非常规天然气超音速脱水工艺与设备发展研究.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷增刊 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY ． ． 专题 综述 非常规天然气超 音速脱水 工艺与设备发展研究 艾志久 魏学华 马海峰 胡文礼 西南石油大学 摘要 超音速旋流分离技术是天然气处理技术的一大创新，是超音速冷凝 和离心分离技术的 有机结合，是天然气脱水处理技术的发展趋势。分析 了国内常用天然气脱水 系统中存在的主要问 题 ，介绍 了超音速脱水技术在 国内外的研究及应用情况 ，并在此基础上提 出了一种适用于非常规 天然气的脱水处理工艺，分析 了改进型 T w i s t e r 管的技术特点，并对该工 艺中通用脱水设备 的功能 要求进行 了详细介绍。最后指 出非常规天然气脱水处理技术应进一步深入研 究的内容。 关键词 非常规天然气 超音速分离 天然气脱水T w i s t e r 管 0 引 言 非常规天然气是指在成藏机理 、赋存状态 、分 布规律或勘探开发方式等方面不同于常规天然气 的 烃类 或非烃类 资源 ，主要指致 密砂岩气 、煤 层气、页岩气和天然气水合物等 J 。我国非常规 天然气资源丰富 ，发展潜力巨大，具有广阔的开发 前景，随着经济和技术条件的不断进步，它们将逐 渐转化为常规天然气 J 。在未来 3 0年内 ，非常规 天然气在我 国各种能源消耗中的比重会越来越高。 采出后 的天然气进行脱水净化处理是天然气管 输工程 中的必要步骤 ，目前国内外天然气脱水技术 主要有 J T阀和透平膨胀机脱水 、分子筛脱水 膜法脱水 、三甘醇脱水 T E G脱水 和超音速 法脱水 J 。前 3种脱水工艺因系统复杂 ，或投资成 本或能耗等问题应用较少 ，三甘醇脱水工艺因其脱 水深度大 、设备简单 ，在 国内外应用普遍。但三甘 醇脱水工艺也存在系统复杂 、甘醇溶液再生过程能 耗大 、三甘醇补充和净化过程醇耗高等问题 ，与我 国石油天然气低碳 、环保和节能的发展理念严重不 符 _ 4 J 。因此 ，急需探索 一种新 的天然气 脱水 技术 以替代现用脱水工艺系统。 超音速法脱水技术的核心设备是超音速分离器 S u p e r S o n i c S e p a r a t o r ，简称 3 S ，它 是基 于天 然 气旋流在超音速喷管内绝热膨胀降温 ，以分离天然 气 中的水 气相水 和液烃 N G L 组分 的一种 新型高效设备。与传统的天然气脱水系统相比，3 s 将膨胀机 、分离器和压缩机的功能集中到一个管道 中，大大简化 了工艺过程和分离设备 ，提高了系统 运行的安全性和可靠性，特别适合陆上和海上油气 田用以分离天然气 中的水分和 N G L组分 。该技 术在国外已进人商业应用阶段 ，在 国内还处于基础 试验研究阶段 ，因此急需对超音速法脱水工艺与装 备进行研究和开发 ，建立本土的超音速法橇装脱水 装置 ，缩小与国外同行的差距。 1 天然气超音速脱水技术 将超音速脱水分离技术应用于天然气净化系统 是荷兰 T w i s t e r 公 司在 2 0 0 0年 的一 大技术应 用创 新。几年后 ，荷兰 G r o n i n g e n气 田的总工程师运用 由 S t o r k P r o d u c t E n g i n e e r i n g 提出的 “ c o n d i c y c l o n e ” 的空调专利技术原理在 阿姆斯特丹建成 了空气一 水 分离试验 台 图 1 ，并进行 了初步试验 。试 验结 果表 明，超 音 速 分 离 管具 有 良好 的分 离 、脱 水 性能。 