集气站放空系统改造可行性分析

2012-09-05温立宪吕海霞曹敬敏金连城

石油化工应用 2012年12期

温立宪，许勇，吕海霞，王霄，刘佳，陈斌，曹敬敏，金连城

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西靖边 718500）

1 集气站放空系统简介

目前，集气站大多采用设计初期安装的放空分液罐对放空天然气进行初步气液分离，然后进入火炬进行燃烧处理，以实现天然气放空作业。集气站内放空作业有以下三种情况：实际生产过程中，当集气站设备出现超压，系统压力高于安全阀设置压力时，设备或管线上的安全阀将自动开启进行泄压；冬季生产过程中，由于气井压力高、环境温度低，采气管线极易出现水合物冻堵现象，此时采取放空作业降低采气管线内压力以解除冻堵；另外，部分气井随着生产周期的延长，气井能力降低，难以将井筒内积液带出，通过站内放空带液确保气井正常生产。集气站生产流程（见图1）。

集气站内放空分液罐容积为1.35 m3，主要由筒体、放空及排污系统组成，放空天然气进入分液罐中由于容积突然增大，使得放空气体流速降低，有利于气液分离，操作人员通过设备排污阀将分离的游离水排至污水罐中。气液分离后的天然气进入φ159×8高为15 m的放空直筒火炬，通过控制火炬顶部设置电子点火器将其引燃，放空分液罐和直筒火炬具体结构示意图（见图2、图3）。

集气站放空作业时应严格控制放空速度，放空天然气先经过放空分液罐进行重力沉降气液分离、丝网捕雾器拦截和聚集，分离后的天然气中水含量极低。生产实际情况表明，采用放空分液罐和直筒火炬能够满足气田开发初期集气站放空作业。

2 集气站放空系统存在问题分析

随着靖边气田天然气深入开发，气井产水量逐年增多。同时泡沫排水采气等辅助增产工艺，使得气井产水波动较大。在日常生产放空作业时，由于放空速度过快，同时气井产水量不稳定，经常出现气水分离不充分情况。高速气流携带部分油水混合物由火炬筒喷出，天然气由母火引燃，气田采出水散落在火炬筒周围，污染周边环境。出现火炬放空污染原因主要是气井生产状况发生变化，同时现有放空系统已不能适应气井生产状况变化对配套工艺的要求。具体分析如下。

2.1 气井生产状况变化

气田开发初期，气井能量充沛，产水较少，随着气田开发的不断深入，气井产水量不断增大，部分气井携液能力降低，需加注起泡剂助排生产，产水很不稳定，从而增大了操作难度，给放空系统正常运行带来很大的压力。现对A集气站生产气井产水变化进行统计。

从A集气站所辖气井生产曲线可知，开发初期呈现出压力高、产气量大、产水较少等特点，随着产气量及地层压力的降低，气井携带游离水量增大，其中4#气井最大产水为81 m3/d，最小为4 m3/d，产水波动范围明显，自2004年实施泡沫排水采气工艺后，产水在10 m3/d左右。这种不稳定产水给集气站放空作业带来很大的难度。

2.2 放空系统分离设备现状

现有放空系统核心分离设备为放空分液罐。放空分液罐为主要油水分离设备，根据气液密度差异，采用重力沉降方式达到气液分离的目的。液滴在随气流水平方向的速度u运动的同时，在重力作用下以沉降速度ut向下沉降。在水平速度u不变的情况下，液滴粒径越大，沉降速度影响越大，受水平速度影响越少，逾先分离。以气井进站压力6.4 MPa为例，说明放空天然气放空分离情况。当气井进行放空解堵作业时，6.4 MPa高压原料气经过节流阀节流后瞬时流速可达370 m/s。在高速流体的作用下，原料气中含有的游离水被拉拽成细小液体，形成气雾混合流。混合后流体在经过放空分液罐时，一方面，由于节流元件的雾化作用，使得分离器中的液滴粒径变小，受水平流速u的影响较大，受沉降流速ut影响变小，液滴通过分离器的时间变短，部分液滴来不及分离便被带出分液罐。另一方面，由于流体在顺压力梯度下流动，受到出口向上气流拉拽作用，干扰了部分液滴向下沉降运动，被带出分液罐。

