熊 思 陳家慶 石 熠 沈瑋瑋

北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

天然氣脫水脫烴用SM系列分離器的研究與應(yīng)用

熊 思 陳家慶 石 熠 沈瑋瑋

北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

Shell石油公司研發(fā)的SM系列分離器是一種高效的脫水、脫烴設(shè)備，對(duì)其發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)組成和工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，結(jié)果表明，采用重力分離與高效內(nèi)構(gòu)件相結(jié)合的SM系列分離器具有分離效率高、構(gòu)件模塊化等優(yōu)點(diǎn)，適用于天然氣脫水、脫烴裝置。針對(duì)SM系列分離器開展的氣-液分離應(yīng)用基礎(chǔ)研究，有助于了解其內(nèi)構(gòu)件工作情況及分離器內(nèi)液滴平均尺寸分布情況，可為分離器內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分離器性能的進(jìn)一步提升提供參考。

天然氣 脫水 脫烴 氣-液分離器 SM系列分離器

天然氣中常含有飽和水、H2S和凝析油等，集輸時(shí)需進(jìn)行脫硫及脫水脫烴等處理，脫水脫烴效果決定了外輸天然氣的品質(zhì)。脫水脫烴的實(shí)質(zhì)是氣液分離，要用到氣-液分離設(shè)備。除重力分離器、葉片分離器等常規(guī)設(shè)備外，一些新型設(shè)備也逐漸得到推廣，如GLCC、超音速分離器(3S)、SM系列分離器及內(nèi)聯(lián)脫氣器、脫液器等[1-2]。其中，Shell石油公司的SM系列分離器由于分離效率高、處理量大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，安裝量已超過(guò)600臺(tái)。國(guó)內(nèi)自長(zhǎng)北合作區(qū)成立以來(lái)，長(zhǎng)北、榆林、格里木等氣田陸續(xù)引進(jìn)該類設(shè)備，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)天然氣處理裝備的進(jìn)步，但迄今為止，國(guó)內(nèi)鮮有研究人員對(duì)其進(jìn)行深入研究。以下在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)SM系列分離器的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、工程應(yīng)用及研發(fā)過(guò)程中相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究進(jìn)行介紹，以期為同類應(yīng)用提供參考。

1 SM系列分離器的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代，Shell石油公司的Stephanus Paardekooper等針對(duì)氣-液分離器尺寸大、處理量小的不足，將捕霧器和旋流管塔盤組合安裝在立式罐中，研發(fā)了新式氣-液分離器，提高了處理量[3]。隨著天然氣產(chǎn)量的增加和分離器處理量的增大，Malconlm W McEwan等優(yōu)化上述分離器的內(nèi)構(gòu)件布置，進(jìn)一步提高了處理量和分離效率。從其所申請(qǐng)的專利來(lái)看，該分離器的內(nèi)構(gòu)件包括進(jìn)料分布器、液滴聚結(jié)器和管式離心分離器，如圖1(a)所示[4]。該分離器處理量大、效率高，符合天然氣工業(yè)氣體流量大、流速波動(dòng)大的特點(diǎn)。因此，Shell石油公司決定將其產(chǎn)品化。

在產(chǎn)品化的過(guò)程中，Shell石油公司自主研發(fā)了進(jìn)料分布器和管式離心分離器，并分別命名為入口分布器(Schoepentoeter)、渦流板(Swirldeck)。捕霧器選用Sulzer Chemtech公司的KnitMesh除沫器(Mistmat)。各內(nèi)部件按圖1(b)所示的順序組裝，選取各名稱首字母進(jìn)行命名，即SMS分離器。

SMS分離器推出后憑借高效、處理量大等優(yōu)勢(shì)得到迅速推廣，隨著部分油氣田進(jìn)入開采中后期，氣體含液量升高，SMS分離器暴露出處理后氣體達(dá)不到管輸要求的問(wèn)題。于是，Shell石油公司在其基礎(chǔ)上增加除沫器的數(shù)量并合理布置，推出了更高效的SMSM分離器(見圖1(c))和SMMSM分離器，從而形成了SM系列分離器。

