苏里格气田天然气处理厂供风系统工艺设计

刘佳明

西安长庆科技工程有限责任公司（陕西西安710018）

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苏里格气田天然气处理厂供风系统工艺设计

刘佳明

西安长庆科技工程有限责任公司（陕西西安710018）

在苏里格气田的天然气生产和净化处理工艺中，配置供风系统起到了至关重要的作用，是保证天然气处理厂安全生产的前提。通过对天然气处理工艺和供风系统的分析研究，优化供风系统工艺流程，对系统中的空气压缩机、空气净化系统、PSA制氮装置以及储气罐规格参数进行详细计算，优化选型参数。提出一套适用于长庆苏里格气田天然气处理厂供风系统的设计方法，为今后相应供风系统的研究、设计和运行维护提供技术保障和依据。

苏里格气田；天然气供风系统；空气压缩机；净化风系统；变压吸附；制氮装置；空气储气罐

苏里格气田已成为中国陆上最大的天然气生产中心，截止目前，生产能力已达到230×108m3/a，主要场站包括天然气净化厂、天然气处理厂及集气站等[1]。供风系统是保障全厂工艺装置正常生产的重要生产设施，主要由空氮站提供气源，包括非净化风、净化风和氮风系统。

非净化风主要用于装置开、停工、检修的吹扫用气。用气品质要求不是很高，简单净化即可，主要要求保证一定的用气压力。

净化风主要满足生产用天然气压缩机组的启动（正常运行）、丙烷制冷压缩机组及调节阀、联锁阀等仪表用气。用气品质要求相对较高，需要后处理如干燥、除油等，以满足用户的用气品质，要求气源稳定。

氮风主要用于生产开工、停工前后吹扫、置换，凝析油、胺液、甲醇产品和甲醇污水储罐事故保护用气，不同的用户对氮气的品质有不同的要求，需要根据要求选取不同参数的制氮设备。

1 工艺流程

典型供风系统的主要设备及附件包括空气压缩机、后冷却器、缓冲罐、过滤器（包括油水分离器、预过滤器、除油过滤器、除臭过滤器和灭菌过滤器等）、干燥机（冷冻式或吸附式）、稳压储气罐、自动排水排污器及输气管道、管路阀件、仪表等。

天然气处理厂供风系统的空气经压缩、净化、除去油、水和灰尘，进入制氮装置，主要包括4部分：空气压缩系统、空气净化系统、变压吸附制氮系统和储气系统，详细流程如图1所示。

图1 天然气处理厂供风系统流程图

2 主要工艺设备

2.1 空气压缩机

空气压缩机是整个供风系统的核心部件，目前常规的空气压缩机主要有活塞式、离心式和螺杆式，主要参数对比见表1。

由以上各类供气压缩机的对比可知，螺杆式空气压缩机占地面积小，气量损耗少，产气效率高，排气量和排气压力相对较小，运行安全稳定，操作简便，自控水平高，投资和运行成本小，能够完全满足长庆苏里格气田供风系统工艺需求，故基本采用螺杆式空气压缩机。

表1 空气压缩机性能对比

2.2 空气净化系统

空压机排出的压缩空气是不干净的，除了含有水（包括水蒸气、凝结水）和悬浮物外，还有油（包括油雾、油蒸汽）。这些污染物对提高生产效率和产品质量、降低运行成本是不利的，因此必须进行除水、除油、除尘等干燥净化处理[2]。

2.2.1 净化空气质量标准

不同行业对压缩空气有不同的质量要求，具体执行标准GB/T 13277-91《一般用压缩空气质量等级》。因工艺生产需求，苏里格气田天然气处理厂净化风质量等级多为2级，即固体颗粒≤1μm，压力露点≤-40℃/0.7MPa，含油量≤0.1mg/m3。

2.2.2 干燥装置分类及原理

压缩空气干燥装置一般有吸附法、冷冻法、吸收法和压力除湿法，根据苏里格气田工艺装置对用气的品质要求主要采用吸附法和冷冻法。

1）吸附法。采用可再生吸附剂（硅胶、活性氧化铝、分子筛），利用压力变化、气体膨胀等原理，吸附空气中的水分，达到干燥压缩空气的目的。一般采用双塔式，一塔吸附时另一塔再生，自动控制，工作周期2～10min。该法可以使压缩空气露点温度达到-70～-20℃。吸附干燥压缩空气时吸附剂的再生方式有：无热再生、加热再生和微热再生。