图 1 建立在阿姆斯特丹的空气一 水分离试验 台 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷增- 3J 1 9 9 7年 ，工程师又进行 了烷烃气 的室内试验。 试验结果表明 ，超音速分离管不但能脱除天然气中 的水分 ，对烷烃类化合物也具有很强的分离能力 。 1 9 9 8年 ，工程师在 G r o n i n g e n气 田的试验证 明超音 速分离管不仅具有优 良的脱水与分离净化性能 ，而 且整个装置的压力损失也在允许范围之 内 。 图 2是 T w i s t e r 公司为马来西亚 S a r a w a k气 田设 计 的用于海上天然气净化处 理的超音速分 离管装 置 ，这也是 T w i s t e r 公 司第 1个正式投入 商业运营 的海上超音速分离管天然气处理工程项 目。该装置 采用 6个 1 ． 6 9 91 0 m ／ d的超音速分离管 ，且垂 直安装。研究表明，采用该天然气处理装置要 比原 有的三甘醇脱水处理系统节省资金达 3 0 0～8 0 0万 美元 圳 ] 。 图 2 超音速分 离管装置 国内的北京工业大学 、江汉机械研究所 、西安 交通大学 、中国石油大学及西南石油大学等单位在 超音速法脱水技术研究方面取得了一定成果 ，已申 请获得 了部分专利 ，并在基础理论研究和计算机数 值模拟方面取得丰硕成果 ，攻克 了多项关键技术 。 中石油长庆油 田分公 司采气二厂和胜利油田对天然 气超音速脱水技术进行了现场试验 ，其 中胜利油 田 海五联合站的超音速分离装置的试验表明 ，超音速 分离器干气 出口露点降最大可以达 到 3 2 ． 5℃ ，而 且当压力损失 比大于 4 0 ％时 ，干气露点 降均大于 1 0 。 相对于传统天然气脱水技术，超音速脱水技术 的优点是①设备结构简单，占地面积小，质量 轻， 没有运动部件，无需消耗任何外部动力；②免 维护，降低了运行成本；③不会形成天然气水合 物，无泄漏，不会对环境造成污染；④一次性投资 与操作维护费少，能够节省成本 1 0 ％ 一2 5 ％l 6 J 。 因此 ，超音速法天然气脱水技术是天然气脱水技术 的研究热点。 2 非常规天然气超音速脱水工艺及装 备要求 2 ． 1 超音速脱水工艺 通过分析国内外超音速分离工业发现 ，超音速 脱水工艺简单 ，设备也不复杂 ，且最大的特点是能 根据产出气 的气质条件将 5种脱水方法 ① 用天 然气自身能量进行换热脱水，②稳压沉降脱水，③ 超音速脱水 ，④ 旋流脱水 ，⑤湿气 分离脱水 有 机组合，最大化提高天然气的干度和脱水深度，达 到天然气外输标准的目的。 根据我 国非常规天然气 的气质特点 ，笔者设计 了天然气脱水工艺 ，此脱水工艺也可用于川渝地区 和塔里木气 田的常规天然气脱水处理 。图 3为非常 规天然气的脱水工艺流程。 速 管 图 3 非 常规 天 然 气脱 水 工 艺 流程 天然气超音速旋流脱水是低温分离过程 ，在人 口处安装 1个冷却器来降低湿气温度 ，降温幅度达 8 0℃以上 ，用 以提高脱水处理效果 ，冷源可以根 据工作环境选择空气或海水 。对于非常规天然气 ， 特别是煤层气和页岩气 ，湿气 中必然含有煤粉 、岩 屑等固相颗粒，设置过滤分离器的目的就是除去气 流 中带有 的液滴和 固体颗粒。湿气经过气． 气换热 器后进入超音速旋流分离器 ，经过膨胀 、降温 、气 ／ 液分离和再压缩等处理过程，将气流中的水和重 烃组分分离 ，滑脱气由液体除气装置 回收 ，与主流 干气汇合后一起进入二次分离器 中进行旋流分离 ； 分离后的干气进入气一 气换热器 中与饱和湿气换热 后外输 ，气一 气换热器的换热效果在 1 0℃以上。过 滤分离器 、二次分离器和超音速旋流分离器产生的 凝析液可以与外输气重新汇合 ，也可 以经单独的凝 析液输送管线输 出，产出水可在净化后排人海洋 ， 也可与凝析液一起输出 ，最后进行资源化处理 。 