拖车式油田PSA制氮增产设备的研制

2022-07-11郑富林黄涛李建奎于凤丽赵杰

石油和化工设备 2022年6期

郑富林，黄涛，李建奎，于凤丽，赵杰

（山东恒业石油新技术应用有限公司，山东东营 257000）

油田经过多年开采，地层亏空严重，稠油油田原油粘度大，流动性差，不易开采，原油产量逐渐下降[1-3]。针对上述问题，需要向地层注入能量，常规方法之一为注入一定压力的常温氮气，以增加地层能量，实现途径为：通过某种气体制备方法，获得高纯度（约95%-99%）氮气，经过压缩机的增压，将压力升至25MPa～35MPa左右，将约35～45℃温度的氮气注入地层，提高地层能量，以达到原油增产目的[4-9]。

油田氮气增产的氮气制备技术路线有变压吸附法（PSA）、膜分离法、低温法等。前些年，油田氮气增产领域使用较多的设备是膜分离制氮-增压车，运行较为稳定，但是一台制氮增压车的购置成本约为700～800万，且维护保养非常昂贵，膜管的采购周期长，究其原因在于作为核心制氮部件的膜管主要依赖进口品牌，例如PRISM、UBE、GENERON、MEDAL等，且膜管对压缩空气的洁净度要求非常高，会增加压缩空气处理的工艺流程复杂度[10-13]。近年来，由于国际形势有所变化，我国在诸多领域面临“卡脖子”的难题，不能再单纯依赖进口膜管完成氮气制备。与此同时，我国以碳分子筛为代表的吸附剂技术不断取得突破，性能达到甚至超过进口碳分子筛，为我国自研PSA制注氮设备奠定了基础[14]。由于PSA法制氮设备购置和维护成本较低，涉及部件全部国产化，纯度较高等特点，在原油增产市场的占有率逐年升高，引起了各方重视。然而，PSA法制氮设备的容器体积庞大，如何更好地撬装化设计并符合道路运输尺寸限制，同时使之适应油田现场频繁运移、低温大风等苛刻工况，成为设备研发人员需要重视的课题。

1 制注氮设备设计

根据现场需求调研分析，笔者提出PSA900-95%-35Q型油田制注氮设备，设计性能指标如表1：

表1 主要设计性能参数

1.1 工艺流程及工作原理

制注氮设备的工艺流程如图1所示，空气由空压机（CA-01）空滤吸入机头，压缩成压力为1.0MPa的压缩空气，后流经四级过滤器（F-01～F-04），去除压缩空气中绝大部分的粉尘、水滴、油滴，末级过滤精度为0.01μm&0.01ppm，达标后的洁净压缩空气进入缓冲罐（TK-01）缓存，流经成对工作的吸附塔（AK-01和AK-02，AK-03和AK-04），吸附塔内的吸附剂通过气动角座阀（VL-01～VL-08,VL-11～VL-18）周期性地开启和关闭控制吸附-均压-解吸动作（见表2），从而制备纯度95%的氮气，氮气流经吸附塔顶部出口后汇集至缓冲罐（TK-02），经过滤器（F-05）除尘，氧分析仪（AI）完成纯度检测，流量计（FT-01）完成计量，此时若氮气纯度不合格，将由截止阀（VJ-01）放空，若氮气纯度合格（≥95%），氮气则被吸入氮气增压机（CN-01），压力由0.8MPa升至35MPa，完成氮气注入井下增产前的制备流程。

图1 工艺流程图

吸附塔工作时成对存在，AK-01和AK-02的动作时序如表2所示，另一对吸附塔（AK-03和AK-04）动作时序与前者相同，只是启动时间滞后25s。吸附动作时，气动角座阀VL-01/05打开，解吸动作时VL-08打开，均压时VL-03/04打开，双塔交替吸附完成制氮动作。

表2 吸附塔动作时序表

1.2 设备结构组成与特点

图2 结构布局图

结构组成方面，空气压缩机单独成撬，置于平板车鹅颈上；缓冲罐、吸附塔、氮气增压机、控制柜、变频柜等成撬后，置于平板车的低平板处，两撬之间软管连接；整撬总宽度2.5m，上车总高4m，符合《GB1589-2016》对半挂车限宽2.55m、限高4m的外形尺寸要求[15]。

功能特点方面：1）防喷防粉化：结合工程实践设计了专用的吸附塔内件，防止吸附剂随气流飘出；吸附剂顶部采用椰棕垫压紧，可补偿吸附剂沉降；2）防风砂抗低温：整撬设计保温层罩壳，上翻门结构，下翻门兼用巡检踏步；3）操作巡检便利安全：空气压缩机控制柜、制氮机控制柜、增压机变频柜等操作面板在俯视图L侧，操作巡检方便；空气压缩机冷却器热排风、消音器富氧排空和设备排污朝向W侧，增压机热排风朝向撬顶，符合HSE管理要求。

成本方面：综合考虑购置成本和使用维护成本，PSA制注氮法成本是膜分离制氮的一半左右，更为重要的是，可有利避免在油田制注氮技术领域被国外“卡脖子”现象的发生。

1.3 关键部件选型

本设备选用国产碳分子筛，型号HT1，性能参数如下：氮气产能e=500Nm³/(h·t)@95%&0.85MPa，空氮比2.0，堆比重n=660～680Kg/m³；

碳分子筛用量和吸附塔容积计算：氮气体积流量Q=900Nm3/h，分子筛用量M=Q/e=900/500=1.8t=1800kg，单个吸附塔有效容积v=M/n/4=1800/670/4=0.67m³；

空压机选型：空气需求量Qd=2.0*Q=2×900/60=30Nm3/min，选用双级喷油螺杆空压机型号S200(VV-D-N-10)，排量34.5Nm3/min，排气压力1.0MPa，风冷，电机额定功率200kW；

增压机选型：V型往复活塞式，型号VF-1.7/8-350，吸气压力0.8MPa，排气压力35MPa，风冷，四级压缩，电机额定功率185kW；

牵引车选型：鹅颈平板运输半挂车，驱动形式6×4，上牌吨位34t，长×宽×高=13m×2.5m×1.6m。

2 试验结果分析

2.1 全性能试验分析

由于本装置配备齐全，在增压机排气端安装阀门，调整开度模拟负载的前提下，完全具备全性能试验条件。大气压101.3kPa&环境温度25℃时，空压机排气压力、制氮排气压力、氮气流量、氮气纯度、增压机排气压力的试验数据如表3所示。试验结果表明，当空压机排气压力为0.9MPa时，制注氮设备的增压机排气压力达到35MPa，氮气纯度95%以上，氮气流量均值约928Nm³/h，达到了设计指标要求。

表3 制注氮设备试验数据

2.2 制氮排量-纯度变化规律

氮气纯度是本套设备的关键参数之一，研发人员对不同纯度下该制氮机的制氮流量进行了测试。如图3所示，氮气排量随氮气纯度的升高而降低，且纯度为95%、96%、97%条件下，氮气流量变化不大；当氮气纯度高于97%后，氮气排量急剧下降，纯度98%时流量为570Nm³/h，纯度99%时流量为450Nm³/h。分析原因，当氮气纯度高于97%后，影响制氮能力的另一因素空氮比起到更大作用，因为空气压缩机型号未变，较低的压缩空气供应严重限制了氮气的制备，说明该条件下压缩空气供应量不足。此外，本套设备不能一味地降低流量而提高纯度，由于氮气增压机为定频电机，氮气流量过低会导致压缩后的氮气温度超温报警，影响增压机的正常运转。