充分接触并吸附水分。TEG吸附天然气中的水分和轻烃等物质后变为富甘醇，天然气脱水后变为干气。富甘醇再流经闪蒸罐、再沸器和再生塔，脱除吸收的轻烃和水分，再生为贫甘醇，通过甘醇循环泵输送循环回到吸收塔。传统脱水工艺应用较为成熟，脱水效果也可满足外输要求，但仍有如下问题：

图1 海洋平台TEG脱水流程

(1) 为提高经济效益，海上油田往往采用大气量集中外输的方式，脱水设备在设计上既需要考虑匹配外输气的容量，又需要保证TEG与天然气的有效接触面积和接触时间，设备的尺寸、体积无法压缩，造成布置困难，油田总体投资增加。

(2) 脱水塔等设备的填料每3～6 a需要清洗维护，清洗或更换填料的成本高、时间长。长时间清洗维护还会造成停产，使油田经济效益下降。

2 超重力机技术简介

超重力指远大于地球重力加速度环境下的物质所受到的力。超重力技术在化工设备中又被称为旋转填料床(Rotating Packed Bed，RPB)，是一种通过RPB高速旋转产生的离心力实现超重力环境，利用超重力场代替脱水塔的重力场，强化分子间的分子扩散与相间接触进而强化传质过程的新技术。利用RPB的特殊结构，在超重力环境下流经RPB的液体会受到巨大的剪切力，液体被撕裂成微米甚至纳米级别的液膜、液滴甚至液丝，产生巨大和快速更新的相界面，使相间传质速率较传统塔式设备提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到显著强化[3]。

2.1 超重力机的结构和工作原理

超重力机RPB(见图2)由环状丝网填料组成[4]，气相在压力梯度下从气体引口管进入转轴外腔，从转轴外缘进入填料，液体从进口管经喷淋头洒在转轴内缘，填料转子在电机的驱动下高速旋转产生超重力场，进入转轴的液体受到填料的作用周向速度增加，产生的离心力将其推向转轴外缘，在这一过程中液体表面被撕裂破碎成极薄的液膜或液滴，形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道也加速界面更新，使转轴内形成良好的传质条件。液体与气体在转轴内逆向接触，液体被抛至外壳后汇集并经出口离开，气体自转轴中心离开转轴，由气体引出管引出，完成传质过程[5]。

图2 超重力机RPB结构图

2.2 超重力机的主要优点

与传统塔式设备相比，超重力机有如下优点：

(1) 气液传质效率高；

(2) 设备体积、重量小，填料清洗维护方便，运行成本较低。

2.3 超重力机的主要应用

(1) 天然气/油田伴生气等的净化(脱H2S、脱水等)[6]；

(2) 工业烟气脱硫(SO2)除尘[7-8]；

(3) 油田注水/锅炉水超重力脱氧；

(4) 超重力碳捕集[9]；

(5) 纳米材料制备；

(6) 化工过程强化反应。

3 超重力机TEG脱水模拟试验

3.1 试验设备和流程

以TEG为吸收剂，以轴向长度为80 mm、转子内径为70 mm/外径为260 mm的钢丝网填料作为RPB，以湿空气模拟天然气，试验TEG流量、湿空气流量、RPB转子转速对脱水后空气露点的影响。TEG流量为100～800 L/h，湿空气流量为2～20 m3/h，RPB转速为1～1 300 r/min，试验流程如图3所示。

图3 试验流程示例

3.2 小试模拟试验

3.2.1 TEG流量和质量分数对空气露点的影响

不同TEG质量分数下TEG流量对露点降的影响如图4所示。在气量恒定的前提下，TEG流量对露点降的影响非常显著，但达到一定液量后露点的下降就不够明显。同时TEG溶液质量分数对露点的影响也很明显，高质量分数下的露点降远好于低质量分数下的露点降。这证明提高TEG再生的质量分数比增加流量容易获得更多的露点降。但TEG不能在过低的流量下运行，否则将无法保证TEG拥有足够的动压头，这会增大气液相逆向接触的传质阻力，降低吸收率。当试验流量在400 L/h 以上时露点下降明显，但是过大的流量增加了能耗同时增大对TEG再生能力的要求，因此选择最优经济流量对工业运行非常关键。