另外，放空分液罐的丝网捕雾器是由f 0.25 mm的1Cr18NiTi不锈钢丝手工缠绕制成，根据相关的腐蚀研究资料表明，当溶液中的H2S质量分数为（10～200）×10-6时，该材料随着质量分数增加，表明氧化膜开始破坏，腐蚀将逐渐加剧。（1）地质研究表明，靖边气田天然气中硫化氢占0.014%～0.098%，平均约为691 mg/m3，局部含量较高，最高达到20 g/m3；（2）由于上述客观原因，随着设备服役年限增长，高矿化度游离水及含硫天然气对分液罐补雾丝网的侵蚀造成大部分丝网破损严重，其捕捉细小液滴的能力被削弱。

同时，由于放空火炬仅为φ159×8的立管，结构简单，不具备气液分离能力，若放空作业操作速度过快，高速气流携带游离水进入火炬立管的机率增大，将影响火炬的正常燃烧，轻则污染周边环境，重则导致含硫化氢天然气扩散危急居民安全。

因此，放空分液罐和直筒火炬无法满足生产放空作业需求，需对放空系统进行改进以满足放空作业需求，消除放空系统缺陷造成的安全隐患。

3 集气站放空系统改造

3.1 更换放空分液罐为双筒式闪蒸分液罐

为减少放空过程中天然气携带游离水情况，消除气体流速控制不当导致游离水进入放空火炬带来的安全隐患，近年来，新建集气站均采用双筒式闪蒸分液罐，放空天然气中携带的游离水沉积在积液包中，利用电动球阀控制闪蒸分液罐液位，进而很大程度上减少了放空气体携带游离水情况。双筒式闪蒸分液罐具体结构示意（见图4）。

放空气体从气进口进入，在导流板的作用下，气流作旋转运动，气体中的液滴向管壁聚结，并随气流一起向下进入罐体内的折流板中，折流板进一步吸收液滴的动能，减少液滴的反弹和雾化，最后向下积聚在罐体的底部积液包中。

溶解有可燃气体组份的凝液在闪蒸分液罐内实现气液分离过程；分离出的液相经排液口排出；气相则进入旋流管，沿螺旋隔板作强制旋流运动。由于强制的反复的旋流运动，气体中的液滴在离心力作用下向旋流管内壁聚结，小液滴聚集成大液滴，气量较小时，向下沉降进入罐体1的底部；气量较大时，这些聚集的大液滴，会随气流向上运动，进入固定阀罩，由于流通截面的扩大，流速降低，向下沉降落入水封液中，补充水封液。进入固定阀罩的气流，通过固定阀罩和浮动阀罩之间狭小的环形缝隙，进入其顶部的封闭空间内，使封闭空间内的压力升高，当压力产生的向上作用力大于浮动阀罩的重量时，浮动阀罩向上运动，向上运动过程中，封闭空间的容积不断扩大，减缓了向上运动的速度，随着气体流量的增加，浮动阀罩不断的向上移动，直至固定阀罩上面的通气孔被打开，气体经水封液上面的通气孔从出气口流出；气体流量变化时，通气孔的开度随着变化，此时浮动阀罩内外的压差产生的向上作用力，正好等于浮动阀罩向下的重力，浮动阀罩受力平衡，通气孔处于一定的开度。气体经水封液上面外环空间通过时，部分较大的液滴或雾状液滴在惯性和离心力作用下，冲向吸收吸附层，吸收吸附层可以有效地吸收液滴的动能，避免液滴的反弹和雾化，使液滴吸附于吸收吸附层上面，并向下流入水封液中，水封液超过一定量时，经回流管流入罐体1的底部。若不进行放空和闪蒸作业时，罐体1内的气量减少，气压降低，浮动阀罩依靠重力向下运动，支撑于支承板上，其下端沉没于水封液中，罐体处于水封状态，通过以上过程就完成了闪蒸、分液和水封阻火的作用功能。双筒式闪蒸分液罐具有集凝液闪蒸、可燃气体分液、气体阻火的水封功能于一体的优点，它节省材料，占用场地面积小，结构简单，成本低，利用率高。在通常情况下罐体压力为常压，只有在集气站进行放空作业或者在分离器排液过程中才承压存液，设备本体上安全阀的起跳压力设定为2.5 MPa，有效地保证了设备安全运行。

