甲醇自动加注技术在轻烃外输系统的应用

胡建立（大庆油田建设集团有限责任公司工程公司第二工程处）

甲醇自动加注技术在轻烃外输系统的应用

胡建立（大庆油田建设集团有限责任公司工程公司第二工程处）

原油稳定装置生产的轻烃含有部分水，冬季管输时为防止出现水合物冻堵而加注甲醇。甲醇加注量过多，增加装置的物耗和能耗。为了解决上述问题，新建了一套甲醇自动加注防冻堵系统，通过对轻烃含水量的检测和轻烃输送量的综合计算，适时调节甲醇加注量，实现了既不发生冻堵，又节能的目的。每年节约甲醇148 t，节电4700 kWh，经过装置实际运行检验，应用效果良好。

轻烃输送；水合物；冻堵；甲醇；自动加注

原油稳定装置生产的轻烃通常含有0.005%～ 0.01%的游离水，冬季向外输送时，需要持续加注甲醇以防止发生水合物冻堵。甲醇加注量为统一规定的轻烃输送量的3%～5‰，每年消耗甲醇较多，约为160～170 t。为解决该问题，真正做到生产装置的节能、环保，需要在原油稳定装置内部新建一套甲醇自动加注撬装系统，在装置外输轻烃时，自动启动自适应甲醇加注系统，保证装置的安全平稳运行。

1 轻烃输送冻堵的成因

1.1 水合物形成的机理

当C1～C4的烷烃分子溶于水时，水分子将围绕着这些烷烃分子定向排列，形成不稳定晶核簇，这些不稳定簇在水合物生成过程中起着基块的作用，这段时期是水合物生成的诱导期。不稳定晶核簇一旦形成就可以迅速生长聚集形成稳定的晶核，这就是水合物的生长阶段。如果在该阶段输送的轻烃受到的扰动力、驱动力较大，作用力越强，水合物生长的速率越快[1]。

1.2 水合物形成的条件

原油稳定装置生产的轻烃含有部分C1～C4的烷烃组分，而且含水比较多。轻烃在输送管道中，当压力和温度都达到一定范围时会形成烃类水合物。烃类水合物的形成条件比较温和，通常温度范围是10℃以下，压力范围在3～5 MPa之间。水合物很容易在管道的转弯或者节流等流体出现扰动处聚集，堵塞输送管道。水合物生成的临界温度见表1。

表1 水合物生成的临界温度

2 甲醇自动加注技术

甲醇是一种无色、透明、易燃和有毒的液体，能与水和大多数有机物相混溶，遇到热、明火或氧化剂容易着火。反复接触甲醇蒸气会导致失明，甚至死亡，有一定的危险性。

南八原油稳定装置原来的2台甲醇加注泵在轻烃外输泵房内，甲醇泵为容易泄漏的柱塞泵，泄漏的甲醇在泵房内聚集，对巡检的员工有毒害性。本项目的实施，将甲醇自动加注的撬装系统置于泵房外，应用的隔膜泵是无泄漏泵，平时该撬装系统的维护量很小，杜绝了员工的中毒风险。

2.1 加注甲醇防止轻烃发生水合物冻堵的机理

防止轻烃输送时发生水合物冻堵就必须破坏水合物形成的条件，提高轻烃温度和改变流体形态都很难实现。通过加入水合物抑制剂,水合物的生成曲线可移向较低温度,经常采用的水合物抑制剂有甲醇、乙二醇和三甘醇等[2]。在工程上，甲醇是优良的热力学抑制剂，通过向轻烃内加注甲醇阻止游离水析出，能够杜绝烃类水合物的生成。

2.2 甲醇自动加注系统的工艺技术方案

在原油稳定装置轻烃外输泵房外安装甲醇自动加注撬装系统，甲醇泵的安装高度低于甲醇储罐的最低高度。该撬装系统由2台变频电动机驱动的隔膜计量泵、1套耐低温的甲醇泵控制PLC和1个变频电动机动力柜组成。甲醇自动加注系统的出口线安装手动截止阀和单流阀各1台，并碰接在原甲醇系统出口管线的单流阀后侧，与原系统并联；甲醇泵入口安装截止阀和过滤器，出口安装超压回流保护。

