劉佳明

西安長慶科技工程有限責任公司（陜西西安710018）

■質(zhì)量安全論壇

蘇里格氣田天然氣處理廠供風系統(tǒng)工藝設(shè)計

劉佳明

西安長慶科技工程有限責任公司（陜西西安710018）

在蘇里格氣田的天然氣生產(chǎn)和凈化處理工藝中，配置供風系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，是保證天然氣處理廠安全生產(chǎn)的前提。通過對天然氣處理工藝和供風系統(tǒng)的分析研究，優(yōu)化供風系統(tǒng)工藝流程，對系統(tǒng)中的空氣壓縮機、空氣凈化系統(tǒng)、PSA制氮裝置以及儲氣罐規(guī)格參數(shù)進行詳細計算，優(yōu)化選型參數(shù)。提出一套適用于長慶蘇里格氣田天然氣處理廠供風系統(tǒng)的設(shè)計方法，為今后相應(yīng)供風系統(tǒng)的研究、設(shè)計和運行維護提供技術(shù)保障和依據(jù)。

蘇里格氣田；天然氣供風系統(tǒng)；空氣壓縮機；凈化風系統(tǒng)；變壓吸附；制氮裝置；空氣儲氣罐

蘇里格氣田已成為中國陸上最大的天然氣生產(chǎn)中心，截止目前，生產(chǎn)能力已達到230×108m3/a，主要場站包括天然氣凈化廠、天然氣處理廠及集氣站等[1]。供風系統(tǒng)是保障全廠工藝裝置正常生產(chǎn)的重要生產(chǎn)設(shè)施，主要由空氮站提供氣源，包括非凈化風、凈化風和氮風系統(tǒng)。

非凈化風主要用于裝置開、停工、檢修的吹掃用氣。用氣品質(zhì)要求不是很高，簡單凈化即可，主要要求保證一定的用氣壓力。

凈化風主要滿足生產(chǎn)用天然氣壓縮機組的啟動（正常運行）、丙烷制冷壓縮機組及調(diào)節(jié)閥、聯(lián)鎖閥等儀表用氣。用氣品質(zhì)要求相對較高，需要后處理如干燥、除油等，以滿足用戶的用氣品質(zhì)，要求氣源穩(wěn)定。

氮風主要用于生產(chǎn)開工、停工前后吹掃、置換，凝析油、胺液、甲醇產(chǎn)品和甲醇污水儲罐事故保護用氣，不同的用戶對氮氣的品質(zhì)有不同的要求，需要根據(jù)要求選取不同參數(shù)的制氮設(shè)備。

1 工藝流程

典型供風系統(tǒng)的主要設(shè)備及附件包括空氣壓縮機、后冷卻器、緩沖罐、過濾器（包括油水分離器、預(yù)過濾器、除油過濾器、除臭過濾器和滅菌過濾器等）、干燥機（冷凍式或吸附式）、穩(wěn)壓儲氣罐、自動排水排污器及輸氣管道、管路閥件、儀表等。

天然氣處理廠供風系統(tǒng)的空氣經(jīng)壓縮、凈化、除去油、水和灰塵，進入制氮裝置，主要包括4部分：空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、變壓吸附制氮系統(tǒng)和儲氣系統(tǒng)，詳細流程如圖1所示。

圖1 天然氣處理廠供風系統(tǒng)流程圖

2 主要工藝設(shè)備

2.1 空氣壓縮機

空氣壓縮機是整個供風系統(tǒng)的核心部件，目前常規(guī)的空氣壓縮機主要有活塞式、離心式和螺桿式，主要參數(shù)對比見表1。

由以上各類供氣壓縮機的對比可知，螺桿式空氣壓縮機占地面積小，氣量損耗少，產(chǎn)氣效率高，排氣量和排氣壓力相對較小，運行安全穩(wěn)定，操作簡便，自控水平高，投資和運行成本小，能夠完全滿足長慶蘇里格氣田供風系統(tǒng)工藝需求，故基本采用螺桿式空氣壓縮機。

表1 空氣壓縮機性能對比

2.2 空氣凈化系統(tǒng)

空壓機排出的壓縮空氣是不干凈的，除了含有水（包括水蒸氣、凝結(jié)水）和懸浮物外，還有油（包括油霧、油蒸汽）。這些污染物對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低運行成本是不利的，因此必須進行除水、除油、除塵等干燥凈化處理[2]。

