海上平台低压天然气回收及控制技术研究

马磊

[摘    要]现役海上平台开采原油的同时会有大量的伴生气一同开采出来，目前伴生气的处理方式主要有3种：输送至陆地终端处理厂、供平台燃气透平燃烧、平台火炬放空。为响应国家低碳排放的号召以及从能源回收利用的角度出发，开展平台低压放空天然气的回收工艺及控制技术研究。低压气的回收基于文丘里效应，由高压气带动低压气，实现低压气的回收利用。为保证低压气回收的稳定，回收过程采用PID控制技术，在线整定控制参数，确保回收过程的安全稳定运行。

[关键词]海上平台;天然气回收;PID控制

[中图分类号]TE95 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）04–00–03

Research on Recovery and Control Technology of Low

Pressure Natural Gas on Offshore Platform

Ma Lei

[Abstract]A large amount of associated gas will be mined together when crude oil is mined on the active offshore platform. At present， there are three main treatment methods of associated gas， namely， transportation to the land terminal treatment plant， combustion of platform gas turbine and venting of platform flare. In response to the national call for low-carbon emission and from the perspective of energy recovery and utilization， research on the recovery process and control technology of low-pressure vent natural gas on the platform is carried out. The recovery of low-pressure gas is based on venturi effect， and the high-pressure gas drives the low-pressure gas to realize the recovery and utilization of low-pressure gas. In order to ensure the stability of low-pressure gas recovery， PID control technology is adopted in the recovery process， and the control parameters are set online to ensure the safe and stable operation of the recovery process.

[Keywords]offshore platform; natural gas recovery; PID control

目前海上油田设置油气水处理流程，地层开采的原油经过海上工艺处理设备进行脱水、脱气处理后输送至陆地终端处理厂进行进一步的處理，多余的伴生气主要有3种处理办法：①经过燃气洗涤罐脱水干燥，经过燃气压缩机加压处理后供海上燃气透平使用;②处理合格的天然气经过混输海管输送至陆地处理厂进行处理，然后接入供气管网，供用户使用;③多余的伴生气经火炬分液罐脱水处理后放空燃烧。为了积极响应国家关于“节能减排、降本增效”的号召，不断对生产流程进行探索、调整、优化，开展海上油田天然气回收利用研究。

1 平台现状分析

渤海某平台通过生产流程及控制技术优化等手段，很大程度上降低了天然气的放空量，但是目前火炬仍有一定气量的放空。经过现场流量计显示，火炬放空量大约为1.4万m3/d，放空天然气来源主要包括以下5个部分。

（1）电脱入口分离器分离出的天然气。经生产分离器处理的原油（300～350 kPaG）经过原油加热器升温至80 ℃后，进入电脱入口分离器（40～60 kPaG），溶解在原油中的天然气在压力下降后析出，分离出的天然气进入火炬分液罐放空，放空量约为1万m3/d。

（2）原油缓冲罐。来自天然气处理系统燃气洗涤罐，用于调整容器压力，起到密封和稳压的作用，气量约0.05万m3/d。

（3）斜板除油器密封气。来自天然气处理系统燃气洗涤罐，用于调整容器压力，起到密封和稳压的作用，气量约0.05万m3/d。

（4）燃气洗涤罐放空的天然气。燃气洗涤罐接收生产分离器分离出的天然气，对天然气进行除液、稳压，为天然气压缩机提供稳定的气源。由于混输海管段塞流严重，导致生产分离器分离出的天然气量不稳定，燃气洗涤罐压力波动。为了向天然气压缩机提供稳定的气源，流程设计通过压力调节阀调整天然气放空量来确保天然气压缩机入口压力稳定，放空量约为0.2万m3/d。

（5）燃气接收罐放空的天然气。燃气接收罐接收经天然气压缩机压缩的高压天然气和其他平台输送过来的高压气，进行除液、稳压，为透平机组提供稳定的燃料气。由于高压天然气量较稳定，故通过压力调节阀放空的天然气量较少，约为0.1万m3/d。表1为各系统天然气放空量统计。

2 回收方案研究

根据某平台目前流程现状，对天然气放空回收做如下可行性分析：

电脱入口分离器火炬放空：根据生产流程实际情况，四台电脱入口分离器从放空压力调节监测显示均有部分天然气到火炬系统放空，且放空调节阀的开度相对比较平稳，放空量约为1万m3/d。

原油缓冲罐覆盖气：来自天然气处理系统燃气洗涤罐，用于调整容器压力，起到密封和稳压的作用，目前覆盖气出口调节阀开度较小，但是仍有部分放空，因此考虑进行低压气回收;斜板除油器密封气：由于斜板除油器距离新增射流装置较远，且处于运行状态的四台斜板除油器覆盖气放空阀开度较小，且含有一部分水蒸气，可能会对天然气压缩机及透平造成影响，放空量较小，故可暂时不考虑回收此部分天然气。