在轻烃外输泵房内轻烃外输泵入口前某一合适位置，安装在线轻烃含水分析仪一台，分析仪输出的轻烃含水信号引入撬装PLC内；轻烃外输质量流量计输出信号引入撬装PLC，此信号与轻烃含水量信号通过相应的函数计算出甲醇的加注量和变频电动机对应的输入频率，从而自动调节甲醇泵的加注量。改造示意见图1。

图1 甲醇自动加注系统改造示意图

2.3 甲醇自动加注系统控制方案

1）当PLC检测到环境温度不高于10℃时，启动输烃加注甲醇程序。

2）PLC读入轻烃质量流量计和轻烃含水分析仪数据，计算出轻烃内含水总量，通过甲醇水溶液的性质计算出理论甲醇加注量。其中，甲醇泵排量和变频电动机的运行频率成正比。南八原油稳定项目中选择的甲醇体积分数为65%，此时对应的凝固点约为-70℃（表2）。

表2 甲醇水溶液体积比和凝固点对应

甲醇泵的电动机工作输入频率由式（1）计算得出：

H——电动机输入频率，Hz；

F——轻烃质量流量计流量，t/h；

A——轻烃含水率，%。

3）甲醇泵的启停和轻烃外输泵启动信号与环境温度信号做与运算的输出相关联，当结果为真时，甲醇泵自动启动。

4）主甲醇泵启动失败后自动切换启动辅助甲醇泵，并输出报警信号。

5）轻烃外输泵停止3 s后，停甲醇泵。

6）如果轻烃流量或轻烃含水分析仪输入信号任意一个有故障时，则PLC向主控室DCS上输出声光报警，撬装PLC自动将甲醇加注量控制程序的输出置为最大值，即PLC控制变频电动机的频率为50 Hz，甲醇泵注入量为150 L/h，直到输入信号正常为止。

7）如果环境温度低于10℃，且轻烃泵处于运行状态，但是甲醇泵没有运行，则PLC向DCS输出报警。

8）DCS上显示甲醇自动加注系统甲醇泵的运行状态和PLC与DCS通讯是否正常状态，如果出现PLC与DCS通讯故障，则在DCS上显示声光报警，提示必须进行维修。

（9）如果PLC存在故障，而此时轻烃泵必须启动，则手动启动轻烃泵房内的备用甲醇泵。

控制逻辑图见图2。

图2 甲醇自动加注控制逻辑图

2.4 技术应用效果

甲醇自动加注系统自从2014年在南八原油稳定装置现场应用以来，从未出现过轻烃输送管线冻堵现象。按照2013年的装置物耗统计，南八原油稳定装置原来每年需要加注甲醇约160 t，本项目实施后每年只需要加注甲醇12 t左右。每年可节约甲醇148 t，节电4700 kWh，直接经济效益20余万元。

轻烃内加注的甲醇会聚集在丙烷馏分中，过量地加注会导致下游化工装置催化剂失活，间接经济效益也很大。

2.5 系统存在的问题

1）甲醇计量泵对甲醇的计量是开环的，实际甲醇的加注量是由计算得出，不能直观反映甲醇加注量。

2）轻烃输送管线可能距离很长，当环境温度下降，系统开始加注甲醇时，管线里的轻烃有可能形成烃类水合物。

3 结论

甲醇自动加注系统运用了轻烃含水率与轻烃外输流量计算出轻烃含水量，从而计算出需要加注的甲醇量和电动机对应频率。PLC通过检测环境温度和轻烃泵的运行状态自动判断是否启动甲醇泵，实现了南八原油稳定轻烃管输时能够既防止出现水合物冻堵，又可实时调节加注量。提高了甲醇加注效率，降低了甲醇的消耗，保障了原油稳定装置及轻烃管网的平稳运行。

[1]李明川，樊栓狮.天然气水合物形成过程3阶段分析【J].可再生能源，2010，28（5）：80-83.

[2]王海霞,陈保东,陈树军.输气管线中水合物的形成及预防[J].天然气与石油，2006，24（1）：29-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.017

2016-05-27

（编辑 李珊梅）

胡建立，工程师，2002年毕业于佳木斯工学院（机械设备与工艺专业），从事油田建设方面工作，E-mail：163daqing@163. com，地址：黑龙江省大庆市大庆油田建设集团有限责任工程公司第二工程处，163000。