2.2.1 凈化空氣質(zhì)量標準

不同行業(yè)對壓縮空氣有不同的質(zhì)量要求，具體執(zhí)行標準GB/T 13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》。因工藝生產(chǎn)需求，蘇里格氣田天然氣處理廠凈化風質(zhì)量等級多為2級，即固體顆?！?μm，壓力露點≤-40℃/0.7MPa，含油量≤0.1mg/m3。

2.2.2 干燥裝置分類及原理

壓縮空氣干燥裝置一般有吸附法、冷凍法、吸收法和壓力除濕法，根據(jù)蘇里格氣田工藝裝置對用氣的品質(zhì)要求主要采用吸附法和冷凍法。

1）吸附法。采用可再生吸附劑（硅膠、活性氧化鋁、分子篩），利用壓力變化、氣體膨脹等原理，吸附空氣中的水分，達到干燥壓縮空氣的目的。一般采用雙塔式，一塔吸附時另一塔再生，自動控制，工作周期2～10min。該法可以使壓縮空氣露點溫度達到-70～-20℃。吸附干燥壓縮空氣時吸附劑的再生方式有：無熱再生、加熱再生和微熱再生。

2）冷凍法。采用R-22冷媒作為冷卻劑，將壓縮空氣降溫，使氣態(tài)水和油冷卻至一定的露點，一般為2～10℃（某一壓力下），析出過飽和的水分，從而達到干燥的目的。冷凍法有風冷和水冷2種方式。一般如果要求氮氣露點不是很低（≤-40℃），采用一級干燥機即可；如果要求氮氣露點較低（≤-60℃），則需要同時配置冷凍式干燥器和吸附式干燥器。

2.2.3 空氣凈化流程

壓縮空氣凈化部分組成：空氣緩沖罐、前置粗過濾器，除塵過濾器，微油污過濾器，壓縮空氣干燥機，超精過濾器。壓縮空氣先由管道過濾器除去大部分的油、水、塵，再經(jīng)干燥機進一步除水，精過濾器除油、除塵，并由緊隨其后的精過濾器進行深度凈化。

2.3 PSA制氮系統(tǒng)

傳統(tǒng)獲得氮氣的方法主要有：深冷精餾、變壓吸附（PSA）和膜制氮。根據(jù)蘇里格氣田天然氣處理廠工藝的特點，且受投資大小、能耗高低、操作復(fù)雜程度和氣體品質(zhì)等影響，同時PSA制氮系統(tǒng)具有工藝簡單、自動化程度高、運行成本低、操作維護簡便的特點，因此選用PSA制氮裝置能夠滿足工藝需求[3]。

2.3.1 主要設(shè)備

制氮主機一般由罐體、管路閥門和電控柜三部分組成，具體包括底盤、空氣緩沖罐、氮氣緩沖罐、吸附塔，碳分子篩、補氣系統(tǒng)、壓緊裝置，氣動管道閥、電磁閥、單向管道閥、過濾減壓閥等閥門，可編程邏輯控制器（PLC控制器）、消音器、測氧儀、流量計、壓力表等。如果要求純度大于99.99%時，需有氮氣純化部分。

2.3.2 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)變壓吸附原理，采用高品質(zhì)的碳分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取氮氣。經(jīng)過純化干燥的壓縮空氣，在吸附器中進行加壓吸附、減壓脫附[4]。由于空氣動力學效應(yīng)，氧在碳分子篩微孔中擴散速率遠大于氮，氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，氮在氣相中被富集起來，形成成品氮氣。然后經(jīng)減壓至常壓,吸附劑脫附所吸附的氧氣等雜質(zhì)，實現(xiàn)再生[5]。

2.3.3 工藝流程

裝有吸附劑的左右2個吸附塔，壓縮空氣由下至上流經(jīng)左吸附塔，期間O2、CO2和H2O在吸附劑表面吸附，產(chǎn)品氮氣由吸附塔上端流出，進入氮氣緩沖罐，經(jīng)過一段時間后左吸附塔中的吸附劑飽和，需進行再生，再生是通過停止吸附，降低吸附塔的壓力來實現(xiàn)的，即解析[4]。2個吸附塔交替進行吸附和再生，從而確保氮氣的連續(xù)輸出。其流程如圖2所示。

