天然气超声波脱水技术

天然气超声波脱水技术

天然气超高压技术天然气中含有大量饱和蒸汽。在天然气的收集和处理中，蒸汽很容易形成液态水。液态水容易与烃结合形成天然气水合物(冰状结晶固体),引起管线、节流阀、各种阀门以及仪表堵塞,降低天然气的产量和管线输送能力,增大动力消耗,严重影响正常生产,甚至造成停产事故。另外,液态水容易溶解CO2、H2S等酸性气体,形成具有强腐蚀性的酸液,引起管线和设备腐蚀。现有的天然气脱水技术包括J—T阀和透平膨胀机、三甘醇脱水技术和分子筛脱水技术,其中应用最广泛的是三甘醇脱水技术。三甘醇脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。存在的主要问题是:系统比较复杂;三甘醇溶液再生过程的能耗比较大;三甘醇溶液会损失和被污染,因此需要补充和净化;三甘醇与空气接触会发生氧化反应,生成有腐蚀性的有机酸,所以三甘醇脱水的投资和运行成本比较高。天然气超音速脱水技术是2000年由Shell(壳牌)公司引入天然气领域的新型脱水技术,它利用天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行天然气脱水,在热力学原理和系统构成上与传统的天然气脱水方法有显著的区别。天然气超音速脱水将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中,大大简化了脱水系统,提高了系统的可靠性,降低了脱水系统的投资、运行费用和环境污染。开展天然气超音速技术的研究和应用可以紧跟国外天然气脱水的技术前沿,彻底改变现有天然气脱水系统复杂、体积大、操作复杂、污染大、运行费用高的不足。为此,中国石油集团科技发展部于2003年立项,由江汉机械研究所与有关单位联合开展天然气超音速脱水技术的研究。天然气超音速脱水技术发展状况从1997年起,壳牌石油公司开展了天然气超音速脱水技术的研究,包括基础理论研究、数值模拟、实验室研究和现场试验研究。基础理论研究和数值模拟研究主要在荷兰的埃因霍恩科技大学等几所大学、StorkProductEngineering公司和Shell的研究机构中进行,发展了一些描述分离器内部复杂流动的分析和数值模拟工具。Shell公司于2000年与Beacom风险投资公司合资成立了专门研究和推广这项技术的TwisterBV公司。1998年,在荷兰的Zuiderveen进行了500×104m3/d规模的现场试验。该试验的进口条件是11MPa和40℃,分离器内部的参数是3MPa和-45℃,出口条件是8MPa和30℃。1999年初,在荷兰的Barendrecht安装了一套试验设备,用于研究富天然气的处理。2000年11月在尼日利亚的试验装置开始运转,成功地将85×104m3/d的天然气脱水到管线要求的标准。共测试了6个不同的管,探索了超音速脱水技术在富天然气中的应用。在尼日利亚的实验水露点降低22～28℃(进气温度为20℃时,出口气体的露点为-2～-8℃)。这些现场试验验证了天然气超音速脱水系统长期稳定工作的能力,并在实际应用中不断地改进,所有的研究都取得了满意的结果。超音速天然气脱水技术在国外已进入商业应用。第一个商业化的脱水系统于2003年12月在马来西亚的B11海上平台上安装。该脱水系统包括6个超音速分离器,每个分离器的处理能力约为280×104m3/d,总处理能力接近850×104m3/d(有备用分离器),该气田富含H2S、CO2等非伴生气,压力降达25%～30%,出口水露点达10℃,大修时间可达20000h。该系统运行稳定,可靠性高,还节约投资和操作费用3～8千万美元。国内在这方面的研究较少,江汉机械研究所与有关单位目前已经进行了基础理论研究以及计算机数值模拟研究工作,取得了一系列阶段成果,突破了几项关键技术,该项目预计在2006年7月投入现场试验。技术分析1.天然气免烧砖系统天然气超音速脱水技术属于天然气脱水方法中的低温冷凝法。核心部件为超音速分离器,其基本原理是利用拉瓦尔喷管,使天然气在自身压力作用下加速到超音速,这时天然气的温度和压力会急剧下降,使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴,然后在超音速下产生强烈的气流旋转将小液滴分离出来,并对干气进行再压缩。