天然氣超聲波脫水技術

天然氣超高壓技術天然氣中含有大量飽和蒸汽。在天然氣的收集和處理中，蒸汽很容易形成液態水。液態水容易與烴結合形成天然氣水合物(冰狀結晶固體),引起管線、節流閥、各種閥門以及儀表堵塞,降低天然氣的產量和管線輸送能力,增大動力消耗,嚴重影響正常生產,甚至造成停產事故。另外,液態水容易溶解CO2、H2S等酸性氣體,形成具有強腐蝕性的酸液,引起管線和設備腐蝕。現有的天然氣脫水技術包括J—T閥和透平膨脹機、三甘醇脫水技術和分子篩脫水技術,其中應用最廣泛的是三甘醇脫水技術。三甘醇脫水系統包括分離器、吸收塔和三甘醇再生系統。存在的主要問題是:系統比較復雜;三甘醇溶液再生過程的能耗比較大;三甘醇溶液會損失和被污染,因此需要補充和凈化;三甘醇與空氣接觸會發生氧化反應,生成有腐蝕性的有機酸,所以三甘醇脫水的投資和運行成本比較高。天然氣超音速脫水技術是2000年由Shell(殼牌)公司引入天然氣領域的新型脫水技術,它利用天然氣在超音速狀態下的蒸汽冷凝現象進行天然氣脫水,在熱力學原理和系統構成上與傳統的天然氣脫水方法有顯著的區別。天然氣超音速脫水將膨脹機、分離器和壓縮機的功能集中到一個管道中,大大簡化了脫水系統,提高了系統的可靠性,降低了脫水系統的投資、運行費用和環境污染。開展天然氣超音速技術的研究和應用可以緊跟國外天然氣脫水的技術前沿,徹底改變現有天然氣脫水系統復雜、體積大、操作復雜、污染大、運行費用高的不足。為此,中國石油集團科技發展部于2003年立項,由江漢機械研究所與有關單位聯合開展天然氣超音速脫水技術的研究。天然氣超音速脫水技術發展狀況從1997年起,殼牌石油公司開展了天然氣超音速脫水技術的研究,包括基礎理論研究、數值模擬、實驗室研究和現場試驗研究。基礎理論研究和數值模擬研究主要在荷蘭的埃因霍恩科技大學等幾所大學、StorkProductEngineering公司和Shell的研究機構中進行,發展了一些描述分離器內部復雜流動的分析和數值模擬工具。Shell公司于2000年與Beacom風險投資公司合資成立了專門研究和推廣這項技術的TwisterBV公司。1998年,在荷蘭的Zuiderveen進行了500×104m3/d規模的現場試驗。該試驗的進口條件是11MPa和40℃,分離器內部的參數是3MPa和-45℃,出口條件是8MPa和30℃。1999年初,在荷蘭的Barendrecht安裝了一套試驗設備,用于研究富天然氣的處理。2000年11月在尼日利亞的試驗裝置開始運轉,成功地將85×104m3/d的天然氣脫水到管線要求的標準。共測試了6個不同的管,探索了超音速脫水技術在富天然氣中的應用。在尼日利亞的實驗水露點降低22～28℃(進氣溫度為20℃時,出口氣體的露點為-2～-8℃)。這些現場試驗驗證了天然氣超音速脫水系統長期穩定工作的能力,并在實際應用中不斷地改進,所有的研究都取得了滿意的結果。超音速天然氣脫水技術在國外已進入商業應用。第一個商業化的脫水系統于2003年12月在馬來西亞的B11海上平臺上安裝。該脫水系統包括6個超音速分離器,每個分離器的處理能力約為280×104m3/d,總處理能力接近850×104m3/d(有備用分離器),該氣田富含H2S、CO2等非伴生氣,壓力降達25%～30%,出口水露點達10℃,大修時間可達20000h。該系統運行穩定,可靠性高,還節約投資和操作費用3～8千萬美元。國內在這方面的研究較少,江漢機械研究所與有關單位目前已經進行了基礎理論研究以及計算機數值模擬研究工作,取得了一系列階段成果,突破了幾項關鍵技術,該項目預計在2006年7月投入現場試驗。技術分析1.天然氣免燒磚系統天然氣超音速脫水技術屬于天然氣脫水方法中的低溫冷凝法。核心部件為超音速分離器,其基本原理是利用拉瓦爾噴管,使天然氣在自身壓力作用下加速到超音速,這時天然氣的溫度和壓力會急劇下降,使天然氣中的水蒸氣冷凝成小液滴,然后在超音速下產生強烈的氣流旋轉將小液滴分離出來,并對干氣進行再壓縮。天然氣超音速脫水系統的進口冷卻器的作用是降低進入分離器的天然氣溫度,在相同的條件下可以達到更低的露點,有利于提高脫水的深度。