超音速旋流分离器允许在系统设计时对其空间 布局和结构进行 优化 ，系统 的布局可 以是水平 的、 垂直的 ，也可以形成橇装式超音速法脱水装置。更 2 0 1 1年第3 9卷增- lJ 艾志久等非常规天然气超音速脱水工艺与设备发展研究 为重要的是 1个液体除气装置上可安装多个超音速 分离管 ，这样可以针对不 同的进气量而选择超音速 分离管数量 ，以提高系统的处理能力 。 2 ． 2 超音速 T w i s t e r 管功能分析 目前超音速 T w i s t e r 管有 2种 ，一种是传统 结 构 ，另一种是改进结构 ，两者最大的区别是 L a ． v a l 喷管段与超音速翼 旋流叶片 的安装顺序不 同，传统 的 T w i s t e r 管 L a v a ] 喷管在进 口端 ，而改进 的 T w i s t e r 管旋流叶片在前端 。 从传热学的观点来看 ，超音速分离管主要 由 3 部分组成 图 4 L a v a l 喷管段用来增加湿气流 速，降低湿气温度，使气流中的水蒸气液化；②旋 流分离段相 当于气． 液 旋风分离器，利用高速旋流 增加流体 的离心力 ，从气体中分离液体 ；③扩压管 段用来降低气流速度，恢复部分压力。 饱和 湿 气 液体滑脱气 I 图 4 超音速 分 离管结构 图 5为改进 的 T w i s t e r 管结构 图。天然气从左 边进入 ，先通过涡流器中的旋流叶片 ，旋流叶片安 装在涡流器的最大环面处 。然后 随着 内径 的减小 ， 根据角动量守恒原理 ，切 向流速急剧增加。随着切 向速度的增加 、内径的减小 ，轴向速度也会相应增 加 ，外部轮廓 的形状类似于超音速喷管的轮廓 ，由 此产生了低温 ，气体 自此开始凝结。由于相当高 的 转动力 ，小液滴被甩向管子外壁。简单的涡流定 向 器把干燥的气体核心流和液体分开 ，滑移气体则沿 着管壁流动。在最低温度点发生分离后 ，为 了恢复 动能 ，在 2个同中心的扩压器里 ，2个支流将会再 次降速 。 图 5改进 的 T w i s t e r 管结构 1 一旋流 叶片；2 一L td v a l 喷管段 ；3 一旋流分离 段 ； 4 一 扩压 段 ； 5 一 锥形增 速 器 ； 6 一 涡 流器 。 与传 统 T w i s t e r管 不 同 的是 ，这种 高性 能 的 T w i s t e r 管使用静止转 向的叶片在管 子入 口产 生旋 涡 ，主要的改进包括由于更高的径向速度 、轴向速 度和再蒸发影响程度 的变小使分离效率增大 ，同时 还有压力降的降低 ] 。 除了入 口的转向叶片，新的设计利用角动量守 恒算 出一个 比原来设计小 的内径。经过 C F D模拟 可知 ，在这个设计里离心力被大大地提高 ，内部结 构也确保了涡流是同中心的，从而也使旋流器的分 离效率得到了提高。新的设计产生了更加稳定的流 动 ，降低 了液体从主要 出口被带走 的危险 ] 。 单个分离管的脱水能力是非常有限的 ，调节范 围约 1 0 ％ ，可以用 图 2所示 的多个 分离器达 到需 要的流量调 节范 围。T w i s t e r管是 一个 压 比装 置 ， 在应用范围内需保持 3 0 ％以下的压降，压降损失 越大则动力损失越大，对系统的安全稳定运行造成 的隐患就越大。为了使装置的脱水能力最大化 ，原 则上应在高压下使用 ，进 口压力为 7～1 5 MP a ，温 度不超过 1 6 0 _ 1 J 。对 于已进人开采 中后期 的 天然气 如西南油气 田部分气源可先进行增压 ， 再对其进行脱水处理。 2 ． 3 通用设备功能要求 天然气超音速脱 水工艺涉及 的设 备有 冷 却 器 、过滤分离器 、气． 气换热器 、二次分离器 及液 体除气装置等，现对其功能要求进行分析。 2 ． 3 ． 