天然气超音速脱水系统的进口冷却器的作用是降低进入分离器的天然气温度,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。气-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,可以进一步降低进口天然气的温度,并且提高输出干气的温度。进口分离器的作用是分离出天然气中包含的细小固体颗粒和小液滴,减小超音速分离器的载荷和磨损。气液分离器的作用是从分离后的液体中进一步分离出气体,并将气体输入干气系统,图1为天然气超音速脱水系统的简图。图2为超音速分离器简图。超音速天然气脱水技术为天然气工业提供了费用低、安全和环保的脱水方法,尤其适合非经济储量、临时性生产系统和海上气体处理等领域的应用,是三甘醇脱水和透平膨胀机之后,又一革新性技术,可使投资和操作费用降低10%～25%。2.关键和关键技术分析(1)温度差,气体温度高拉瓦尔喷管是一种具有精确几何形状的收缩-扩张管道,可以将气流的速度提高到超音速水平,并导致温度急剧下降。通过喷管过程中,气体绝热膨胀,没有热量损失或加入,近似于90%的等熵过程。在喷管的喉道处,速度为350～400m/s。在喉道的后面是膨胀管,气体继续膨胀,压力和温度继续降低。到达喷管出口时,气体的温度与进口相比可以降低50～80℃。温度急剧下降的过程会产生尺寸非常小的液滴,在普通的设备中,液滴的出现会导致天然气水合物的形成,但是在天然气超音速分离器中不会出现。由于停留时间非常短,水合物不容易形成和发展。可能是高速气流破坏了水合物的形成,或者两者都起一定的作用。空气和水的试验表明,虽然气流的温度达到-100℃,但是没有结冰。水蒸气冷凝过程中,将形成大量的尺寸非常小的液滴,并且释放出一定的热量,此热量可能导致流场中出现激波,使流动变得非常复杂。(2)转的气流抛向管口分离系统内部流动不稳定分离叶片是一个三角形突出物,类似于战斗机的机翼,其作用是对气流造旋。液滴被旋转的气流抛向管道的壁面,形成很薄的液膜,仅几毫米厚,通过气液分离器(一个同轴的管子和管壁上的环形缝)将液体排出。液体被输送到一个常规的液-液分离器。由于存在超音速两相流动,分离系统内部的流动非常复杂。由于出现激波,流动的损失也很大。(3)气体流速低分离后的干气体进入扩压器。气体的速度又恢复到亚音速水平,自然出现弱激波,因此气体流速降低,压力恢复到初始气体压力的70%～80%。(4)单管处理工艺mm的管子内部,分离器总长3.75m。内部的尺寸可以根据实际的应用改变,但是典型的Twister的气体处理能力为100×104～500×104m3/d。单管处理能力是一固定值,调节范围约10%,可以用多个分离器达到需要的流量调节范围。Twister是一个压比装置,在应用范围内可以保持30%的压降,进口压力可降低。为了使装置的优势最大化,原则上应在高压下应用,进口压力为7～15MPa。3.天然气直接脱水技术(1)天然气超音速脱水系统比较简单,需要的设备少,易形成橇装系统。由于天然气高速通过脱水系统,因此在相同处理能力下,其体积较小。(2)天然气超音速脱水系统没有大的转动部件和化学处理系统,其可靠性很高,日常维护很少,允许在最苛刻环境中运转,易实现无人职守。(3)天然气超音速脱水技术利用天然气本身的压力工作,能够在瞬间启动和停止工作,并且不需要大量的外部能源供应。(4)工艺工程中不添加化学药剂,如甲醇、乙二醇、三甘醇,避免了化学品对环境的危害。(5)天然气超音速脱水系统投资少,操作方便,可靠性高,不需外加动力,故其运行费用低。应用前景国外基本采用单井集气脱水工艺流程,脱水后的干气进入集气管线。我国的气田多使用多井集气工艺,天然气采气管线的压力一般在10MPa以上,经过节流降压至4～8MPa后进入集气管线。为防止输送和节流过程中生成水合物,常采取加热、注醇和低温分离等措施。天然气超音速脱水技术容易形成体积小、质量轻、成本低、可靠性高的脱水橇,并可以充分利用天然气的压力能,因此非常适合单井集气工艺的井口、多井集气工艺的集气站的天然气脱水,取代加热、注醇、低温分离和三甘醇脱水等系统。对于长距离管线和天然气处理厂,这项技术可能的用途包括2个方面:①对于气温比较高的地区(如四川),经过天然气超音速脱水系统处理后,天然气的水露点可满足外输的要求,因此可以替代传统的脱水系统。②对于气温比较低的地区,替代的方式有2种:在气温较高的季节(春、夏、秋)