1.2 結(jié)構(gòu)和工作原理

SM系列分離器的主體結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于除沫器的數(shù)量及布置方式，以SMSM分離器為代表，介紹SM系列分離器的主要結(jié)構(gòu)及工作原理。

1.2.1入口分布器

入口分布器是由均布葉片組成的進(jìn)料通道。如圖2(a)所示，葉片前半部分與氣流方向平行，起引導(dǎo)、分割氣流的作用；后半部分與前半部分垂直，改變氣流流向，實(shí)現(xiàn)氣-液初步分離，實(shí)驗(yàn)表明，豎直線狀葉片入口分布器可分離50%～70%的液滴。Shell石油公司借助CFD軟件對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)將葉片后半部分由豎直線狀改為斜向卷曲狀(如圖2(b)、(c)所示)，可將液滴夾帶量降至原來(lái)的1/3，據(jù)此推出了僅改進(jìn)葉片結(jié)構(gòu)的新型入口分布器Schoepentoeter Plus[5]。

1.2.2初級(jí)除沫器

SMSM分離器選用Sulzer Chemtech公司的KnitMesh V-Mister作為初級(jí)除沫器，其底部安裝有如圖3所示的V形集液槽。除沫器捕集的液滴聚結(jié)落到V形集液槽形成穩(wěn)定液流后，從兩端沿器壁流入集液區(qū)，該設(shè)計(jì)有效降低了二次夾帶，使除沫器可在氣體流量較大的工況下工作。實(shí)驗(yàn)表明，氣速達(dá)0.15 m/s時(shí)該除沫器的壓降小于0.25 kPa，而相同壓降下的普通除沫器所能達(dá)到的最大氣速僅為0.107 m/s[6]。

1.2.3渦流板

渦流板是SMSM分離器的核心部件，用于除去直徑約10 μm的小液滴。圖4為渦流板橫截面圖，由圖4可知，渦流板由多個(gè)接液盒緊密排列而成的渦流盤組成，接液盒內(nèi)有4～6根渦流管及1根排液管[7]。渦流管結(jié)構(gòu)及與次級(jí)除沫器組裝示意圖如圖5所示，渦流管進(jìn)口端裝有旋流器，管壁開有若干排液切口，每個(gè)渦流管有1個(gè)初級(jí)氣體出口及4個(gè)次級(jí)氣體出口。

氣流進(jìn)入渦流盤后分散進(jìn)入各渦流管，在入口旋流器作用下產(chǎn)生旋流。液滴被甩到管壁形成薄液層并向上運(yùn)動(dòng)，從管壁切口排出；氣體從中心向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)初級(jí)氣體出口排出。渦流管正常運(yùn)行時(shí)，少量氣體會(huì)從管壁切口逸出，夾帶的液體在重力作用下落入接液盒，從底部的排水管流到集液區(qū)；切口逸出的氣體從次級(jí)氣體出口離開接液盒，經(jīng)渦流管上方的次級(jí)除沫器處理后與氣體主體部分匯合并排出。

1.2.4次級(jí)除沫器

次級(jí)除沫器用于除去次級(jí)氣體中含有的少量液滴，SMSM分離器選用KnitMesh除沫器作為次級(jí)除沫器，可分離最小粒徑為2～5 μm的液滴。

2 圍繞SM系列分離器的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

在SM系列分離器的發(fā)展過(guò)程中，Shell石油公司與挪威科技大學(xué)(NTNU)就氣-液分離理論研究展開了密切合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了絲網(wǎng)除沫器的工作情況，掌握了高壓條件下發(fā)生液滴夾帶時(shí)分離器內(nèi)液滴平均尺寸的分布情況，可為分離器設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的選取提供依據(jù)。

2.1 分離器內(nèi)絲網(wǎng)除沫器的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。首先進(jìn)行常壓實(shí)驗(yàn)，所用除沫器高為0.1 m、孔隙度為98.06%，介質(zhì)為含液量0.02%(φ)的水/空氣混合物，氣速K的范圍為0.05～0.17 m/s，待測(cè)參數(shù)為持液量、壓降及液滴尺寸分布[8]。實(shí)驗(yàn)時(shí)按從下到上的順序分別選取1 mm、21 mm、41 mm、61 mm、76 mm共5個(gè)位置作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)得的壓降和持液量變化如圖7所示。