2）冷冻法。采用R-22冷媒作为冷却剂，将压缩空气降温，使气态水和油冷却至一定的露点，一般为2～10℃（某一压力下），析出过饱和的水分，从而达到干燥的目的。冷冻法有风冷和水冷2种方式。一般如果要求氮气露点不是很低（≤-40℃），采用一级干燥机即可；如果要求氮气露点较低（≤-60℃），则需要同时配置冷冻式干燥器和吸附式干燥器。

2.2.3 空气净化流程

压缩空气净化部分组成：空气缓冲罐、前置粗过滤器，除尘过滤器，微油污过滤器，压缩空气干燥机，超精过滤器。压缩空气先由管道过滤器除去大部分的油、水、尘，再经干燥机进一步除水，精过滤器除油、除尘，并由紧随其后的精过滤器进行深度净化。

2.3 PSA制氮系统

传统获得氮气的方法主要有：深冷精馏、变压吸附（PSA）和膜制氮。根据苏里格气田天然气处理厂工艺的特点，且受投资大小、能耗高低、操作复杂程度和气体品质等影响，同时PSA制氮系统具有工艺简单、自动化程度高、运行成本低、操作维护简便的特点，因此选用PSA制氮装置能够满足工艺需求[3]。

2.3.1 主要设备

制氮主机一般由罐体、管路阀门和电控柜三部分组成，具体包括底盘、空气缓冲罐、氮气缓冲罐、吸附塔，碳分子筛、补气系统、压紧装置，气动管道阀、电磁阀、单向管道阀、过滤减压阀等阀门，可编程逻辑控制器（PLC控制器）、消音器、测氧仪、流量计、压力表等。如果要求纯度大于99.99%时，需有氮气纯化部分。

2.3.2 系统工作原理

根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取氮气。经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附[4]。由于空气动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛优先吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品氮气。然后经减压至常压,吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质，实现再生[5]。

2.3.3 工艺流程

装有吸附剂的左右2个吸附塔，压缩空气由下至上流经左吸附塔，期间O2、CO2和H2O在吸附剂表面吸附，产品氮气由吸附塔上端流出，进入氮气缓冲罐，经过一段时间后左吸附塔中的吸附剂饱和，需进行再生，再生是通过停止吸附，降低吸附塔的压力来实现的，即解析[4]。2个吸附塔交替进行吸附和再生，从而确保氮气的连续输出。其流程如图2所示。

2.4 气体储罐

储气罐主要作用首先是储气，其次还有分离凝结水、稳压等作用。当在短时间内有大用气负荷时，可由储气罐提供辅助气量补充供应，使管网中压力下降波动不大，从而使压缩机启动频率或负荷调节频率始终处于允许的、合理的范围之内，所以储气罐是整个工艺系统的重要组成部分。

图2 PSA制氮工艺流程图

2.4.1 空气（氮气）缓冲罐

空气缓冲罐一般设置在空压机之后，在进净化干燥器之前和制氮装置之前均需设置。

氮气缓冲罐主要作用有两个：一是用于均衡从氮氧分离系统分离出来的氮气的压力和纯度，保证连续供给氮气稳定[4]；二是在吸附塔进行工作切换后，它将本身的部分气体回充至吸附塔，帮助吸附塔升压，也起到保护床层的作用。

2.4.2 空气（氮气）储气罐

一般均设置在气源系统的末端、用户之前，用于储气和平衡用户管网压力波动，一般由用户根据工艺系统需求自行配备。

3 供风系统设计

以苏里格气田某天然气处理厂供风系统为例，进行供风系统设计，天然气处理厂内主要工艺装置供风量见表2。

3.1 空气压缩机

3.1.1 压缩空气站的设计容量

按工厂使用压缩空气的平均消耗量总和计算压缩空气站的设计容量，计算公式见式（1）[2]。

式中：Q1为设计容量（标况），m3/h；∑Q0为用户平均消耗量总和，m3/h；K为消耗量不平衡（最大）系数1.2～1.4；Ø1为管道漏损系数，当管道全长＜1km时,Ø1取0.1；管道全长=1.5km时，Ø1取0.15；当管道全长大于2km时，Ø1取0.2；Ø2为用气设备磨损增耗系数0.15～0.2；Ø3为未预见的消耗量系数取0.1。

表2 天然气处理厂主要装置供风量/（m3·h-1）

3.1.2 海拔、温度修正后的实态耗气量

对于地处海拔高度≥1 000m的地方，选择空压机时要考虑大气压力、温度的修正[2]。

式中：Q为压缩空气进口状态下体积流量，m3/h；Q1为在温度20℃，压力为0.1MPa时（大气压）的流量，m3/h；t为压缩空气进口环境温度（可取当地年平均气温），℃；p为压缩空气进口大气压，MPa（绝对压力）；p0为标准大气压，MPa。

