油气田地面工程含硫燃料气系统方案优选.pdf

1 6 一 ● 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 4 年第1 7 卷 油气田 地面工程含硫燃料气系统方案优选 王汝军 ，宋风莲 ，宋楠 1 ． 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 1 0 0 0 8 5 2 ． 北京石油化工工程有限公司，北京 1 0 0 l 0 7 [ 摘 要] 油气田地面工程中，伴生气的利用程度对工程造价有着重要影响。但未经脱硫处理的伴生气中硫化氢含量较高， 用作燃料气和密封气的可行性值得探讨。本A N Y , 某海外油气田地面工程项 目为例，对其集中处理站中含硫燃料气方案的设 计难点进行 了 分析，并从工程量和投资估算方面对含硫燃料气系统进行了方案优选。研究表明，在满足相同工程要求的条件 下，各方案的造价相差6 0 Y 0 ～2 2 0 ％ [ 关键词]油气田地面工程；含硫燃料气；设计难点；方案优选 燃料气系统是油气 田地面工程中重要 的公用 工程 系统，气源 的质量和燃料气的处理流程都将 对主工艺流程带来影 响。本文 以一个海外油气 田 地面工程项 目为例 ，对H s 含量较高的伴生气用作 燃料气 的方案进行了研究，并分析 了含硫燃 料气 对相关系统的影响，最终得到一个优化方案。 1 工艺流程描述 该 项 目早期 设 计阶 段燃 料 气流程 方 案 如 图 l 。来自三甘醇脱水系统的干气经减压阀降压后 进入燃料气涤气器 ，经过简单分离后送往用户 。 燃料 气 的主要 用 户包括 导 热油炉 、 原油储 罐密 封、三甘醇脱水再生塔再沸器、高低压火炬 点火 盘和汇管吹扫。由于脱水后 的干气水合物形成 温 度 ． 2 5 ℃远低于该地 区极端温度 ． 4 ． 4 ℃ ， 所 以燃料气系统未考 虑预加热器和燃料气管线伴 热 ，这一点比高秀敏等 】 提 出的流程有所简化。 来向三甘醇 脱 水系统 ∑ 去储罐密封 图1 燃料气流程示意图 在 后期 设计 阶段 ，经 过进 一步 研 究发现 ， 本项 目燃料 气 的含 硫 量较 高 H S 含量 为0 ． 1 0 mo 1 ％，导致该方案有两方面的问题需进一步研 究解决 一是导热油炉对燃料气的H S 含量有一定 的限制要求 ，二是需要研究原油储罐密封采 用含 硫燃料气的可行性。 2燃料气对导热油炉系统的影响分析 导热油炉若燃烧含硫燃料气 ， 可能会对燃烧 器和导热油炉炉体产生 以下不 良影响 2 ． 1 燃烧器调节阀组腐蚀 由于 目前燃 烧 器多为 标 准化 系列 ，且 调 节 阀组多采用橡胶密封 ，如使 用含硫燃料气，则燃 烧器 的调节阀橡胶密封可能被腐蚀 ，导致燃料 泄 漏 。点火时导热油炉系统会对 阀组做检漏测试， 燃料气泄漏将导致无法点火；即使 点火成功，炉 体 内的燃气 堆积会 引起 炉体爆 炸 。根据燃 烧 器 的不 同型号 ，H s 在燃料气 中的含量限制要求从 0 ． 0 1 ％～ 0 ． 1 5 ％ mo 1 之间。为解决此 问题可采用两 路燃烧器阀，开一备一，如发生腐蚀导致调节 阀 失效，则便于更换 。 2 ．2导热油炉露点腐蚀 如果燃料气中含有H S ，则燃烧后生成S O 、 S O 等气体，当烟气温度降 lJ 4 0 0 。C以下时，它们 与水蒸气混合生成硫酸蒸汽 。当温度低 于露点温 度时，硫酸蒸汽会凝结到金属壁面 匕 形成硫酸液 作者简介王汝军 1 9 8 6 一，男，山东聊域人， 硕士研究生， 助 理工程师。在中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 王汝军等 油气田地面工程含硫燃料气系统方案优选 一 7． 