由圖可知，當(dāng)K值小于0.1 m/s時(shí)，壓降及持液量隨K值的增大而增加，所有液滴可被除去；當(dāng)K值達(dá)到0.11～0.12 m/s時(shí)，壓降及持液量突然增加，除沫器內(nèi)發(fā)生液泛；隨著K值繼續(xù)增大，壓降緩慢增加，持液量下降，這可能是由于除沫器內(nèi)部液滴夾帶所致。綜合壓降及持液量的變化，得出圖8所示的分離效率變化趨勢(shì)，即隨著氣速的增加，分離效率下降。此外，還測(cè)量了K值分別為0.05、0.12、0.13時(shí)除沫器下游液滴尺寸的分布情況，見圖9[9]。結(jié)合分離效率的變化和液滴尺寸分布情況可知，即使發(fā)生了夾帶，除沫器依然高效，且在滿足下游分離單元液相載荷的前提下，工作在液泛模式是較為理想的選擇。

為驗(yàn)證上述結(jié)論在實(shí)際工況下的準(zhǔn)確性，隨后進(jìn)行了高壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程不變，僅改用高0.15 m、開孔率為98%的除沫器。分別用含液量為0.2%(φ)的N2/Exxsol和天然氣/戊烷作為介質(zhì)，氣速范圍為0.07～0.26 m/s，壓力范圍為2.0～9.2 MPa，待測(cè)參數(shù)僅為壓降。結(jié)果均表明，高壓下除沫器的工作狀況及效率變化趨勢(shì)與常壓相同，即常壓實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論適用于實(shí)際工況。

2.2 分離器內(nèi)不同流態(tài)下液滴平均尺寸分布情況的理論預(yù)測(cè)研究

分離器內(nèi)液滴尺寸的分布決定了分離效果，由Souders-Brown方程知，已知液滴尺寸時(shí)即可進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)[10]。因此，研究人員研究了高壓液滴夾帶時(shí)，層狀流(對(duì)應(yīng)于旋流分離)和線狀流(對(duì)應(yīng)絲網(wǎng)除沫器內(nèi)的流動(dòng))對(duì)應(yīng)的液滴尺寸分布，并基于已有研究提出了更準(zhǔn)確的計(jì)算式。

實(shí)驗(yàn)流程如圖10所示。層狀流實(shí)驗(yàn)中用輕烴、氮?dú)庾鳛橐合?、氣相，壓力范圍?00～1 600 kPa，氣速范圍為55～120 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，液相流率為0.1 L/min，液滴表面張力為24 mN/m；線狀流實(shí)驗(yàn)中，氣、液相為N2、C10H22，壓力范圍為600～1 600 kPa，氣相流量范圍為30～100 L/min，液相流量為0.3 L/min，液滴表面張力為23 mN/m。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及已有研究發(fā)現(xiàn)，用Kataoka等提出的計(jì)算式得到的液滴尺寸分布結(jié)果誤差較大。經(jīng)過(guò)無(wú)量綱分析，加入黏度無(wú)量綱對(duì)其修正，修正前后的表達(dá)式見式(1)、式(2)[11]。

(1)

ξr/dCH=

(2)

(3)

式中，ρg、ρl分別為氣體和液體的密度，kg/m3；ug、ul分別為氣體和液體的流速，m/s；σ為液滴間的表面張力，mN/m；μg、μl分別為氣體和液體的黏度，cp。

用式(2)計(jì)算得到的液滴平均尺寸分布結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比誤差較小(如圖11所示)，可較好地反映液滴平均尺寸的分布規(guī)律。

需要指出的是，除了基于實(shí)驗(yàn)開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究之外，利用CFD軟件進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的模擬也有力地推動(dòng)了應(yīng)用基礎(chǔ)研究的進(jìn)行，加快了產(chǎn)品的研發(fā)改進(jìn)，Schoepentoeter Plus即是基于數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品。

