海上自升式平台伴生气液化回收方案

孙延国，韦晓强，黄国良，余捷，王连佳

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

国外小型天然气液化流程主要采用天然气膨胀循环、制冷剂膨胀循环和混合制冷剂循环的制冷方法。美国爱达荷州国家实验室开发的小型天然气液化装置利用输气管网的压差能量来液化天然气。ABB Lummus Global 公司设计了2种小型天然气液化流程，其中1种将标准的制冷系统与透平膨胀技术相结合，其制冷系统由丙烷制冷系统和透平膨胀机制冷系统构成；另1种为双膨胀制冷循环流程，该循环利用等熵膨胀制冷原理，通过2个相互独立的制冷齐膨胀循环提供冷量来液化天然气。Kryopak公司在考虑经济性和可靠性的基础上，对设计小型和中型液化天然气装置提出了3种不同的制冷流程，Kryopak EXP流程、KryopakPCMR流程和Kryopak SCMR流程。Hamworthy是首先在欧洲提供小型天然气液化装置的厂家之一，所制造的小型天然气液化装置已在挪威运行，其小型天然气液化流程的能量由封闭的氮膨胀循环提供[1]。我国海上油田伴生气在回收利用方面仍处于起步阶，回收装置不够成熟[2]。天然气净化工艺种类很多，而且新技术也不断应用于工业生产。一般常规天然气净化技术的工艺流程长、占地面积大，而且设备复杂、投资和操作费用较高，不适合用于滩海油田伴生气的净化。一些具有设备简单、体积小和机动性强等特点的橇装天然气净化设备被用于边远地区天然气的净化，设备采用了包括变压吸附[3](PSA)、膜分离[4]和旋转喷雾干燥[5](SDA)等技术。为此，考虑空间布置、结构强度、公用设备能力、液化设备接口，以及现场作业工况等因素，分析某自升式平台加装小型伴生气液化回收装置的改造方案，以期在扩展平台功能的同时实现液态产品的生产、储存、吊装转运的一体化。

1 工程方案

实际情况，对渤海某自升式平台的钻杆堆场进行清理和改造，将试采期间的伴生气由取气点取出，经过净化工艺及液化工艺流程后，将产生的LNG及NGL放入储罐中存储，方案的工艺流程见图1。同时新增1台双燃料主发电机为液化工况工艺设备提供电力，布置应急发电机单独为新增水雾喷淋泵等消防设备提供应急供电。

图1 方案工艺流程

2 技术方案

2.1 平台布置

伴生气液化装置、液态产品储存罐箱及天然气/柴油双燃料发电机组布置见图2。

图2 改造后二层甲板布置示意

经计算，新增水雾喷淋系统及固定式干粉灭火系统设备功率将增加192.25 kW，超出平台原应急发电机组的能力，因此须配备应急发电机组及应急配电系统。布置见图3。

图3 改造后设备甲板及二层工程房顶部布置示意

2.2 取气点分析

典型的火炬气回收系统位于所有装置总管连接的主火炬总管的下游和总管压力大体上不随载荷变化的某一处。结合标准API 521(2014)第5.7.11.4条对火炬气回收的建议，确定在火炬管汇上进行取气。规范中推荐的保证火炬管网压力方案有3种，取气流程方案对比见表1。

表1 取气流程方案比选表

方案二在火炬与分液罐之间增加先导式安全阀和PV控制阀以控制放空气体走向。

2.3 净化工艺

2.3.1 脱酸性气体

用于伴生气脱除酸气的方法有溶剂吸收法、物理吸收法、氧化还原法和分子筛吸附法。目前广泛应用溶剂吸收法和分子筛法，对比见表2。

表2 脱酸方案对比

2.3.2 脱水

伴生气脱水工艺方法对比见表3。

表3 脱水方案对比

2.3.3 脱汞

伴生气脱汞主要有两种工艺：HgSIV分子筛吸附法和浸硫活性碳吸附法。本方案使用浸硫活性碳吸附法，通过汞与硫产生化学反应生成硫化汞，硫化汞被活性碳吸附，从而脱除气体中的汞。