体，会在烟 囱和炉管处形成低温露点腐蚀。 根 据 对现 有 燃气 组 分 的初步 核 算可 知 ，加 热炉 在额 定 负荷 下运 行 时其烟 气 的露 点温度 为 1 1 3 ℃ ，考虑到烟 囱内烟气的温 降和设计余量 ，排 烟温度 进烟囱的烟气温度须不低于2 2 0 ℃，以 防止 炉管和烟 囱的露点腐蚀 。由此可见 ，理论上 额定负荷下排烟温度在2 2 0 ℃以上就不会对炉管 和烟 囱造成腐蚀 。但是 ，实际运行时加热炉的负 荷往往不稳定 ，尤其是低负荷运行时期或投产初 期，排烟温度大大降低，此时烟气温度极有可能 低于其露点温度，导致在烟囱中产生露点腐蚀。 而对于炉管 ，在正常运行时，其金属壁温不会低 于露点温度，不会产生露点腐蚀 。 在导热油炉燃烧酸气时，为避免露点腐蚀可 采用 以下措施 1 保持导热油炉负荷稳定在额定负荷，避免 加热炉低负荷运行 。 2 提高排烟温度，采用防露点腐蚀材料。排 烟温度控制在1 8 5 ℃以上时，不会对炉管产生腐 蚀，烟囱可采用不锈钢材料以进行腐蚀防护。 由以上分析可见 ，通过 简单经 济的方法即可 消除含硫燃料气可能对热媒系统产生的影响。 3 燃料气用户方案优选 原油储罐密封 需要大量密封气 ，密封气有含 硫燃料气 、甜气和氮气几种 ；加热炉燃料气可选 含硫燃料气或脱硫 甜气 。将加热炉燃料气和原油 储罐密封气综合考虑可有如下几个方案 表1 燃料气备选方案 方案名称 燃料气 加热炉燃料气 原油储罐密封气 方案一 不脱硫 含硫燃料气 含硫燃料气 方案二 脱硫 甜气 甜气 含硫燃料气 方案三 不脱硫 含硫燃料气 氮气 3 ． 1 方案一 燃料气及密封气不脱硫 在方案一中，燃料气及密封气采用脱水后的 干气 ，先节流到0 ． 4 MP a ，然后经 过燃料气分液罐 分离后输送给各用户。燃料气用户包括导热油炉 和原油储罐密封气及其它用气，原油储罐密封气 量采用规 范AP I 2 0 0 0 ． 2 0 0 9 V e n t i n g At mo s p h e r i c a n d L o w． P r e s s u r e S t o r a g e T a n k s 计算的密封气量 为 1 8 6 0 8 Nm ／ h 一个3 0 0 0 0 m。 原油储罐热呼吸补 天然气量为 5 4 4 1 ． 7 Nm ／ h ，罐 出油补天然气量 为 2 2 8 3 Nm ／ h ，三个储罐连 续补 天然气量为 5 4 4 1 ． 7 3 2 2 8 3 1 8 6 0 8． 1 N m ／ h 。具体气量需求见 表2 。密封气 阀前压力按照8 0 k P a G 考虑，阀后压 力按照3 k P a G 考虑 。 表2 方案一 燃料气及密封气需求量表 用户 名称 流量 1 0 4 N m 3 ／ d 备注 加热炉燃料气 3 2 ． 3 4 储罐密封气 4 4 ． 6 6 其他用户 5 ． 9 0 T E G 脱水装置、生产水脱气罐、火炬系统、闭排系统等 总气量 8 2 ． 9 3 ． 2方案二 燃料气及密封气部分脱硫 在方案二 中，燃料气用户仍主要包括导热油 炉和原油储罐密 封气及其 它用气 ，原油储罐密封 气量采用规范A P I 2 0 0 0 2 0 0 9 计算。由于密封气脱 硫，负荷波动较大，因此采用温降方法计算密封 气量作为连续气量，剩余气量采用酸气密闭。 采用温 降方法计算密封气量过程为单个 3 0 0 0 0 m 储油罐除罐顶和罐底外均采取保温措施， 油罐从最高操作温度7 5 ℃降到冬季月平均温度 7 ． 6 。 