3.2 更换直筒火炬为旋风式气液分离型火炬

为解决直筒火炬放空过程中携带液体严重的问题，经调研论证，选用旋风式气液分离型火炬代替原有直筒火炬。改型火炬的本体是由渐缩的筒体组成，放空天然气沿底部直径最大的筒体切向进入火炬内部，切向进入的天然气受筒体器壁的约束由上向下作螺旋运动，由于水滴和天然气的密度差，导致游离水向心力大于气体的向心力，水滴的质量越大，向心力作用效果越明显，从而实现气体和水分的进一步分离，分离后的气体由顶部排出，由母火引燃。同时，放空时打开火炬底部排污阀门及时排放分离出的污水，避免了积水过多导致天然气携带水对火炬燃烧的不利影响。RH-II型火炬结构（见图5）。

旋风式放空分液火炬核心设备为旋风分离器，放空天然气在旋风分离器内的运动情况（见图6）。

分离因数KC是反映旋风分离器的重要指标，它表示离心沉降速度与重力沉降比值，分离因素表示如下：

其中uT为切向速度，R为轴心距。以50 m/s放空速度核算旋风分离器Kc值（R为0.33 m），计算Kc得为770，即在6.4 MPa气井放空解堵时，旋风分离器的分离效率为重力分离的770倍。

4 集气站放空系统改造效果评价

为了评价集气站放空系统的可行性，选取双筒式闪蒸分液罐+旋风式气液分离型火炬配套的放空系统和放空分液罐+直筒火炬配套的放空系统进行效果评价。

4.1 现场采用双筒式闪蒸分液罐+旋风式气液分离型火炬放空系统

为评价双筒式闪蒸分液罐气液分离效率，必须对其进出口水含量进行测定，鉴于气井放空过程中天然气含水量较多，成分复杂，不能满足目前仪器测量及化学测量天然气水含量方法必要条件，通过对放空系统由双筒式闪蒸分液罐与旋风分离器配套组成的B、C、D、E集气站冬季生产放空带液情况进行统计来评价双筒式闪蒸分液罐的分离效率（见表1）。

表1 双筒式闪蒸分液罐运行情况统计表

从表1可知，双筒式闪蒸分液罐的气液分离效率在85%以上。从现场生产情况来看，旋风式放空分液火炬出口天然气处燃烧充分，未有液体喷出，认为放空过程中的携带液体已在上游分离设备中分离完全。

4.2 现场采用放空分液罐+直筒火炬放空系统

为了评价放空分液罐的分离效率，选取产水量较大的4#试验气井进行，利用进站总机关放空针阀控制放空速度，分别在放空分液罐及旋风式放空分液火炬底部排放污水，具体试验流程（见图7）。

在进站总机关处放空带液1 h，火炬底部排污约1.7 m3污水，集气站内放空分液罐排污约为2.3 m3。通过对A集气站的实验分析，已燃烧的天然气中游离水含量近似为零，而通过计算η=2.3/（1.7+2.3）×100%=58%，即就是放空分液罐的气液分离效率仅为58%，由此验证了采用放空分液罐+直筒火炬的放空系统由于放空分液罐的分离效率低已不能满足目前生产的需要。

通过上述实验及统计分析，由于双筒式闪蒸分液罐气液分离效率在85%以上，加之配套使用旋风式放空分液火炬能够完全消除放空携液环境污染问题。