氣-氣換熱器的作用是使進口天然氣與輸出的低溫干氣進行換熱,可以進一步降低進口天然氣的溫度,并且提高輸出干氣的溫度。進口分離器的作用是分離出天然氣中包含的細小固體顆粒和小液滴,減小超音速分離器的載荷和磨損。氣液分離器的作用是從分離后的液體中進一步分離出氣體,并將氣體輸入干氣系統,圖1為天然氣超音速脫水系統的簡圖。圖2為超音速分離器簡圖。超音速天然氣脫水技術為天然氣工業提供了費用低、安全和環保的脫水方法,尤其適合非經濟儲量、臨時性生產系統和海上氣體處理等領域的應用,是三甘醇脫水和透平膨脹機之后,又一革新性技術,可使投資和操作費用降低10%～25%。2.關鍵和關鍵技術分析(1)溫度差,氣體溫度高拉瓦爾噴管是一種具有精確幾何形狀的收縮-擴張管道,可以將氣流的速度提高到超音速水平,并導致溫度急劇下降。通過噴管過程中,氣體絕熱膨脹,沒有熱量損失或加入,近似于90%的等熵過程。在噴管的喉道處,速度為350～400m/s。在喉道的后面是膨脹管,氣體繼續膨脹,壓力和溫度繼續降低。到達噴管出口時,氣體的溫度與進口相比可以降低50～80℃。溫度急劇下降的過程會產生尺寸非常小的液滴,在普通的設備中,液滴的出現會導致天然氣水合物的形成,但是在天然氣超音速分離器中不會出現。由于停留時間非常短,水合物不容易形成和發展。可能是高速氣流破壞了水合物的形成,或者兩者都起一定的作用。空氣和水的試驗表明,雖然氣流的溫度達到-100℃,但是沒有結冰。水蒸氣冷凝過程中,將形成大量的尺寸非常小的液滴,并且釋放出一定的熱量,此熱量可能導致流場中出現激波,使流動變得非常復雜。(2)轉的氣流拋向管口分離系統內部流動不穩定分離葉片是一個三角形突出物,類似于戰斗機的機翼,其作用是對氣流造旋。液滴被旋轉的氣流拋向管道的壁面,形成很薄的液膜,僅幾毫米厚,通過氣液分離器(一個同軸的管子和管壁上的環形縫)將液體排出。液體被輸送到一個常規的液-液分離器。由于存在超音速兩相流動,分離系統內部的流動非常復雜。由于出現激波,流動的損失也很大。(3)氣體流速低分離后的干氣體進入擴壓器。氣體的速度又恢復到亞音速水平,自然出現弱激波,因此氣體流速降低,壓力恢復到初始氣體壓力的70%～80%。(4)單管處理工藝mm的管子內部,分離器總長3.75m。內部的尺寸可以根據實際的應用改變,但是典型的Twister的氣體處理能力為100×104～500×104m3/d。單管處理能力是一固定值,調節范圍約10%,可以用多個分離器達到需要的流量調節范圍。Twister是一個壓比裝置,在應用范圍內可以保持30%的壓降,進口壓力可降低。為了使裝置的優勢最大化,原則上應在高壓下應用,進口壓力為7～15MPa。3.天然氣直接脫水技術(1)天然氣超音速脫水系統比較簡單,需要的設備少,易形成橇裝系統。由于天然氣高速通過脫水系統,因此在相同處理能力下,其體積較小。(2)天然氣超音速脫水系統沒有大的轉動部件和化學處理系統,其可靠性很高,日常維護很少,允許在最苛刻環境中運轉,易實現無人職守。(3)天然氣超音速脫水技術利用天然氣本身的壓力工作,能夠在瞬間啟動和停止工作,并且不需要大量的外部能源供應。(4)工藝工程中不添加化學藥劑,如甲醇、乙二醇、三甘醇,避免了化學品對環境的危害。(5)天然氣超音速脫水系統投資少,操作方便,可靠性高,不需外加動力,故其運行費用低。應用前景國外基本采用單井集氣脫水工藝流程,脫水后的干氣進入集氣管線。我國的氣田多使用多井集氣工藝,天然氣采氣管線的壓力一般在10MPa以上,經過節流降壓至4～8MPa后進入集氣管線。為防止輸送和節流過程中生成水合物,常采取加熱、注醇和低溫分離等措施。天然氣超音速脫水技術容易形成體積小、質量輕、成本低、可靠性高的脫水橇,并可以充分利用天然氣的壓力能,因此非常適合單井集氣工藝的井口、多井集氣工藝的集氣站的天然氣脫水,取代加熱、注醇、低溫分離和三甘醇脫水等系統。對于長距離管線和天然氣處理廠,這項技術可能的用途包括2個方面:①對于氣溫比較高的地區(如四川),經過天然氣超音速脫水系統處理后,天然氣的水露點可滿足外輸的要求,因此可以替代傳統的脫水系統。②對于氣溫比較低的地區,替代的方式有2種:在氣溫較高的季節(春、夏、秋)