壳式换热器
片式换热器
新闻动态
天然气透平膨胀机脱水装置的研制及应用点击：1831 日期：[ 2014-04-26 21:39:35 ] |
| 天然气透平膨胀机脱水装置的研制及应用 辛绍杰1 王建军2 李宪文2 (1·上海电机学院机械学院 2·大庆建军石油机械有限公司) 摘要：针对目前油田转油站天然气脱水使用的光管冷却器存在脱水效果不稳定、安全性能差等问题,研制了天然气透平膨胀机脱水装置。该装置主要由热交换装置、气液分离装置、天然气制冷装置和排液装置等部分组成,以天然气透平膨胀机作为制冷核心单元,利用天然气自身输送压力推动膨胀机制冷,将天然气内所含水分液化,具有脱水效果好、保护环境、方便管理等优点。现场应用表明,该装置工作性能稳定,各项指标明显优于“干燥器”,脱水效率达到91·7%,是一种非常适合油田中转站的小型脱水设备。 关键词：透平膨胀机 天然气脱水 低温分离技术 脱水装置 引言 目前,天然气脱水方法一般有冷冻法、固体干燥剂吸附法、甘醇液吸收法等3种。由于油田转油站外输湿气或燃烧湿气对脱水的指标要求不高(目前无明确的规范要求),油田各转油站广泛采用自然冷却脱水方法的光管冷却器,称为天然气“干燥器”。其工作原理是:石油伴生天然气在简易装置中流过时,利用环境温度对其降温,使气体中夹带的水、轻烃结露凝析,然后再进行排放、收集,从而达到气、液分离的目的。“干燥器”脱水虽简单,但受环境温度与风速影响很大,特别是冬春和秋冬交换期,干燥效果很不稳定,并且因结构设计、集液方式等问题还造成安全性较低。由于该设备属“三无”产品,也给现场使用、环境保护以及管理等方面带来许多问题。针对这一难题,许多单位尝试了多种办法,也开发了许多产品,都不理想,未得到实际应用。为此,自2003年初开始,李宪文和项目组成员经过调查研究,比较了10多种脱水处理方案,采用以天然气透平膨胀机作为制冷核心单元的脱水方案。2004年上半年开始系统的整体研究,并对装置核心部件———天然气透平膨胀机进行了试制,还对样机进行了模拟系统测试和全套系统联调,于下半年开发出石油伴生气的脱水专用装置。该装置充分利用了现有资源,降低了使用成本,提高了脱水效率,同时还减少了环境污染,保证了安全,方便了管理。系统设计与工艺流程 1·设计依据及工作原理 天然气组分会在不同温度环境下表现出不同状态。天然气透平膨胀机脱水装置是依据空气分离技术发展而来的低温分离技术而研制的新产品,利用油田气中多组分的冷凝温度不同,将油田气冷却到较低温度后,使水和部分轻质油冷凝,实现气、液分离。膨胀机制冷后的天然气与新进入的天然气经过换热器进行热交换,使新进入的含水份天然气温度下降到最佳冷凝温度(水的冷凝点为1~3℃),再通过设置系统流程中的分离器对天然气与冷凝水进行气、水分离,达到气、水完全分离的目的。透平膨胀机脱水装置只利用气源的压力能,无需额外能源,冷却均匀,脱水效率高,无需添加脱水吸收剂,且适应各种复杂工况环境。系统流程的设计决定脱水系统的整体功能,为了确保系统各部件发挥最大功效,合理地利用设备资源,经过反复研究和参数调整,确定了以“天然气透平膨胀机制冷,通过换热器对含水天然气换热到水分子的冷凝点,由旋风分离器将冷凝后的水与天然气分离”的方案该方案配以完善的安全防护措施和可靠的辅助设备有效地保护了核心部件膨胀机等设备的正常工作保证了系统工作的可靠性,减轻了现场工作人员的劳动强度,做到无人看守。在总体设计中主要考虑了降低膨胀比,提高制冷效率和使用的耐久性,改进了系统流程,确保了整套系统的运行可靠性。 