1 冷却 器 冷却器的作用是 降低进入过滤器 的天然 气温 度，冷源可以选用水或冷气。降低进口温度在天然 气低温冷凝法脱水工艺中的应用是很普遍的，在相 同的条件下可以达到更低 的露点 ，有利于提高脱水 的深度。根据天然气处理工艺要求 ，冷却器出口天 然气为 4 0～ 5 0 c I ； 2 ． 3 ． 2过 滤分 离器 过滤分离器的作用是利用滤心分离湿气中 3～ 5 m 的固体颗粒和 8 p , m以上的液体颗粒。在高 速流动条件下，细小的固相颗粒会使设备内壁产生 极大的磨蚀 ，因此进 口处设置过滤分离器对于保障 系统的长期稳定运行具有不可替代的作用。 2 ． 3 ． 3 气一 气换 热 器 气一 气换热器 的作用是使进 口天然气与输出的 低温干气进 行换热 ，可进 一步降低进 口天 然气温 度 ，并且可提高输出干气的温度 ，要求是换热后温 差在 1 0～2 0℃l l J 。 2 ． 3 ． 4二 次分 离器 从超音速分离管和液体除气装置中分离出来的 气体中还包含一些液相，二次分离器利用重力沉降 原理将这部分液体分离出来 ， 并将此液体与过滤分 离器中排出的液体和液体除气装置中的液体一并进 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷增刊 行资源化处理 。 2 ． 3 ． 5 液体 除气装 置 在分离后的液体中，还包含一些气体 ，液体除 气装置利用旋风分离原理将这部分气体分离 出来 ， 并将气体输入干气管道 。 3 结束语 天然气超音速法脱水系统是 当今天然气脱水技 术的必然趋势 ，鉴 于 国内相关科研 院所在 T w i s t e r 管数值模拟和试验研究 的技术成果 ，为了使非常规 天然气超音速脱水处理技术更加安全地进入实用阶 段 ，还有以下问题需要进一步研究 1 2种 T w i s t e r管的对 比分析。通过采用试 验研究 和理论仿真 的方法 ，从脱水 深度 、加工难 度 、适应工况及技术 成本等 因素 上对 2种 T w i s t e r 管进行适应性对 比分析 ，找出各 自的优缺点 ，为以 后的选型设计以及开发 自主品牌打下基础。 2 T w i s t e r管腐 蚀性研究。由于管输 天然气 中含有 H s和 C O 等酸性气体，与水结合反应后 形成腐蚀性酸 ，在超音速流动下极易对管内壁造成 强烈的局部腐蚀 ，因此需开展对 T w i s t e r 管 酸气腐 蚀机理 的研究 ，提出一套科学合理的防腐方案 ，并 对其进行安全评价 ，研究其安全使用寿命 ，为后续 工程维护人员制定工作程序提供理论支持。 3 T w i s t e r 管制造技术。管 内为超音速流体 ， 生产制造的精度 ，密封结构的处理 ，防腐衬里的选 材 、涂层 、修复等都是影响脱水效果 的直接因素， 若出现问题，极易造成天然气在流动过程中形成激 波 ，产生流动损失 ，缩短管材使用寿命 ，甚至造成 极大的安全事故。因此 ，需对 T w i s t e r 管管材加工 工艺和制造精度进行研究 ，制定相应的行业标准 。 4 超音速脱水工艺分析。在对 T w i s t e r 管分 离原理 、流场特性和相变特性研究 的基础上 ，开展 对超音速脱水工艺的研究 ，探 明管输参数与分离效 果 的对应关系 ，为以后合理选用脱水工艺及运行参 数提供参考。 参考文献 [ 1 ] 宁宁 ，王红岩 ，雍洪，等 ．中国非常规天然气 资源基础与开发技术 [ J ]．天然气工业，2 0 0 9 ，2 9 9 91 2 ． 胡文瑞，瞿光明，李景明 ．中国非常规油气潜力和 发展 [ J ]．中国工程科学，2 0 1 0 ，1 2 5 2 5 29 ． 何策，张晓东 ．国内外天然气脱水设备技术现状 及发展趋势 [ J ]．石油机械，2 0 0 8 ，3 6 1 6 9 7 3． 