C，单个储罐需要补气量计算值约为1 2 3 0 Nm ／ h ，原 油储罐 出油补天然气 量为2 0 3 0 Nm ／ h ； 事故罐考虑空罐情况 由月平均最高温度1 8 ℃降 为月平均最低温度7 ． 6 ℃，事故罐补气量约为 2 0 0 N m ／ h ，三个储罐总计连续补天然气量为 1 2 3 02 2 0 0 2 0 3 0 4 6 9 0 Nm ／ h。 燃料气需求量与方案一相同，详见表3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 王汝军等 油气田地面工程含硫燃料气系统方案优选 一 9一 表4 方案三 燃料气和氮气用量表 流量 x1 0 N m 3 ／ d 用户名称 备注 含硫燃料气 氮气 加热炉燃料气 3 2 ． 3 4 其他用户 5 ． 9 0 T E G 脱水装置、生产水脱气罐、火炬系统、闭排系统 储罐密封气 1 2 ． 3 9 总气量 3 8 ． 2 4 1 2 ． 3 9 方案三部分与前期方案一致 ，燃料气采用脱 水后 的干气 ，先节流No ． 4 MP a ，然后经过燃料气 分液罐分离后输送给各用户 。 新增 的氮气部分需考虑压缩空气的设置 ，压 缩 空气用量最少为氮气装置用风量的3 ． 2 倍 。空压 机产生 的压缩空气 ，脱水后作为变压吸附制氮 装 置 的气源 ，产生 的氮气经过氮气缓冲罐后直接 供 给用户 。氮气纯度为9 9 ． 5 ％，露点是 一 1 5 ℃。氮气 系统的主要工艺过程 空气一 机一空冷器 一 干燥器一冷干机一变压吸 附制氮装置一缓冲罐 一 用户 。 4主要工程量及投资估算 三个方案的主要工程量及投资对比 5 。该 表仅体现了不同方案的工程量差别 I { 1 丧5 矢 l J ， 方案一投资最低 ，方案二投资居叶 I ，约为力‘ 案 的1 ． 6 倍；方案三投资最高，约为方案一的3 ． 2 倍。 表5 三个方案主要工程量及投资对比 方案一 方案二 方案三 序号 设备名称及单位 燃料气及密封气不脱硫 燃料气及密封气部分脱硫 燃料气不脱硫氮气做密封气 规模 数量 规模 数量 规模 数量 1 燃料气及密封气分离器 m 2 6 1 台 1 ． 3 4 l 台 1 ． 2 3 ． 6 l 台 2 脱 硫装 置 X 1 0 N m 0 ／ d 4 9 ． 5 l tj k5 3 酸气压缩机 k w 2 2 2 台 4 洗涤罐 m 1 ． 5 4 ． 5 1 台 5 氮气橇 N m 0 ／ h 1 8 9 3 3 套 6 氮气储罐 m 3 ． 6 1 8 1 台 7 空压机橇 N ／ h 3 0 2 8 6 N 采用2 套调节阀组及烟囱材 采用2 套调节阀组及烟囱材 8 炉子增加的工作量 料调整 料调整 9 储罐抗腐蚀增加的工程量 罐顶部考虑抗腐蚀材料 罐项部考虑抗腐蚀材料 1 0 投资估算 万元 7 2 4 ． 5 8 O ． 8 2 3 0 8 ． 0 各方案优缺点分析 方案一投资较低 ，需要定期更换 导热油炉燃 料气调节阀组。 方案二系统 比较安全 ，由于考虑 了脱硫气 和 不脱 硫气两种 方案 ， 比较复杂 ；采用烃类气体 密 闭，储 罐排 出的气体均 可以进入火炬系统 ，有组 织地排放和燃烧 。 方案三储罐密 闭系统更安全 ，但导热油炉运 行仍然存在方案一的情况。 5 结束语 f l 1 含硫燃料气可能会对导热油炉系统的燃烧 器阀组产 生腐蚀 ，通过备用一套阀组可以解决该 问题 。 2 含硫燃料气可能对导热油炉系统的烟 囱产 生低温 露点腐蚀 ，如采用不锈钢材料可有效防止 这种情况的出现 。 3 如果储罐密封采用含硫燃料气 ，储罐顶部 需考虑抗腐蚀材料。 4 1 在满足同样工程要求的情况下 ，方案一最 为经济 。 