油田伴生气轻烃回收过程中低温分离法的使用

油田伴生气轻烃回收过程中低温分离法的使用摘要：油田天然气中重组分(C3及以上烷烃)含量较多，燃料气系统各级处理过程中，脱除液量大，原有设计流程为排放至平台闭排后，通过火炬系统燃烧放空。本着节能降耗，增产增效的思路，对天然气处理流程进行改造，增加液烃回收流程，以实现对这部分轻烃的有效回收利用，提升油田生产效益，降低轻烃对于原油流程的干扰，同时降低油田生产管理风险。关键词：油田；伴生气；脱除；重烃；对比1低温分离技术应用油田燃料气处理系统主要为透平发电机提供燃料，燃料气来源为本平台产出的伴生气，伴生气经天然气压缩机加压至3600kPaG、冷却至40°C后，进入燃气储罐除去液滴，天然气在压缩、冷却处理过程中由于压力、温度的变化会有液烃析出，原有设计流程为排放至平台闭排罐，通过火炬系统燃烧放空。由于轻烃是宝贵的化工原料，在我国有着巨大的市场空间，本着节能降耗，增产增效的思路，计划增加轻烃回收流程，以实现对这部分轻烃的有效回收利用，同时降低轻烃对于原油流程的干扰，提高油田燃气系统轻烃回收利用率。冷剂制冷法。冷剂制冷法主要指由外部单独设置的冷剂系统为伴生气的冷凝提供冷量，即冷剂系统与伴生气之间相互独立，无直接关系，因此其工艺流程主要为凝液回收与分离、冷剂循环两部分组成。冷剂系统可以是机械制冷也可以是压缩制冷等。根据冷源的利用情况，可以是单级制冷、多级串联制冷和阶梯式制冷。膨胀制冷法。膨胀制冷法多用于气体存在较大富余压力的场合，如高压管输气接入城市燃气管网时富余的压力。高压气体通过节流阀或膨胀机等膨胀制冷设备时，由于焦耳一汤姆逊效应温度显著降低，由于焦耳一汤姆逊效应在低温下温降更加明显，所以往往设置与冷凝物换热而预冷单元后再进入多级膨胀设备。温降幅度主要取决于气体温度和压力。膨胀机的制冷效果好于节流阀，但膨胀机投资较大且受到滞液量的限制。油田产出物由于受到安全性和产能的作用，产出的伴生气的压力较低，且平台空间有限，因此该方法对油田伴生气来说不太适应。（3）联合制冷法。联合制冷法，即将冷剂制冷法和膨胀制冷法联合起来。一般来说，先通过冷剂制冷法将高温气体的温度降低下来，即预冷，当降低至一定温度后，再利用节流阀或膨胀机等降压膨胀制冷，此时温降深度将大幅提高。两者提供的冷量情况和预冷深度等需要经过综合对比后方可确定。该方法即要求伴生气有一定的富余压力，又需要一定的空间和设备布置冷剂制冷相关设备，因此在油田的应用极少。2吸附分离吸附分离主要是利用吸附剂存在的极性化学键而具有的选择性吸附性能。对伴生气中不同烃类物质的吸附容量不同，实现各组分的分离。这种方法最初主要用于气体净化方面。随着吸附技术的不断发展，特别是合成沸石分子筛的研发，吸附分离技术发展进程得以加快，并在石化、环保等行业得到广泛应用。其中，变压吸附（PSA）、变温吸附（TSA）和模拟移动床（SMB）分离方法成为应用主流［5］。变压吸附分离最早于1960年被发明，整个工艺在常温条件下实现分离，主要是利用固体吸附剂对伴生气中烃类的吸附量随压力升高而提高的特性，而进行的增压吸附，降压再生的分离技术。3膜分离技术膜分离脱重烃工艺是近年来逐步发展起来的新型净化技术，结合固体催化转化技术，克服了传统分离技术分离不彻底的难题，充分发挥集成工艺的优势，可应用于不同领域，因此具有明显的技术优势和发展前景。