燃气洗涤罐放空的天然气：燃气洗涤罐接收生产分离器分离出的天然气，由于混输海管段塞流严重，导致生产分离器分离出的天然气量不稳定，燃气洗涤罐压力波动。为了向天然气压缩机提供稳定的气源，流程设计通过压力调节阀调整天然气放空量来确保天然气压缩机入口压力稳定，目前实际操作压力为210 kPaG，根据现场实际观察和中控压力调节阀开度显示，在0～50 %频繁波动，对于回收存在一定难度，回收后的气体对射流装置压力系统将会产生较大影响，从而影响平台原有燃气系统稳定，此处气体可考虑暂时不做回收。

燃气接收罐放空的天然气：燃气接收罐操作压力为3 200 kPaG。由于高压天然气量较稳定，故通过压力调节阀放空的天然气量较少，约为0.1万m3/d。从新增射流装置流程稳定考虑，對于回收存在一定难度，回收后的气体对射流装置压力系统将会产生较大影响，从而影响平台原有燃气系统稳定，故此处气体可考虑暂时不做回收。

为进一步降低天然气放空量，平台火炬放空低压气回收的对象主要为电脱入口分离器降压后分离出的天然气和原油缓冲罐的天然气。低压气回收后，火炬仍有部分放空，能满足火炬最小放空量0 m3/d的要求（平台火炬有长明灯流程），低压气回收具备可行性。平台准备回收低压气约1万m3/d，但考虑到后期其他新油田的加入，射流器及其管线、容器再预留1万方/天的处理能力，按照2万m3/d回收能力进行设计，见表2。

目前的回收技术以增压压缩机回收为主，该技术应用成熟，可选择的压缩机形式较多，但前期投资较大，平台改造工作量大，后期操作维护成本较高。本次低压气回收采用射流装置，低压气回收流程图如图1所示，新增射流装置的入口气分别为平台高压气以及回收的低压天然气，通过文丘里效应由高压气带动低压气，实现天然气的回收利用。

射流装置应用于低压天然气回收，相比增压压缩机具有比较明显的优势，见表3，但是射流增压装置在海上平台应用也有其局限性：①要有足够流量的高压天然气引射低压天然气，一般来讲高压天然气压力是低压气的5倍以上才能实现低压介质的增压需求。其专业名词：引射比指回收低压气流量与所需高压气流量之比。一般情况下，引射比为0.2以上较为经济，但不绝对，还需要根据具体工况和需求来确定;②低压天然气增压能力受限，即升压比，指射流增压后混合气体压力与低压天然气压力的比值。一般情况下，升压比小于7，在3.5左右最为经济;回收后的天然气有明确的去处，或者进入燃料气系统或者再增压后进入海底管网外输;待回收的低压气压力、流量相对稳定。

本次研究的相关数据参数满足射流回收的要求，因此采用射流增压技术进行平台低压气的回收利用。回收工艺流程如图2所示。

低压气的回收控制共分为两部分：①生产流程的控制;②紧急关断系统的控制。生产流程控制采用经典的PID控制模式，检测射流装置低压气入口管线的压力值，设定低报警点为10 kPaG，高报警点为300 kPaG，设定点为30 kPaG。相关信号接入平台中控系统，在中控组态画面进行工程整定，设置PID调控的各项参数，经现场反馈射流器运行平稳，能够有效地回收平台富余低压气。

由于天然气属于易燃易爆的危险气体，因此生产流程上设置紧急关断系统，由压力变送器、紧急关断阀构成，基于安全仪表系统相关规范要求，紧急关断系统的压力检测装置不应与过程控制系统的压力检测装置工用，因此在低压气入口管线设置单独的压力变送器，用于检测低压气入口管线的压力高高低低报警值。当低压气入口压力值达到低低设定点50 kPaG时，考虑低压气管线泄漏工况，此时由中控的紧急关断系统触发关断指令，关断低压气入口关断阀。当低压气入口压力值达到高高设定点300 kPaG时，考虑低压气管线超压工况，此时由中控的紧急关断系统触发关断指令，关断低压气入口关断阀。射流器出口设置压力变送器，检测到压力值到低低报警点50 kPaG时，考虑管线及设备泄漏工况，需要关断射流器出口关断阀，同时也要关闭射流器高低压入口管线上的关断阀，以保证平台的安全生产。当射流器的高压气入口关断阀以及出口关断阀采用同样的控制逻辑，实现对低压气回收流程的应急保护功能。

4 结术语

海上低压天然气回收及控制技术，成功实现了平台富余低压天然气的回收利用，在很大程度上降低了平台放空量，积极响应国家和总公司降低碳排放的号召，且在一定程度上了缓解了冬天燃气需求量突然增加导致的气荒。该项回收控制技术已经逐步趋于成熟，且已经逐步在海上平台得到推广应用，具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程电气、仪控、通讯设计[M].北京：石油工业出版社，2007.

[2] 石油化工安全仪表系统设计规范[M].北京：中国计划出版社，2013.

[3] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计概论与工艺设计[M].北京：石油工业出版社，2007.