图4 不同TEG质量分数下流量对露点降的影响

3.2.2 RPB转速对空气露点的影响

RPB转速对露点的影响如图5所示，在TEG流量、湿空气流量恒定的前提下，空气露点随转速的增加而下降。当转速超过一定范围时，转速增加使气液接触时间减少，转速继续增加对露点的影响不太明显。转速增加使液体的旋转速度增加，在液体后方造成低压区，气体补充这一低压区向填料出口的运动趋势增加，气体通过填料层时的压降显著增加，不利于天然气外输。

图5 不同TEG质量分数下超重力机转速对露点降的影响

3.2.3 湿空气流量对空气露点的影响

湿空气流量对露点的影响如图6所示，在TEG流量、RPB转速恒定的前提下，湿空气流量的增加对露点温度的影响较为缓慢，总体露点温度变化不超过±3 ℃，但当TEG流量低于200 L/h时，露点温度的变化更明显。这也印证了第3.2.1节经济TEG流量的观点。

图6 不同TEG流量下湿空气流量对露点降的影响

4 超重力机天然气脱水工艺流程设计

由模拟试验的结果可知，利用超重力机对天然气进行脱水效果非常明显，且具备工业应用潜力。假设用超重力机替代原脱水塔，平台天然气脱水流程如图7所示。考虑油田的实际情况，天然气入口压力较高，在超重力机内气液接触时间短，易夹带甘醇，在超重力机气相出口增加1台聚结器，用来分离天然气中夹带的甘醇。聚结器分离出的甘醇与超重力机内的富甘醇汇合，并回流至再生系统。

图7 超重力机脱水流程

5 超重力机与脱水塔的运维成本对比

陆地某化工项目超重力机和脱水塔的运维成本对比如表1所示。由表1可知，超重力机的运维成本明显低于脱水塔，且维修简单方便，不会造成长时间停产检修。

表1 超重力机和吸收塔运维成本对比

6 结 论

进行超重力机脱水模拟试验，并结合海上平台实际情况，得出如下结论：

(1) 在TEG流量相对较低或气液比较大的工况下，气量增加会造成露点温度的快速上升，但在TEG流量较大或气液比较小的工况下气量的增加对露点温度的影响较为平缓。兼顾实用性和经济性，可根据特定平台的气量得出适合的经济TEG流量。

(2) 在同样的TEG流量下，再生后TEG质量分数越高，露点降越大，提高TEG的再生效果对脱水效果影响非常大。

(3) 超重力机脱水工艺流程与传统TEG流程基本相同，只是用超重力机代替脱水塔。超重力机传质效率高，核心设备的体积显著减小，这有利于海上平台的流程改造。

(4) 超重力机填料结构为丝网结构，尺寸较小，便于清洗，运维成本明显低于脱水塔。超重力机的维修更方便，可缩短油田停产检修时间。

(5) 在高压、大气量工况下，由于超重力机的强化混合，甘醇液相被分散，易造成天然气夹带从而造成甘醇损失，应在超重力机气相出口设置甘醇聚结器，以强制分离天然气中夹带的甘醇。

海上油田天然气通过海底管道长距离输送具有较大的经济和环境效益，天然气的脱水效果对管道的长期稳定运行非常重要。超重力技术是一种高效传质技术，具有设备体积小、维修方便的优势，非常适合在空间狭窄的海洋平台上应用。本文提出将超重力机用于海洋平台天然气脱水，并进行模拟试验。通过模拟试验，得出超重力机脱水存在经济TEG流量的结论，在经济TEG流量下可得到足够的露点降，且气量的波动对露点温度影响不大。由模拟试验可知，在高压、大气量工况下，由于超重力机的强化混合，甘醇液相被分散，易造成天然气夹带而造成甘醇损失的问题，可设置甘醇聚结器以解决该问题。模拟试验的结论为超重力机脱水下一步的工业化应用提供技术支持。