无人值守脱水橇在塔河油田的应用

颜昌平 杨舒

1.上海明罗石油天然气工程有限公司 2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司

塔河地区的偏远井和零散井较多，采出的天然气在管输过程中容易发生冻堵，对后续压缩机等设备造成危害，大部分零散井冬季处于关闭状态，为了增产保供，决定试点建设无人值守的小型脱水站，以点带面盘活整个区域的零散井和偏远井，保障冬季天然气供应。此次试点在塔河油田托甫台工作区展开，建设TP-2零散井回收脱水工程；由于当地极限环境温度低，对天然气脱水深度要求高，因此，考虑采用分子筛脱水工艺。以往主要在联合站应用分子筛脱水装置，现场值班人员较多，因输气量大，运行成本得以摊低，安全也有保障。此次的小气量零散井回收工程从成本、脱水效果和运行安全等方面考虑，决定将分子筛脱水设备橇装化，以方便安装和后续搬迁；建成后经过试运行和各项检测，运行平稳可靠，遭遇突发状况时也有相应的安全保障措施。橇装化设计控制了建设成本，可无人值守设计降低了后期运行成本，可在塔河地区推广应用，对增产保供和提高效益具有重要的意义，可为类似的偏远井开发、零散井回收和小型处理站的建设提供参考。

1 TP-2零散井脱水概述

TP-2零散井回收工程位于中石化西北油田分公司的塔河油田托甫台工作区，夏季最高气温40.5 ℃，冬季最低气温-26 ℃。采出天然气中含饱和水及微量游离水，游离水中含CaCl2。天然气产量(20 ℃，101.325 kPa下，下同)为12×104～17×104m3/d，操作压力(G)随处理量在1.2～2.7 MPa波动。该区天然气组分见表1。

表1 原料天然气组成组分y/%组分y/%C189.27n-C50.04C24.69C6+0.00C31.37N23.93i-C40.16CO20.23n-C40.25H2O饱和i-C50.04H2S0.8 mg/m3

TP-2零散井脱水工程具有以下特点：

(1) 环境温度低，在脱水深度和防冻等方面需要充分考虑。

(2) 天然气中含有氯离子，脱出的水中必然带有氯离子，相应材料的选用应满足防腐要求。

(3) 该零散井地势偏远，处理量较小，自动化程度要求按无人值守的条件设计制造；另外，该地区有突发停电风险，应考虑相应的预防措施。

(4) 根据该零散井的回收过程，3～5年后产量可能下降至不足以抵消运行成本，脱水装置可调运到附近的井场复用，因此，该装置应高度集成和紧凑，以降低运输和拆装成本。

针对上述情况，TP-2零散井脱水工程提出设计处理量为20×104m3/d，设计压力(G)为3.2 MPa，出脱水装置天然气水露点小于-40 ℃，采用橇装式分子筛脱水装置[1-3]。

2 脱水装置整体方案

2.1 分子筛脱水橇

考虑成橇紧凑性和成本控制，采用不带压缩机的两塔流程[4]，湿气等压再生，干气等压冷却；其中一塔吸附，另外一塔先再生后冷吹[5-7]。吸附：天然气自上而下通过脱水塔，所带水分被塔内的分子筛填料吸附，再经粉尘过滤器过滤后外输。再生：随着吸附过程的进行，塔内分子筛填料传质区下移，在吸附周期结束后，将吸附流程的塔切换到再生流程。橇入口处的湿气通过FV-101流量控制分出28%的设计气量作为再生气，经过冷/热气换热器和电加热器两次升温达到260 ℃，再自下而上对脱水塔吸附层进行再生。热再生气由塔顶排出，进入气/气换热器和再生空冷器，两次降温至46 ℃以下，进入再生分离器分出水相，气相则返回至吸附系统入口。冷吹：通过FV-102流量控制分出33%的设计气量作为冷吹气，自下而上对脱水塔吸附层进行冷吹，热气从塔顶排出，进入冷吹空冷器降温至46 ℃以下，返回干气外输主管。其工艺流程如图1所示。

两塔的吸附、再生和冷吹流程切换由运行周期时间而定，而运行周期的延长，一方面有利于分子筛填料的使用寿命，降低更换填料成本，减少阀门切换次数，降低切换故障风险；另一方面却会使分子筛填料单次用量增多，脱水塔的体积增大，热容量增加，整体制造成本上升。

在设计年限内，本项目的年均制造成本、年均填料成本及年均总成本与运行周期之间的关系见图2。从图2可以看出，年均总成本在运行周期为23.5 h附近最低，选择24 h作为运行周期对分子筛脱水橇进行设计，分子筛脱水橇的运行状态和阀门切换时间见表2。

