小型天然气冷冻脱水装置优化研究

刘 鹏，肖智光，张 弛

(中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司川西北气矿， 四川 江油 621700)

目前常用天然气脱水技术包括三甘醇脱水法和分子筛脱水法[1]。其中当存在轻质油时，三甘醇脱水法会有一定程度发泡倾向，有时需加入消泡剂，该方法适用于处理量较大的场合；分子筛脱水法要求水露点低，适用于需要深度脱水的场合，且对于大型天然气冷冻脱水装置，其设备投资和操作费用高[2-4]。由于三甘醇脱水法和分子筛脱水法脱水成本较高，因此不适用于需要就地处理非含硫天然气的小规模井场、孤井和边远井。

为此，根据冷冻脱水原理，本文设计了小型天然气冷冻脱水装置并开展了现场试验，根据试验结果对装置存在问题进行了分析，并进行了优化改造和再次现场试验。

1 技术原理

天然气冷冻脱水工艺是利用外供冷源，采用低温分离法将井场产出的原料气进行脱油、脱水，使天然气含水量、烃露点符合商品天然气质量指标和管道输送要求[5-7]。

考虑多组分不同分子间的相互作用，天然气状态方程采用三参数(立体型)形式表示：

(1)

Z3-(1-B)Z2+(A-3B2-2B)Z-(AB-B2-B3)=0

(2)

其中：

(3)

(4)

kij=kji

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：P为气体压强；R为气体常数；T为气体绝对温度；V为气体摩尔体积；A，B为状态方程系数；a，b为分子引力系数；kij，kji为二元交互作用系数；Z为气体压缩因子；xi，xj为气相i和液相j的摩尔分数；TCi为临界温度；PCi为临界压力；ωi为偏心因子；Tri为对比态温度；ai，bi,αi为与温度有关的参数。

上述立体型状态方程同时适用于气液两相，因此可利用此方程计算P-V-T状态参数。对于天然气中的水、重烃，存在以下关系：

PE=f(T)

(10)

式中：PE为对应温度下的饱和蒸气压。由状态方程可知，通过降低天然气介质温度，可实现水、重烃冷凝，达到脱水、脱烃的目的。

2 原小型冷冻脱水装置

根据冷冻脱水技术，设计小型天然气冷冻脱水装置，所有设备、仪表与管线全部成橇组装，整个装置呈小型化。

2.1 工艺流程

原小型冷冻脱水装置工艺流程图如图1所示。经井场过滤机械杂质、分离游离液后的原料气进入冷冻脱水脱烃橇原料气进口，之后进入干气复热换热器进行预冷，再进入冷凝器冷却至设定温度，并在冷凝器中分离出冷凝液，冷却后的天然气进入分离器进一步分离出游离液，气相进入复热换热器，复热后排出脱水脱烃橇，此时净化气中水、烃露点满足要求，进入外输管网。

图1 原小型冷冻脱水装置工艺流程图

冷凝器和分离器底部排出的冷凝液经手动排出脱水脱烃橇至井场凝结水管网，冷冻脱水橇所需冷量由橇内专用制冷系统提供。

原冷冻脱水装置包含输气系统、冷凝系统、自控系统和排污系统，为两级换热、两级分离。经过旋风分离的原料气进入冷凝系统，先经过一级换热器进行初次冷凝气、水分离，分离出的水进入旋风分离器底部，由分离器外接排污口排水。一级换热器由二次冷凝处理后的天然气进行降温，同时达到了节能减排的作用，换热温度约10 ℃。

此后，初次冷凝气再进入二级冷凝设备，二级冷凝设备由两组换热器组成，这两组换热器切换工作，轮流除霜，防止管道堵塞。在换热器中天然气被冷却至-5～0 ℃，冷凝出的水由真空泵进行抽空排至旋风分离器底部，脱水后的净化气经过一级换热板块进行换热，换热处理的净化气温度回升，通过外输天然气接口与下游管道连接。

2.2 设计参数

设计处理量为834 m3/h，日处理量约为2×104m3，设计压力为4.0 MPa，装置尺寸为3.5 m×2.4 m×2.6 m；经过冷冻脱水装置处理后，装置出口水露点比最低环境温度低5 ℃，设计能耗为3.8 kW，其中冷凝系统所用制冷剂为二氟一氯甲烷，载冷剂为乙二醇溶液。

3 现场试验

为了测试原冷冻脱水装置整体性能，在白马2井进行了现场试验。在试验过程中，记录压力、水露点、产水量和耗电量等关键参数。试验结束后，根据试验数据对装置在白马2井的适应性进行分析。

3.1 白马2井情况简介

白马2井属小规模井场，主要处理白马2井及其外围气井、茂源气井来气，日处理量约2×104m3。

3.2 试验方案

2016年4月开始试运行，2016年7月底停止运行。井站所有来气通过站内分离计量后，依次经过预过滤器、聚结器，再进入冷冻脱水装置进行冷凝脱水，最后输往邛羊线。

3.3 试验结果及分析

1)产水量分析。根据运行数据及自带计算软件，测算出理论出水量约1.43 kg/h，约合30 kg/d，而白马2井实际产水量约3 kg/d。分析原因：冷凝液分离及排液系统设计不合理，导致分离水未及时排放且又随脱水后的天然气一起带入冷冻脱水装置，在复热装置处重新气化，从而使冷凝液再次回流入旋风分离器，分离效果差。

