海上平台超壁厚低温分离器选型分析

曹浩明，蔡广远，谭红莹，王振伍，穆家华，左勇胜

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋油气平台开发过程中，作为商品或长距离管道输送，通常对天然气烃露点进行适当控制，这就需要平台上设置烃露点控制系统，其关键设备就是低温分离器。因烃露点控制工艺的需要，低温分离器一方面要承受较高的设计压力(高达10 MPaG以上)，另一方面也要承受较低的设计温度(低至-55 ℃)。高压低温设计工况限制了容器的选材，通常选择低温碳钢(09MnNiDR)。国内主流供货商反馈09MnNiDR超厚钢板加工制造难度非常大，焊接冲击合格率低，导致低温分离器的采办和制造均存在非常大的风险，根据国内加工制造工艺，厂家建议钢板厚度最好不超过90 mm。在设备设计压力和设计温度确定的情况下，容器直径是影响壁厚的最重要因素，直径越大，容器壁越厚，因此若要控制设备壁厚，就必须在控制容器直径方面上进行重点研究。

文章以某海洋平台烃露点控制系统设计为例，对低温分离器内件选型和设备尺寸进行分析探讨。

1 项目概况

南海某气田处理后的天然气外输至路上终端，为满足下游用户需求及保证长输管道的输送安全，需要对天然气进行脱水和脱烃处理，烃露点控制指标为-5 ℃，因此在海洋平台上设置了烃露点控制系统，包括冷却器、J-T阀、低温分离器和凝析油输送泵。作为烃露点控制系统的关键设备，该低温分离器的功能为气液两相分离，采用立式容器，需处理的天然气气量为1 000×104Sm3/d，设计压力为8.65 MPaG，设计温度为-40 ℃，容器材料为09MnNiDR。

2 几种不同内件立式气液两相分离器介绍

气液分离器的核心是气液分离元件和除雾装置，主要包括：重力分离器/分离罐、聚结分离器、叶片型分离器、金属丝网分离器、轴向旋流气液分离装置和筒形过滤元件。已有的国内海洋油气处理平台上，金属丝网分离器应用较普遍，纯重力分离器和聚结分离器也有应用。叶片型分离器和轴向旋流气液分离装置因受制于内件专利限制，制造厂家较少，在海洋油气平台应用较少，但因其分离效率较高、尺寸较小、综合成本较低，同时也可以与其它的气液分离元件或除雾装置进行组合，以适应不同的使用条件和工艺要求，成为国外近几年发展最快的分离器型式。表1为三种典型分离器性能对比。

表1 几种分离器气液分离性能对比表Tab.1 Comparison of gas liquid separation performance of several separators

从表1可看出，轴向旋流高效组合内件分离器在处理能力、分离效率和操作弹性等方面均明显优于常规分离器。

3 不同内件形式对低温分离器尺寸和壁厚的影响

气液两相分离器直径计算公式[2]为：

(1)

式中:Q——处理气量；K——设计常数，取决于分离器不同的内件形式，同时也受操作条件影响；ρL——液体密度；ρg——气体密度。

项目按照普通丝网分离器、聚结分离器和轴向旋流高效组合内件分离器(入口叶片+丝网+轴向旋流管，下同)三种分离器类型分别计算容器尺寸和壁厚，结果见表2。

表2 三种分离器对比Tab.2 Comparison of three kinds of separator

从表2可看出普通丝网分离器直径最大，壁厚也最厚，达到100 mm，聚结分离器直径为丝网分离器的85%，壁厚为丝网分离器的80%；高效内件组合式分离器直径为丝网分离器的71%，壁厚为丝网分离器的66%。

从09MnNiDR超厚钢板加工制造和焊接冲击工艺难度上来看，丝网分离器因壁厚达到100 mm，焊接冲击良品率低。聚结分离器和轴向旋流高效组合内件分离器钢板厚度低于90 mm，主流厂家可以生产，同时轴向旋流高效组合内件分离器的壁厚更小，焊接冲击合格率更高。从计算结果也可以看出，因轴向旋流高效组合内件分离器尺寸小和钢板厚度薄，其设备重量仅为26 t，远低于丝网分离器的61 t，大大降低了设备布置空间和重量，对于布置紧凑的海洋平台来说，空间和重量尤为关键。

轴向旋流高效组合内件分离器既解决了该低温分离器遇到的09MnNiDR超厚钢板加工制造和焊接冲击合格率低的问题，又大大降低了布置空间、设备重量和平台承重，因此，选择该类型分离器作为本油气平台烃露点控制系统的低温分离器。

4 轴向旋流高效组合内件分离器

轴向旋流高效组合内件分离器是近几年发展较快的新型分离器，有以下三种分离元件：叶片形入口装置、丝网除雾器和轴向旋流管。该分离器同时具有聚结分离器、旋流管除雾器和立式分离器的优点，其特点为：结构紧凑、占地面积少、气体处理能力强、效率高(气液分离达99%以上)、高液体处理能力和操作弹性大。

叶片形入口装置对入口流体进行初级气、液分离，具有承受较高进口动能、良好的气体分布和达到95%液体分离效率；丝网除雾器，安装在叶片形入口装置和轴向旋流管之间，当气体负载系数为0.25 m/s时，除雾器将会被淹泛没，这时它具有聚结器的作用，增加通过除雾器的液滴尺寸，并促进旋流管中的气液分离；当气体负载系数小于0.01 m/s时，旋流管的分离效率降低，这时除雾器则具有非常好的除雾作用；轴向旋流管是一种轴向旋流除沫装置，可使流入旋流管的流体产生加速涡流旋转，在离心力的作用下,液滴穿过气流移动，直到与旋流管壁碰撞和聚积，并完成了液滴的分离和气流的除雾过程。

5 结论

海洋平台受制于空间布置特点，往往对设备尺寸要求较高，故占地面积小且处理高效的设备更适合应用在海洋平台上。由于海洋油气行业开发工业更注重设备的成熟性和工艺处理的安全可靠性，常规金属丝网分离器和聚结分离器在目前的海洋油气平台中的应用更为广泛。

轴向旋流高效组合式内件分离器具有气液分离效率高、处理量大和操作弹性高等特点，能够较好的应用在对尺寸、重量和布置空间要求较高的海洋平台上，尤其适用于烃露点控制系统中的低温分离器。

更为关键的是由于降低了容器的直径，故而大幅降低了容器壁厚，所以从源头上解决了09MnNiDR低温超厚钢板加工制造难度大和焊接冲击合格率低的问题，避免了工程制造难题，大大降低了工程造价。

随着我国海洋油气工业逐步走向深水油气田的开发，天然气露点必将成为天然气处理和外输的重要指标要求，作为烃露点控制的关键设备——低温分离器必将会越来越多的应用在天然气处理工艺流程中。为解决低温超厚钢板加工制造难度大和焊接冲击合格率低的问题，建议推广高效分离内件在低温分离器上的使用，比如轴向旋流高效组合内件式分离器，以缩小容器尺寸，降低容器壁厚，从源头解决工程实际问题。