3 SM系列分離器的典型工程應(yīng)用案例

自SMS分離器投入使用以來(lái)，SM系列分離器即受到業(yè)內(nèi)關(guān)注，許多油氣公司在氣體處理系統(tǒng)中安裝了此類設(shè)備。如荷蘭NAM公司的L9油氣田、Shell石油公司的海鷗油氣田及中國(guó)石油長(zhǎng)北氣田、榆林氣田等。以下介紹國(guó)內(nèi)外的2個(gè)典型工程案例。

3.1 SMS分離器在海鷗油氣開采平臺(tái)改造中的應(yīng)用

海鷗油氣田采出氣經(jīng)海上平臺(tái)處理后直接輸至英國(guó)天然氣管網(wǎng)，因此采出氣需在平臺(tái)上完成甘醇脫水、脫H2S、渦輪膨脹機(jī)脫烴等操作，以滿足水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)、H2S含量等要求[12]。平臺(tái)設(shè)計(jì)日處理量為1.16×107m3(410 MMSCF)，自2000年9月運(yùn)行以來(lái)，實(shí)際處理量始終停留在0.88×107m3(310 MMSCF)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在8.3 MPa的操作壓力下，TEG吸收塔滌氣系統(tǒng)的葉片分離器不足以除去氣體中夾帶的全部凝析液，部分凝析液進(jìn)入下游的甘醇再生系統(tǒng)，增加再生系統(tǒng)的發(fā)泡傾向，影響重沸器的再生效果，增加重沸器熱負(fù)荷，降低TEG貧液濃度，進(jìn)而導(dǎo)致回收系統(tǒng)難以正常運(yùn)行，最終限制了整個(gè)處理系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

為解決該問(wèn)題，Shell石油公司對(duì)滌氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造，用絲網(wǎng)除沫器或旋流分離器代替葉片分離器。為選擇合適的設(shè)備，Shell石油公司對(duì)上述3種分離設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，圖12所示結(jié)果表明，旋流分離器是最好的選擇，因此，Shell石油公司決定在滌氣系統(tǒng)使用SMS分離器。

吸收塔主要內(nèi)構(gòu)件包括：高為0.6 m的規(guī)整填料、升氣塔盤、液體分布器和滌氣系統(tǒng)(由入口分布器和葉片式除沫器組成)。改造方案要求保留入口分布器，僅將葉片除沫器更換為絲網(wǎng)除沫器和渦流板。改造時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉片除沫器移除后的空間小于1 m，而渦流管高0.5 m，除沫器厚度為0.1 m，支撐件高0.03 m，考慮部件間的安裝間隙，1 m的空間無(wú)法滿足安裝要求。為此，Shell石油公司用高0.4 m的高性能渦流管(HPST)代替原渦流管，成功地將滌氣系統(tǒng)改造為SMS分離器，改造前后滌氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖13所示。改造后平臺(tái)的日處理量增至1.16×107m3(410 MMSCF)，取得了預(yù)期效果。

3.2 SMSM分離器在長(zhǎng)北氣田的應(yīng)用

長(zhǎng)北氣田采出氣中不含H2S、只含微量CO2，經(jīng)脫水、脫烴處理后即可輸至榆林壓氣站。氣田地面處理工程采用分散脫水、集中脫烴的工藝，即先在各集氣站將氣體的水露點(diǎn)降至-13 ℃，然后在配氣總站集中脫烴，待烴露點(diǎn)達(dá)標(biāo)后外輸[13]。配氣總站進(jìn)氣溫度在2～10 ℃，可利用的剩余壓力能為1 MPa，采用圖14所示的原料氣預(yù)冷J-T閥脫烴工藝，利用脫烴后低溫產(chǎn)品氣換熱預(yù)冷及J-T閥節(jié)流，形成穩(wěn)定低溫，然后借助高效分離器將析出的凝析油分離出來(lái)。2003年5月，該工藝投入應(yīng)用，并選用板翅式換熱器作為換熱設(shè)備，選用臥式重力分離器、頗爾預(yù)過(guò)濾器和氣液聚結(jié)器作為三級(jí)低溫分離設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，板翅式換熱器易結(jié)垢并出現(xiàn)液堵，達(dá)不到預(yù)期換熱效果，影響產(chǎn)品氣的烴露點(diǎn)指標(biāo)；三級(jí)分離器處理后的產(chǎn)品天然氣烴露點(diǎn)比制冷溫度高4 ℃，無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。