本文 对 含硫 燃料 气在 油 气 田地 面工 程 中 的 应用进行 了研讨 ，并对可能出现 的问题进行 了分 下转2 3 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 李涛大型设备吊装的简体应力计算 一 2 3 4 0 2 4 ． 7 l 0 6 ． 2 满足 l O 5 4 6 ． 1 1 O 6 ． 2 满足 1 7 O - 4 6 ． 5 1 O 6 ． 2 满 足 4 5 - 3 8 ． 2 1 O 6 ． 2 满足 1 1 O 5 8 ． 8 l O 6 ． 2 满足 l 7 5 5 1 ． 1 1 O 6 ． 2 满 足 5 0 4 9 ． 9 1 O 6 ． 2 满足 l 1 5 6 4 ． 5 l O 6 ． 2 满足 1 8 0 5 2 ． 7 1 0 6 ． 2 满 足 5 5 5 8 ． 9 l 0 6 ． 2 满足 1 2 0 6 4 ． 1 1 O 6 ． 2 满足 6 0 - 6 4 ． 1 1 0 6 ． 2 满足 l 2 5 5 8 ． 9 l 0 6 ． 2 满足 8。 5 。 4 。 专z。 。 ．2 。 ‘d 。 一5 。 ．8 0 、 f l l { ＼ ／ ； ． } i 3 } ； 1 i i ＼ | ＼ i 图7 环梁应力图 ◆参考文献 [ 1 ]孙爱萍． 大型设备吊装方案优化⋯． 煤炭技术，2 0 1 0 ， 2 9 3 1 5 5 - 1 5 7 ． [ 2 ]尹八一． C 4 0 1 甲醇洗涤塔 吊装工 艺与计算 [ J ] ． 石油化工建 设 ，2 0 0 5 ，2 7 3 6 9 7 2 ． [ 3 ] Wa r r e n C ． Y o u n g ， R i c h a r d G ． B u d y n a s ． R o ark S F o r mu l a s f o r S t r e s s a n d S W a i n [ M] ． 7 t h e d ． Ame r i c a Mc G r a w- H i l l C o m p a n i e s ． [ 4 ] 潘文江． 大型吊装中设备吊耳设计与验收[ J ] ． 石油工程建 设 ，2 0 0 9 ，3 5 3 4 9 5 1 ． [ 5 ] 苏永上． 重型化工塔类设备 中压醇化塔吊装工艺【 J 】 ． 城 市建设，2 0 1 0 ，6 0 3 5 1 3 5 2 ． [ 6 】 马寅，张新峰，焦博等． 大型设备吊装用吊盖有限元分析 与应用实例【 J ] ． 石油和化工设备，2 0 1 3 ，1 6 1 1 0 ． 1 4 ． 。 收稿日期2 0 1 3 ， I 1 0 3 ；修回曰期2 0 1 3 ． 1 2 ． 1 1 计算卧式容器 筒体在 吊装载荷 作用下的应力 时 ，通常将 吊耳处 的筒体和加强圈看成一个闭合 的环梁 ，此 闭合环梁承受 的吊装载荷往往为组合 载荷，需要结合R o a r k 计算方法，将组合载荷等效 成几种不 同载荷 ，分别求解环梁 内力，再进行叠 加求解环梁应力 。 上接 1 9 页 析，提 出 了解 决方案 ，通过工程量和投 资估算发 现方案之间的造价相差6 0 ％～ 2 2 0 ％。 ◆参考文献 【 1 ] 高秀敏，王彦瑞，曾树兵等． 海洋平台燃料气系统流程设 计方案[ J ] l 石油和化工设备，2 0 1 3 ，1 6 2 4 1 ． 收稿日期2 0 1 3 ． 1 0 ． 2 2 ；修回日期2 0 1 3 ． 1 2 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m