该技术主要是利用薄膜的表皮层中存在的大量非键合材料组织的毛细管孔，伴生气通过这些管孔的流动主要是自由分子流、筛分机理和表面流等共同作用的结果。当伴生气在压力的作用下穿透薄膜时，不同组分的渗透速率不同，表现出不同的传递特性，渗透速率强的组分往往为待脱除的组分，这里主要是重烃组分。气体膜分离法作为一种新型分离技术，其流动分离过程非常复杂，总体来说其分离机理可以由Knudsen扩散、表面扩散和分子筛共同作用的结果。4超音速分离法超音速分离器法作为一种新型分离工艺，主要利用伴生气在超音速喷管内绝热膨胀降温（由于在喷管内停留时间极短，可看作为绝热）后，在高速旋流的作用下将气体与凝液分离出来。相比于传统的分离手段，由于设备简单、无转动单元、能量消耗低、占地面积小等，大幅简化工艺流程，并提高系统工作的可靠性和安全性。特别适合于空间有限、安全要求高的油气田的气体分离，降低伴生气的烃露点和水露点，为透平燃烧提供稳定可靠的气源和海管的安全经济运行提供策略。伴生气超音速分离技术的核心部件为拉伐尔喷管，伴生气在自身压力作用下在渐缩段加速至音速附近，颈部时达到音速，然后进入渐扩段，气体流速进一步提高，实现超音速。根据能量守恒，气体内能转化为动能，此时温度和压力急剧降低，气体中的重烃在低温条件下很快被冷凝成细小液滴，最后在旋流离心力的作用下被“甩”出来，实现分离。一般情况下，为了深度脱重烃，在超音速分离器前设置预冷冷却器，同时将进料伴生气与分离后的低温干气换热，进一步降低进料伴生气的温度同时提高空气温度。依托燃气储罐本身缓存能力，在罐内实现轻烃和水的重力分异，对液相出口管线进行改造，在排液调节阀下游新增至天然气海管管线，当燃气储罐液位上涨高于调节阀设定值后，调节阀打开，储罐内液烃进入天然气海管外输，在储罐底部出口与正常排液出口之间加装油水界面液位计，手动排水控制油水界面，实现对燃气储罐的轻烃回收。若实际中要求严格得脱水脱重烃深度，则需要配备相应的冷剂循环流程和设备，将大幅增加工程投资和成本。吸附分离法目前较为常见的是分子筛吸附分离，主要用于深度脱重烃，而制约该方法在油田应用的因素主要是同时需要两个及以上吸附塔切换操作，一个用于吸附，另一个用于再生。若处理量较大时，设备占地面积大，投资大，再生能耗和操作成本高。另外，吸附剂存在一定的损耗，适用寿命较短，需要经常更换，因此在油田的应用方面存在局限性。膜分离技术和超音速分离技术是近些年发展起来的新型分离技术。膜分离技术需要伴生气具有一定的压力穿透薄膜，分离精度高，目前在海水淡化、气体净化领域均有成熟的应用。超音速分离技术作为一种简约、经济、安全可靠的脱除工艺，特别适用于油田伴生气的脱烃处理。结语油田伴生气能否有效利用直接受到应用场合经济性的制约。我国油田伴生气主要用途为透平发电和海管外输，其对气质均有一定的要求，在实际中需要脱除液烃，保证安全生产和可靠运行。目前，已形成几种相对成熟的脱重烃方法，各方法具有一定的适用场合和条件。低温分离法对油田来说，主要用于深度较浅的脱水脱重烃，难以适应深度脱除；吸附分离法需要配置尺寸较大的吸附塔，另外再生能耗大，吸附剂寿命短等因素制约其在油田的应用；膜分离技术和超音速分离技术作为新型的分离方案，由于结构紧凑、占地面积小、操作费用低，特别适用于油田伴生气的重烃脱除，具有广阔的发展前景。参考文献：祁亚玲，宋东辉，汪贵