2005年，配氣總站用管殼式換熱器、SMSM低溫分離器替換原來(lái)的換熱設(shè)備和三級(jí)分離設(shè)備，并對(duì)SMSM低溫分離器和管殼換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，SMSM低溫分離器平均壓差0.32 MPa，滿足配氣總站的工況要求，分離器出口氣體烴露點(diǎn)為-12 ℃，可分離出大部分小液滴，效果較好。換熱器換熱溫差較小(約為1.8 ℃)，平均換熱效率96%，取得了較好的換熱效果。該裝置投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)需注甲醇，降低了生產(chǎn)成本；單位壓降產(chǎn)生的溫降大、運(yùn)行壓差小，減小了上游集氣管線運(yùn)行壓力，達(dá)到了改造的目的。

由于SMSM分離器在配氣總站取得了良好的工程效果，2006年投產(chǎn)的蘇里格氣田第一天然氣處理廠、2007年投產(chǎn)的長(zhǎng)北氣田中央處理廠均使用SMSM分離器作為低溫脫烴設(shè)備，并取得滿意的效果[7,14]。

4 結(jié)論與建議

(1) SM系列分離器采用重力分離與高效分離元件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，可靈活地適應(yīng)不同生產(chǎn)區(qū)域和階段的情況，經(jīng)過(guò)多年的研究和改進(jìn)，目前已形成了分離效率高、處理量大、調(diào)節(jié)比高(可達(dá)到10，一般的氣-液分離器僅為2～4)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(2) 圍繞氣-液分離過(guò)程中液滴平均尺寸分布的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，促進(jìn)了SM系列分離器的研發(fā)和分離性能的提高，使分離效率提高到98%～99%；借助CFD軟件進(jìn)行的數(shù)值模擬研究，促使相關(guān)內(nèi)構(gòu)件往緊湊、高效方向發(fā)展，體積更小、運(yùn)行穩(wěn)定的新型入口分布器Schoepentoeter Plus即為數(shù)值模擬研究的產(chǎn)物。

(3) 從SM系列分離器的應(yīng)用情況可以看出，該系列分離器用于海上平臺(tái)時(shí)主要起滌氣器的作用，多用于氣體處理系統(tǒng)的改造升級(jí)，可使處理量增加20%～30%；用于陸上處理廠時(shí)，主要用于低溫冷凝脫水處理系統(tǒng)，控制氣體的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)，從而在相同的溫降條件下獲得更低的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。

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ResearchandapplicationofSM-seriesseparatorsfornaturalgasdehydrationanddehydrocarbon

XiongSi,ChenJiaqing,ShiYi,ShenWeiwei

(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617，China)

The SM-series separator researched by Shell Oil Company is a kind of effective equipment for natural gas dehydration and dehydrocarbon process. This paper systematically summarized development, structure and working principle of the SM-series separator. The results indicated that the SM-series separators combining gravitational separation with high-efficiency component parts have the advantages of high separation efficiency and modular components. Therefore, it is suitable for natural gas dehydration and dehydrocarbon unit. Moreover, aiming at the development of SM-series separator, the theoretical research of gas-liquid separation can contribute to obtain the working situations of some component parts and discovery the distribution of average droplet size in gas-liquid separators, which can provide references for optimization design of component parts and performance improvements of the separator.

natural gas, dehydration, dehydrocarbon, gas-liquid separator, SM series separator

北京石油化工學(xué)院校級(jí)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目“緊湊型立式三相分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”(14010221033)。

熊思(1989-)，男，湖北隨州人，在讀碩士研究生，現(xiàn)從事多相流分離方面的研究工作。E-mailxiongsi@bipt.edu.cn

陳家慶(1970-)，男，湖北興山人，教授、博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，現(xiàn)從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)、環(huán)保多相流分離技術(shù)等方面的教學(xué)與科研工作。E-mailjiaqing@bipt.edu.cn

TE645

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.002

2014-08-25；編輯溫冬云