表2 运行时序表运行周期/h设备状态脱水塔A塔B塔电加热器再生空冷器冷吹空冷器程控开关阀KV调节阀01A04A02A06A03A05A01B04B02B06B03B05BFV-101FV-1020～7吸附加热开运行关开关关关开关运行全开7～12吸附冷吹关关运行开关关关关开全开运行12～19加热吸附开运行关关开关开关关运行全开19～24冷吹吸附关关运行关关开开关关全开运行

2.2 特殊性问题

2.2.1含氯离子的两相流

原料气中带有微量游离水，游离水中氯离子质量浓度约4 172 mg/m3，经过脱水塔的吸附，部分氯离子滞留在分子筛填料层，同时由于产出水的稀释作用，使得脱出的水中氯离子质量浓度并没有普通采出水那么高，测得值为247 mg/m3。此处涉及两个关键问题：①接液材质；②两相流的布管[8]。氯离子环境下材料选择需要考虑的因素较多，如：温度、压力、介质危害性、酸碱性等[9]，也存在一定的争议，常见材料的对比如表3所列。

表3 材料对比表材料常用氯离子质量浓度/(mg·L-1)常用温度/℃优点缺点本项目使用经验Q345R(碳钢)≤700≤70强度大,价格低,加工焊接容易,常规材料易采购易腐蚀,介质含离子、呈酸碱性和高温等工况腐蚀加剧,通常需要考虑腐蚀裕量和油漆用于该项目地区天然气的过滤器、收发球筒等,成本低,效果好S31603(不锈钢)≤400≤90抗常规腐蚀能力较强,加工焊接容易,常规材料易采购抗氯离子腐蚀能力有限,在氯离子环境易发生点蚀,高温和较高压力场合一般不适用用于该项目地区的生产水排污罐和换热器等,换热管与管板的焊缝接头易泄漏S31803(双相钢)≤1 000≤130抗常规腐蚀和氯离子能力均较强,适用于恶劣工况材料和加工成本较高,采购量小时采购周期长用于该项目地区的换热器,经久耐用

再生空冷器入口的天然气温度在42～121 ℃呈周期性变化，在空冷器换热管中冷却产生两相流。为了提高传热效率，换热管壁通常较薄，约1.6 mm，因此，换热管与管板的焊缝焊脚高度有限，空冷器的振动、温度的频繁变化和氯离子的影响，使得空冷器换热管与管板的焊缝接头处存在较高的腐蚀泄漏风险；换热管外部裸露在空气中，与空气雨水等接触，综合工况恶劣，而空冷器又是确保运行和安全的核心设备，因此，空冷器换热管考虑选用可靠性高的S31803双相钢。

再生分离器介质温度低于46 ℃，属于常规静态设备，选用Q345R碳钢材料，设置3 mm的腐蚀裕量，同时，外部涂刷油漆进行防腐。

从空冷器到再生分离器这段管道内为气、液两相流，空冷器与再生分离器的位置布置上必须满足空冷器的出口高于再生分离器的入口，且二者之间的管道应该逐步降低，不能布置成两头高中间低的“口袋”管。

2.2.2介质高温和环境低温的矛盾

托甫台工作区最低气温-26 ℃，必须做好产出水和仪表部分的防冻措施，需要注意的是脱水装置再生部分介质温度高达260 ℃，仪表部分如压力变送器和控制阀的执行器等不能采用沿管道布置电伴热带的办法防冻，应选用耐低温型仪表头抗极端低温环境，阀体部分必须选用耐高温的硬密封阀门。再生分离器产出的水则可以通过电伴热带防冻，伴热带的设置也比较特殊：①需要预防突发停电时空冷器停转，热气窜入再生分离器，最高温度121 ℃左右；②冷吹阶段没有产生脱出的水，排水管内的水不流动，局部冻结危险性高。因此，应选用高温伴热带，提高允许暴露温度和防冻效果，电伴热布置如图3所示。

2.2.3电加热器控制系统

分子筛脱水橇的控制系统采用PLC防爆控制柜的形式集成到橇内，对整个脱水橇的运行进行控制、监测和报警；电加热器发热功率需求随电加热器进口介质温度的升高而降低，功率调节需要一套电加热器控制系统，该系统融合控制和配电，接收PLC的指令信号，通过改变电加热器的配电量调节发热功率。

电加热器控制系统存在大电流，并且目前主要用可控硅元件调节功率，该元件调节效果好，但发热量较大，需要考虑控制系统的散热。考虑以下3种方案进行比选，见表4。

表4 电加热器控制方案比选方案柜体防爆柜体材质成本/万元优点缺点评价结果方案一不需要碳钢镀塑4.3(1)室内温度低,柜体非防爆,散热容易。(2)可控硅元件调节功率准确稳定控制柜与橇块分开,不利于安装和搬迁成本低,效果好,搬迁周期预估5年,综合考虑可以选用方案二隔爆316不锈钢7.2(1)集成到脱水橇内,安装和搬迁方便。(2)无可控硅元件,发热量小(1)室外隔爆柜散热差。(2)继电器调节功率不稳定成本相对较高,且无法保证加热器的功率调节精度,不予选用方案三正压通风316不锈钢6.3(1)正压通风散热效果好。(2)可控硅元件调节功率准确稳定需要接仪表风系统偏远零散井无仪表风系统,无法采用