2.3.4 脱重烃

重烃在进入深冷液化之前必须脱除干净，否则会在深冷换热器内结冰而产生冻堵。脱重烃可采用活性炭吸附法、降温冷凝分离法、填料塔洗涤法。

活性炭吸附法一般针对重烃含量低的原料气，重烃含量高的原料气使得吸附负载太大，导致需要体积过大的吸附塔，且吸附再生周期短，因而不适合用此法。

降温冷凝分离法原理是将原料气降温至-60 ℃左右，重烃成为液态从伴生气中分离出来。该方法比较适合原料气中重烃含量低的情况，另外，降温分离法不能将重烃脱得很干净，对于重烃含量高的原料气，重烃会在深冷换热器内积累而导致冻堵。

填料塔洗涤法脱重烃原理是将原料气降温至-20 ℃以下，所分离出来的液体被用作洗涤液，返回填料塔的顶部向下流动，原料气从塔底部进入向上流动，通过逆流接触，原料气中的重烃在填料塔内被脱出，从塔底排出。洗涤法能高效、彻底地脱除重烃，且得到的重烃产品重组分含量高。

某自升式平台工作的油田伴生气属湿气，C3+烃类含量较高。综合考虑，选择MDEA吸收法脱除酸性气体、分子筛脱水、浸硫活性炭脱汞、及洗涤法脱重烃。

2.4 液化工艺

目前广泛应用于小型LNG装置的液化工艺有膨胀机制冷循环和混合冷剂制冷循环。

膨胀机制冷循环是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现伴生气液化的流程，流程中的关键设备是透平膨胀机。根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程、氮-甲烷膨胀液化流程，带膨胀机的液化流程比较适合产能较小的伴生气液化装置，应用较多的是氮气膨胀液化流程。

根据表4分析，依据同规模在陆地上使用的装置，选择C3/MRC混合冷剂液化流程。

表4 液化方案比选表

2.5 配电系统配置

经计算，液化工况，新增电力负荷613.2 kW，在应急工况，应急新增负荷192.25 kW，原平台的主发电机组合应急发电机组的预留功率无发满足新增电力负荷需求。综合考虑平台改造成本，电网稳定性，新增双燃料主发电机1台，为液化工况工艺设备提供电力，新增应急发电机1台，为液化工况应急设备供电。

2.5.1 主发电机组

主发电机组方案对比见表5。

表5 主发电机组方案对比

方案二独立供电、资源利用合理、模块化设计、改造工作量小，优势明显。故新增1台伴生气/柴油双燃料发电机组及其主配电系统。

2.5.2 应急发电机组

应急发电机方案对比见表6。

表6 应急发电机方案对比

方案二独立供电、造价低、模块化设计、改造工作量小，优势明显。故新增1台应急机组及其应急配电系统，该应急发电及应急配电系统专门用于新增消防系统和火气探测系统和照明的供电。

2.6 罐箱选型及布置优化分析

管道输送是最为常见也是最为方便的一种输送方法，主要在陆上进行天然气的运输。受限于技术、资金等因素的影响，海上天然气管道的长度受到制约[6]。在油田试采作业期间，油田伴生气量相对较小、平台作业地点离岸较远，伴生气通过管道回收经济性差，根据某自升式平台空间及实际运行情况，方案采用罐箱的储存方式。

罐箱的选型及布置应考虑：伴生气日处理量；转运周期；起重机最大吊重；占甲板面积；甲板载荷校核。

起重机配置需求的影响是罐箱选择的重要因素。方案采用依托平台原有吊机进行装卸作业，成本为最低，且采用20 in罐箱，重量较轻，甲板载荷小，安全性好。

3 结论

1)扩展了某自升式平台的功能，形成集采油、储油、伴生气液化回收为一体的多功能集成平台。

2)充分依托平台现有起重机的吊重能力及覆盖范围，在不更换起重机的前提下实现伴生气液化装置及LNG罐箱的优化布置；新增供配电系统采用天然气/柴油双燃料发电机组，充分利用伴生气资源，实现资源优化配置。

3)新增消防系统、应急配电系统的模块化设计，独立成系统，最大程度减少了对原平台的改造，罐箱式存储便于吊装且可重复利用。