2.4 氣體儲罐

儲氣罐主要作用首先是儲氣，其次還有分離凝結(jié)水、穩(wěn)壓等作用。當在短時間內(nèi)有大用氣負荷時，可由儲氣罐提供輔助氣量補充供應(yīng)，使管網(wǎng)中壓力下降波動不大，從而使壓縮機啟動頻率或負荷調(diào)節(jié)頻率始終處于允許的、合理的范圍之內(nèi)，所以儲氣罐是整個工藝系統(tǒng)的重要組成部分。

圖2 PSA制氮工藝流程圖

2.4.1 空氣（氮氣）緩沖罐

空氣緩沖罐一般設(shè)置在空壓機之后，在進凈化干燥器之前和制氮裝置之前均需設(shè)置。

氮氣緩沖罐主要作用有兩個：一是用于均衡從氮氧分離系統(tǒng)分離出來的氮氣的壓力和純度，保證連續(xù)供給氮氣穩(wěn)定[4]；二是在吸附塔進行工作切換后，它將本身的部分氣體回充至吸附塔，幫助吸附塔升壓，也起到保護床層的作用。

2.4.2 空氣（氮氣）儲氣罐

一般均設(shè)置在氣源系統(tǒng)的末端、用戶之前，用于儲氣和平衡用戶管網(wǎng)壓力波動，一般由用戶根據(jù)工藝系統(tǒng)需求自行配備。

3 供風系統(tǒng)設(shè)計

以蘇里格氣田某天然氣處理廠供風系統(tǒng)為例，進行供風系統(tǒng)設(shè)計，天然氣處理廠內(nèi)主要工藝裝置供風量見表2。

3.1 空氣壓縮機

3.1.1 壓縮空氣站的設(shè)計容量

按工廠使用壓縮空氣的平均消耗量總和計算壓縮空氣站的設(shè)計容量，計算公式見式（1）[2]。

式中：Q1為設(shè)計容量（標況），m3/h；∑Q0為用戶平均消耗量總和，m3/h；K為消耗量不平衡（最大）系數(shù)1.2～1.4；?1為管道漏損系數(shù)，當管道全長＜1km時,?1取0.1；管道全長=1.5km時，?1取0.15；當管道全長大于2km時，?1取0.2；?2為用氣設(shè)備磨損增耗系數(shù)0.15～0.2；?3為未預(yù)見的消耗量系數(shù)取0.1。

表2 天然氣處理廠主要裝置供風量/（m3·h-1）

3.1.2 海拔、溫度修正后的實態(tài)耗氣量

對于地處海拔高度≥1 000m的地方，選擇空壓機時要考慮大氣壓力、溫度的修正[2]。

式中：Q為壓縮空氣進口狀態(tài)下體積流量，m3/h；Q1為在溫度20℃，壓力為0.1MPa時（大氣壓）的流量，m3/h；t為壓縮空氣進口環(huán)境溫度（可取當?shù)啬昶骄鶜鉁兀?，℃；p為壓縮空氣進口大氣壓，MPa（絕對壓力）；p0為標準大氣壓，MPa。

一般為了不使空壓機一直滿負荷運轉(zhuǎn)，有一定的卸載時間，有利于空壓機長期有效使用，在選擇空壓機的排氣量時，螺桿空壓機的排氣量一般要比計算排氣量大10%～15%，活塞空壓機一般比要求的排氣量大20%～25%。

通過對該天然氣凈化廠供風量的統(tǒng)計計算，同時為便于設(shè)計、安裝和維護管理，站內(nèi)宜選用同類型的壓縮機，但為適應(yīng)不同負荷下的經(jīng)濟運行，選用3臺單臺排氣量為17m3/min的螺桿式空氣壓縮機，2用1備，以便對負荷變動有較好的適應(yīng)性?？紤]用氣點的供氣壓力，空壓機額定排氣壓力選擇0.8～1.0MPa，排氣壓力過高過低均會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

3.2 空氣凈化系統(tǒng)

3.2.1 凈化風參數(shù)

所選天然氣處理廠凈化風參數(shù)見表3。

表3 天然氣處理廠凈化風主要參數(shù)