2)水露点检测。水露点测试发现，露点仪检测数据与实际值存在10 ℃～15 ℃偏差；人工检测得出，脱水后干气水露点比最低环境温度低10 ℃，满足设计要求。分析原因：仪表风不稳定、装置散热效果差、在线水露点检测仪精度差，造成设备运行不稳定。

3)能耗分析。运行期间，平均电压380 V，平均电流10 A，功率3.8 kW，按0.9元/(kW·h)折算，电费约0.01元/m3。

4)排污控制系统。控制系统对设备温度、压力进行监控，在存在异常情况时能实现连锁停机。但是缓冲罐、旋风分离器排污阀均为手动，需人工进行排污操作，如果排液不及时，将影响水露点。

从3个月的运行情况看，原小型冷冻脱水装置技术上可行，但试运行期间问题不断，表现出排污系统设计不合理、冷凝器效率低、整体散热差和热交换效率低等方面问题，导致无法连续稳定运行。

4 小型冷冻脱水装置优化

针对白马2井试生产出现的问题，对原小型冷冻脱水装置的原料气冷却换热和干气复热方式、撬装尺寸、整体散热和排污系统进行了优化改造。

4.1 工艺流程优化

优化后的小型冷冻脱水装置采用一级换热、两级分离方式，原料气直接与制冷机组进行低温换热，提高了换热、分离效率，同时脱水后的净化气与压缩机制冷产生的热量进行热交换，保护了压缩机组。优化后的工艺流程图如图2所示。

原料气通过流量计量仪计量后进入冷凝器降温冷凝，并在冷凝器中分离出冷凝液，完成一次分离。一次分离后的低温天然气直接进入低温分离器完成二次分离。两次分离后的低温天然气进入制冷压缩机组下部安装的板式复热器，利用制冷压缩机组制冷产生的热量对低温天然气进行复热，使所有制冷量只用于克服过饱和水的相变，实现了能量的最佳利用。复热后的天然气进入热箱，与热箱内乙二醇溶液进行热交换后通过调压阀进行减压，净化气经在线露点仪测量后，含水量、烃露点满足要求即可进入外输管网。

4.2 装置尺寸优化

为保障有效散热、方便检修，同时使线缆布局规整，对撬装尺寸进行了适当放大，尺寸增大至7.5 m×2.3 m×4.5 m；设计压力增大至6.4 MPa。

4.3 装置设备优化

1)为加强装置散热效果，采用大功率风机增强降噪房内外空气对流，有效降低撬内温度，避免设备高温停机。

2)排污控制系统增加液位高、低位监控，排污阀改为气动和电动，提高了气液分离效果，确保水露点达标，降低了人工操作强度。

3)增加远程监控、维护和远程程序升级功能，实现无人值守。

5 优化后现场试验

为测试优化后的小型天然气冷冻脱水装置整体性能，在蓬莱4井进行现场试验。

5.1 蓬莱4井情况简介

蓬莱4井为孤井，井口套压6.4 MPa，油压5.3 Pa，天然气不含硫，产气量为1.4×104m3/d，产水量为30 m3/d。

5.2 试验方案

2017年5月开始试运行，2017年7月结束，连续运行2个月。试验开始后，开启进气阀门，调整流量和压力，使进口参数达到预设数值，其余流程由装置系统自动完成。在试验过程中，记录压力、节点温度、产水量、流量和耗电量等关键参数。试验结束后，根据试验数据对装置在蓬莱4井的适应性进行分析。

5.3 试验结果及分析

各节点温度和运行参数如图3和4所示。由图可知，制冷机组工作正常，冷箱温度稳定，板式复热器复热效果较好，但因下游用户用气量的影响，导致原料气流量波动，处理量未达到设计值。

图3 蓬莱4井小型冷冻脱水装置节点温度记录

1)产水量分析。根据运行数据及自带计算软件，测算出理论出水量约1.43 kg/h，而实际产水量约0.1～1.5 kg/h，与理论计算结果接近，表明小型冷冻脱水装置经过优化后达到了预期效果。

图4 蓬莱4井小型冷冻脱水装置运行参数记录

2)水露点检测。2017年5月19日和7月19日进行净化气水露点检测，水露点分别为-2 ℃和3 ℃，露点降达34 ℃，达到天然气二类气质标准。

3)能耗分析。运行期间平均电压380 V，平均电流10 A，功率3.8 kW，按0.9元/(kW·h)折算电费约0.015元/m3，处理成本较低。

优化后的小型冷冻脱水装置在蓬莱4井的现场试验结果表明：天然气露点降达34 ℃，装置产水量达1.5 kg/h，取得了良好的脱水效果，且装置整体运行平稳、连续，解决了因散热不佳和排污不畅而引起的问题。

6 结束语

本文针对白马2井原小型冷冻脱水装置存在排污系统设计不合理、冷凝器效率低、整体散热差和热交换效率低等方面问题，对该类装置原料气冷却换热和干气复热方式、撬装尺寸、整体散热和排污系统进行了优化改造，并在蓬莱4井对优化后的装置开展了现场试验。试验结果显示，优化后的小型冷冻脱水装置整体运行平稳、连续，处理后天然气露点降可达34 ℃，装置产水量达1.5 kg/h。