一般为了不使空压机一直满负荷运转，有一定的卸载时间，有利于空压机长期有效使用，在选择空压机的排气量时，螺杆空压机的排气量一般要比计算排气量大10%～15%，活塞空压机一般比要求的排气量大20%～25%。

通过对该天然气净化厂供风量的统计计算，同时为便于设计、安装和维护管理，站内宜选用同类型的压缩机，但为适应不同负荷下的经济运行，选用3台单台排气量为17m3/min的螺杆式空气压缩机，2用1备，以便对负荷变动有较好的适应性。考虑用气点的供气压力，空压机额定排气压力选择0.8～1.0MPa，排气压力过高过低均会对系统产生一定的影响。

3.2 空气净化系统

3.2.1 净化风参数

所选天然气处理厂净化风参数见表3。

表3 天然气处理厂净化风主要参数

3.2.2 选型计算

依据无热再生干燥器的特点：在一定压力下进行吸附干燥，在常压或真空下用部分产品气逆流冲洗再生，需要消耗一定数量的产品气，一般为15%～20%左右。因此在选择设备时应予以考虑。具体计算公式见式（3）[2]。

式中：Q干为无热再生干燥器设计流量，m3/h；Q为空气压缩机容积流量，m3/h。

选型原则基本同空压机，经计算选择3台单台排气量为20m3/min的无热再生干燥器及其净化装置，2用1备，与空气压缩机一一对应，便于运行管理。

3.3 PSA制氮装置

1）氮风主要参数见表4。

表4 天然气处理厂氮风主要参数

2）制氮装置选型。根据厂用氮风的用气量和用气品质要求，氮风为间歇运行，本系统选取单台制氮量为300m3/h的PSA制氮装置一套，纯度为99.5%以上，氮气压力为0.6MPa，产品氮气露点＜-40℃。

3.4 储气罐计算

1）储气罐容积计算公式见式（4）。

其中Δp=10（p1-p2）

式中：V水为储罐水容积，m3；T0为标准状态温度，T0=273K；T2为罐内气体温度，可取环境温度，K；p1为储罐最大工作压力，MPa；p2为用户使用压力，MPa。

2）缓冲罐容积一般可估算见式（5）。

式中：V为缓冲罐容积，m3；Q为压缩空气供气量（标况），m3/min。

根据用气要求选取空气和氮气储气罐容积各为40m3。选取空气和氮气缓冲罐容积各为5m3。

4 结论

根据长庆油田苏里格气田各天然气处理厂供风系统工艺要求，空气压缩机将空气压缩后进入对应的无热再生干燥装置，根据不同的工艺要求，可生产仪表风、工厂风和制氮用风三路。生产出的仪表风进入仪表风储罐后再进入仪表风系统管网。工厂风进入工厂风储罐后再进入工厂风系统管网。从干燥器出来的制氮用风进入制氮装置生产氮气，经氮气储罐后直接输往装置区、集配区和其他单元。

通过对苏里格某天然气处理厂供风系统的优化设计和多年设计总结，该方法可推广应用于长庆油田苏里格气田其他天然气净化厂、天然气处理厂、集气站以及其他工厂供风系统设计，为供风系统的设计、建设及后期的运行维护提供科学的理论依据。

[1]刘祎，王登海，杨光，等.苏里格气田天然气集输工艺技术的优化创新[J].天然气工业，2007,27（5）:5-7.

[2]压缩空气站设计手册编写组.压缩空气站设计手册[M].北京：机械工业出版社，1993.

[3]汪治平，张波.膜制氮技术及在油气田的应用[J].天然气工业，2007,27（12）:12-14.

[4]沈光林.氮气在油田生产中的应用[J].特种油气藏,2005,12 (4)：100-102.

[5]余化，冯天照.制氮工艺技术的比较与选择[J].化肥设计，2012,50（1）:13-15.

The wind supply system plays a vital role in the natural gas production and purification process of Sulige Gasfield,and it is the assurance of the safety production of natural gas treatment plant.Through the analysis of natural gas treatment process and air supply system of the plant,the process of the air supply system is optimized,and the parameters of the air compressor,the air purification system,the PSA nitrogen generating device and the air storage tank in the system are calculated and optimized.A set of design method suitable for the air supply system of the natural gas treatment plant in Sulige Gasfield is put forward,which provides the technical support and basis for the research,design and operation maintenance of corresponding air supply systems.

Sulige Gasfield;natural gas air-supply system;air compressor;air purification system;pressure swing adsorption(PSA); nitrogen generating device;air storage tank

梅

2015-07-06

刘佳明（1984-），男，工程师，主要从事石油天然气热能与动力工程研究和设计工作。