2·工艺流程 (1)装置的组成 天然气透平膨胀机脱水装置主要由热交换装置、气液分离装置、天然气制冷装置和液体排出装置等4部分组成。 热交换装置采用的是新型氩焊板式换热器,因其不采用橡胶密封垫进行密封,故特别适用于拆卸式换热器。热交换装置在系统内的主要作用是对来自输气管线的湿气与经过冷却的干气进行热交换使来气温度迅速降低。 气液分离装置由一次分离器、二次分离器、液位指示仪和控制阀门等组成,分离器采用新型旋风分离器。主要工作原理是:需处理的气液混合气流从分离器切向进入后,在螺旋通道内以一定的速度旋转,由于离心力的作用,使密度大的固体颗粒和液滴在器壁上聚积,在自身重力和气流带动下向下运动进入积液筒,气体则由内筒上行从出气口排出,实现气液分离。一次分离器的主要作用是:对输气管线来的湿气进行粗分离,脱去其中的一部分凝析液和杂质,减少凝析液和杂质对系统的破坏保证后级系统的正常工作。二次分离器的主要作用是:对凝析出来的少部分轻质油和水进行再次分离,保证系统的脱水效果。 天然气制冷装置由天然气透平膨胀机、平衡装置和指示仪表等组成。为满足现场使用的需要,天然气透平膨胀机与压缩机采用一体化设计。透平膨胀机组的主机采用筒壳式结构,润滑系统采用天然气润滑的气体轴承,同时,膨胀机组还配置了完善的安全保护系统,以保证机组长期工作而无需维护、维修,提高了透平膨胀机组的可靠性。 系统的液体排出装置由储液罐、液位感应器、气压排液泵和指示控制部分等组成,其主要作用是及时排出分离出来的液体,保证系统在寒冷的气温下能正常工作。 (2)系统的工艺流程 脱水装置的工艺流程如图1所示。其中, A至加热炉, B、D至伴热管线, C至外输原油外输系统, E至外输系统管线。该装置采用的天然气透平膨胀机主要是为装置提供辅助冷量,在外部气温高于-30℃时运行以保证分离器进口为脱水的最佳温度。装置将压缩机出口并入外输系统时,需要对控制阀门进行调整,其调整量经实际测量后确定。 其工艺流程如下:进入脱水系统的天然气原料气(参数为0·18 MPa、20℃),经散热器先行冷却后进入换热器与冷端天然气进行热交换,压力降至0·12MPa,温度降至1℃;在此温度和压力下凝析出的大部分水和烃液,通过1次分离器时分离出来;一部分气体经过涡轮膨胀机膨胀后制冷,然后返回到换热器的冷端与新进入的天然气原料气进行热交换(ε=2·182,η=0·77),进一步脱出其中的水分和烃液,此时的气体压力为0·10MPa,温度为-13℃;这部分气体进入2次分离器,分离新凝析出来的水和烃液;这时的气体作为冷源进入换热器,与进入系统的原料气换热,一方面降低来气温度,另一方面提高干气温度;最后气体经过与涡轮膨胀机同轴的压缩机增压(ε=1·4,η=0·65)后外输,此时外输压力为0·12MPa,温度为32℃; 1次和2次分离器分离出来的水份和烃液汇集于集液罐,由气体增压泵排至原油外输系统。 天然气透平膨胀机脱水装置充分利用天然气自身输送压力推动膨胀机制冷,将天然气内所含水分液化,液化后的水及轻质油,通过自动排水装置直接输送到转油站的“三合一”分离罐进行再利用或再生产。由于该工艺过程接近等熵过程,不但能分离出天然气内的水分、提高烃的回收率,而且能做外功,驱动压缩机输送气体。分离后的结晶体在分离装置内经过升温后,转化为液体进入沉淀器经过液体泵输出。 3·透平膨胀机的设计 膨胀机是低温脱水装置产生冷量的关键设备。它应用在大型空气制冷,天然气田,天然气提取轻质油,液化等大型、高膨胀比的场合,属成熟技术。