3.2.2 選型計算

依據(jù)無熱再生干燥器的特點：在一定壓力下進行吸附干燥，在常壓或真空下用部分產(chǎn)品氣逆流沖洗再生，需要消耗一定數(shù)量的產(chǎn)品氣，一般為15%～20%左右。因此在選擇設(shè)備時應(yīng)予以考慮。具體計算公式見式（3）[2]。

式中：Q干為無熱再生干燥器設(shè)計流量，m3/h；Q為空氣壓縮機容積流量，m3/h。

選型原則基本同空壓機，經(jīng)計算選擇3臺單臺排氣量為20m3/min的無熱再生干燥器及其凈化裝置，2用1備，與空氣壓縮機一一對應(yīng)，便于運行管理。

3.3 PSA制氮裝置

1）氮風主要參數(shù)見表4。

表4 天然氣處理廠氮風主要參數(shù)

2）制氮裝置選型。根據(jù)廠用氮風的用氣量和用氣品質(zhì)要求，氮風為間歇運行，本系統(tǒng)選取單臺制氮量為300m3/h的PSA制氮裝置一套，純度為99.5%以上，氮氣壓力為0.6MPa，產(chǎn)品氮氣露點＜-40℃。

3.4 儲氣罐計算

1）儲氣罐容積計算公式見式（4）。

其中Δp=10（p1-p2）

式中：V水為儲罐水容積，m3；T0為標準狀態(tài)溫度，T0=273K；T2為罐內(nèi)氣體溫度，可取環(huán)境溫度，K；p1為儲罐最大工作壓力，MPa；p2為用戶使用壓力，MPa。

2）緩沖罐容積一般可估算見式（5）。

式中：V為緩沖罐容積，m3；Q為壓縮空氣供氣量（標況），m3/min。

根據(jù)用氣要求選取空氣和氮氣儲氣罐容積各為40m3。選取空氣和氮氣緩沖罐容積各為5m3。

4 結(jié)論

根據(jù)長慶油田蘇里格氣田各天然氣處理廠供風系統(tǒng)工藝要求，空氣壓縮機將空氣壓縮后進入對應(yīng)的無熱再生干燥裝置，根據(jù)不同的工藝要求，可生產(chǎn)儀表風、工廠風和制氮用風三路。生產(chǎn)出的儀表風進入儀表風儲罐后再進入儀表風系統(tǒng)管網(wǎng)。工廠風進入工廠風儲罐后再進入工廠風系統(tǒng)管網(wǎng)。從干燥器出來的制氮用風進入制氮裝置生產(chǎn)氮氣，經(jīng)氮氣儲罐后直接輸往裝置區(qū)、集配區(qū)和其他單元。

通過對蘇里格某天然氣處理廠供風系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和多年設(shè)計總結(jié)，該方法可推廣應(yīng)用于長慶油田蘇里格氣田其他天然氣凈化廠、天然氣處理廠、集氣站以及其他工廠供風系統(tǒng)設(shè)計，為供風系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)及后期的運行維護提供科學的理論依據(jù)。

[1]劉祎，王登海，楊光，等.蘇里格氣田天然氣集輸工藝技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新[J].天然氣工業(yè)，2007,27（5）:5-7.

[2]壓縮空氣站設(shè)計手冊編寫組.壓縮空氣站設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[3]汪治平，張波.膜制氮技術(shù)及在油氣田的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2007,27（12）:12-14.

[4]沈光林.氮氣在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].特種油氣藏,2005,12 (4)：100-102.

[5]余化，馮天照.制氮工藝技術(shù)的比較與選擇[J].化肥設(shè)計，2012,50（1）:13-15.

The wind supply system plays a vital role in the natural gas production and purification process of Sulige Gasfield,and it is the assurance of the safety production of natural gas treatment plant.Through the analysis of natural gas treatment process and air supply system of the plant,the process of the air supply system is optimized,and the parameters of the air compressor,the air purification system,the PSA nitrogen generating device and the air storage tank in the system are calculated and optimized.A set of design method suitable for the air supply system of the natural gas treatment plant in Sulige Gasfield is put forward,which provides the technical support and basis for the research,design and operation maintenance of corresponding air supply systems.

Sulige Gasfield;natural gas air-supply system;air compressor;air purification system;pressure swing adsorption(PSA); nitrogen generating device;air storage tank

梅

2015-07-06

劉佳明（1984-），男，工程師，主要從事石油天然氣熱能與動力工程研究和設(shè)計工作。