何策，程雁，额 日其太 ．天然气超音速脱水技 术评析 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ，3 4 5 7 0 7 2 ． 刘恒伟 ．超音速分离管的研发及其流动与传热传质 特性的研究 [ D]． 北京北京工业大学，2 0 0 6 ． 陈赓 良，雷 鸣 ．超音 速涡流管脱水工艺评 述 [ J ]． 石油与天然气化工 ，2 0 0 9，3 8 4 2 7 5 2 79 ． Ok i mo t o F，B r o u we r J M． S u p e r s o n i c g a s c o n d i t i o n i n g [ J ]． Wo r l d O i l ，2 0 0 2 ， 2 2 3 8 1 1 7 01 1 7 8 ． Ok i mo t o F， B e t t i n g M ， P a g e D M． T wi s t e r s u p e r s o n i c g a s c o n d i t i o n i n g[ J ]． G P A p a p e r ，2 0 0 1 ． T wi s t e r B V， Ko n g s b e r g F M C． De mo n s t r a t i o n o f T w i s t e r f o r S u b s e a A p p l i c a t i o n [ R]． R E P一0 0 0 0 0 2 1 3 0 4， 2 00 2． 宋辉，张新军，汪长永，等．天然气超音速脱水 试验研究 [ J ]．山东建筑大学学 报，2 0 0 9 ，2 4 1 5 05 3 ． 胡艳梅 ．超音速旋流分离器技术研究 [ D]．东 营中国石油大学，2 0 0 8 ． E c k P， Hu g h D ，F I Me c h E E B． S u p e r s o n i c g a s c o n d i t i o n i n g i n t r o d u c t i o n o f t h e l o w p r e s s u r e d r o p t wi s t e r [ C]． G a s P r o c e s s o r s A s s o c i a t i o nE u r o p e A n n u a l Me e t i ng p a p e r，2 0 06． B r o u we r J M，E p s o m H D， T wi s t e r B V ． T wi s t e r s u p e r s o ni c g a s c o n d i t i o ni ng f o r un ma nn e d pl a t f o r ms a nd s u b s e l l g a s p r o c e s s i n g[ R]． S P E，2 0 0 3 ． 何茂林 ．用于天然气低温脱水流程的高压气一 气冷 换器 [ J ]．石油机械，2 0 0 4 ，3 2 1 2 3 03 2 ． 第一作者简 介艾志久，教授，博士生 导师，生于 1 9 5 4年，研究方 向为油气储运装备与安全技术。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市。电话 0 2 8 8 3 0 3 7 2 0 5 。E ma i l a i z h ij i u 1 2 3 v i p ． s i n a ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 1 0 91 5 本文编辑王刚庆 ]_1J 1 ● J 1● ] ● ] ] j ] ] ] 0 1 2 3 4 I二 I二