但在气量小、低膨胀比现场(无任何增压设备)使用该技术极其困难。通过一系列的研究、试验以及优化设计,解决了膨胀机在复杂工作环境下应用时存在的供气压力低、压差小等关键技术难题。根据配套的要求在设计方面采取了下列措施: (1)透平膨胀机在实际工况下的运行参数与理论值有一定差异,对于结构尺寸较小的透平膨胀机,为了简化结构及方便操作,工况的调节采用了机后调节方式。具体设计中选择了体积流量最小的工况作为主设计工况,确定了透平膨胀机通流部分各零、部件的结构尺寸,并对部分结构尺寸做了一些必要的调整,保障了透平膨胀机在各种工况下运行都能满足制冷效率要求。 (2)透平膨胀机采用增压机制动,制动气可以对装置输出气体进行增压,保证远距离输送气体的压力需要,这样膨胀机的运行可不受外界环境大气压力、温度的影响,但增加了装置的复杂程度,尤其是增加了流程设计的难度。考虑到现场使用的具体条件,膨胀机采用输出气制动,简化了操作,使其能在一定范围内正常运行。 (3)为使透平膨胀机运行稳定可靠,在设计上采取了以下措施:①由于轴承的承载能力比较小,在精心计算的基础上,合理选定了工作轮、风机轮的运行参数及结构尺寸,从而减少了转子的轴向受力,提高了轴承使用寿命;②采用大刚度的转子,避免了转子通过临界区域而引起的共振破坏问题,也方便了操作。 (4)在装置的其它方面也采取了一些措施,如在轴承加油口、腔体间增加平衡毛细管,在增压机进出口加装平衡阀等,调节转子负载,延长了设备使用寿命。 4·主要技术参数 水的质量浓度:≤7 g/m3; 气体流量: 10 000~50 000 m3/d; 供气压力: 0·12~0·5MPa; 工作方式:连续运转; 环境温度: -30~10℃。 现 场 应 用 首台天然气脱水装置于2004年6月在大庆油田采油三厂进行了样机矿场试验。该站环境温度-10℃,天然气来气温度20℃,来气压力0·18MPa,来气流量17 000 m3/d,来气中水的质量浓度为21·2 g/m3。目前,已在该厂推广18台。用户认为:“该装置工作正常,性能稳定”。通过各种测试和多方面对比,装置的各项指标均明显优于“干燥器”,经现场试运行,脱水效果良好,脱水效率达到91·7%,是一种非常适合油田中转站使用的小型脱水设备”。该装置在2005年1月通过石油工业原油及石油产品质量监督检验,样机脱水前后的天然气参数对比如表1所示。 由检测结果可看出:由于水和烃液的排出,天然气的密度、相对密度和高位热值均降低,尤其是露点的前后结果,充分反映出样机脱水效果好。 综上所述,可得如下结论: 天然气透平膨胀机脱水装置是目前油田最有效的天然气脱水系统,与现在使用的“干燥器”相比较,具有以下几点优势: (1)可以有效地脱除天然气中所含的水分,保证站内用气和外输气的质量,确保各种用气设备的安全,消除锅炉的爆膛事故,防止外输管线的冻、堵等事故。 (2)该装置是一种全封闭循环系统,天然气经过装置处理后直接输出,同时,分离出的水及轻质油也直接回输到外输油管线,既减轻了工人劳动强度,又避免了环境污染。 (3)该装置结构紧凑、体积小,是一种橇装设备,安装方便且维护量小,尤其可以安装在室内,非常便于统一管理。 (4)该装置直接将分离出的轻质油回输到外输原油管线,杜绝了人为放油带来的不安全因素,减少了经济损失,确保了安全生产。(本文编辑 王刚庆) |
| 上一篇：化工装置钛合金设备常见缺陷及修复办法 | 下一篇：管壳式换热器的设计计算 |