方案一：控制柜放在室内非防爆区，用可控硅调节功率。

方案二：控制柜放在橇块内，用继电器调节功率，并设置遮阳板。

方案三：控制柜放在橇块内，用可控硅调节功率，柜体用正压通风柜。

3 试运行

3.1 运行调试

在试运行准备阶段，先用氮气置换，同时将流量计拆卸下来吹扫前端管线，再逐渐升高系统压力至设计压力，用发泡剂重点检查法兰、螺纹接口和阀门填料函等部分[10]，确保无泄漏。

再生气量为设计值的30%左右(6×104m3/d)，氮气的定压比热容不到天然气的一半，如果考虑先用氮气将脱水塔再生后投入天然气的话，氮气需求量在12×104m3/d以上，供应难度过大。因此，用约8×104m3/d的小流量天然气进行整体联合调试和再生，调试阶段的不合格天然气导入火炬放空系统[11-13]。

3.2 模拟实验

调试合格后，对各控制、报警点进行了模拟试验，试验结果合格；并对出口天然气露点进行检测，在吸附周期快结束时的水露点为-43 ℃。

该地区有突发停电的风险，因此，对遭遇突发停电工况进行了模拟试验，在不同运行时间遭遇停电的危险程度不同，最危险的状态是一台脱水塔温度达到最高值260 ℃时遭遇停电，在最危险的状态下，模拟试验结果见表5。

表5 遭遇突发停电模拟结果停电前状态外加干预橇内危险性1 h后外输天然气温度/℃2 h后外输天然气温度/℃外输天然气最高温度/℃24 h后外输天然气水露点/℃一塔处于再生阶段末期高温状态无无3151114-295分钟内关闭高温脱水塔进出口的程控阀无303032-28一塔处于冷吹阶段前期高温状态无无243256257-285分钟内关闭高温脱水塔进出口的程控阀无313043-28

从表5中的模拟结果可以看出，遭遇突发停电时，外输天然气温度存在升高至257 ℃的可能性，后续输气管线和设备无法承受。而及时关闭高温状态脱水塔的程控阀门则可以确保安全，同时，外输天然气水露点在停电24 h后仍低于极端环境温度，给遭遇停电留出了充分的反应处理时间。

针对两种最危险的状态，决定增设一套不间断电源(UPS)，电池续航时间30 min以上，为程控阀门和PLC控制系统供电，控制柜内增设接点和程序连锁UPS，在发生停电3 min后，执行程序：关闭非吸附状态脱水塔的进出口程控阀，仅保留吸附状态脱水塔内介质的流通。脱水塔处于任何状态时遭遇停电，热量都不会被带出，可以确保后续系统的安全。

处于高温状态的脱水塔进出口程控阀关闭后，由于塔体外的保温层有100 mm厚，塔内温度下降很慢，72 h后仍有87 ℃；因此，从安全角度考虑，恢复供电后，PLC自动保持停电前的运行时间点，控制脱水橇恢复到断电前的运行状态继续运行。无论停电时间长短都没有安全隐患，但停电时间长于24 h后恢复供电，外输天然气水露点会存在一段时间不达标的状态。当然，遭遇停电后一般会安排人员巡查和外加干预，恢复供电后，如果两台脱水塔内温度都不高，也可以通过设置运行时间或者跳步功能，选择将剩余吸附能力较强的脱水塔投入吸附，另一台进行再生。

此外，停电后再生分离器存在冻结的风险，在PLC中增设再生分离器水相排空程序[14]，停电3 min后执行。水相排空程序原理：控制LV-101开度到10%，计算从开始排放到液位变送器示数50 mm的平均流量，按剩余液体的理论体积得出所需的排放时间，再通过实际排放试验设定修正系数，即在液位调节阀10%的开度下按时间排空。

4 结论与建议

(1) 无人值守设计的分子筛脱水橇能够适应塔河地区的偏远井、零散井工况，脱水效果好，成本可控，在遭遇突发状况时，安全也有保障，可以推广应用。

(2) 应结合项目地区特点，充分考虑特殊性问题，有针对性地进行优化，特别是材料、防冻和可能遇到的突发状况等，需要重点关注。

(3) 运行周期建议采用长周期，降低切换频次，减少故障风险点，同时制定合理的检修保养计划，确保程控阀、电加热器等处于良好的状态。

(4) 试运行阶段除按照投运流程规范操作外，建议进行复杂工况下的模拟试验，确保运行控制和报警的准确性，以及突发停电状况下的安全性。