李 焱， 喻西崇， 王春升， 王 清， 韓旭亮

(中海油研究總院， 北京 100028)

浮式液化天然氣裝置LNG預(yù)處理工藝大型分離設(shè)備研究進(jìn)展

李 焱， 喻西崇， 王春升， 王 清， 韓旭亮

(中海油研究總院， 北京 100028)

分離設(shè)備是海上浮式生產(chǎn)系統(tǒng)上天然氣預(yù)處理的重要設(shè)備，在海上油氣田特殊環(huán)境下，分離設(shè)備在氣液不均勻分布條件下會(huì)嚴(yán)重影響分離效率，使預(yù)處理工藝效率降低。通過調(diào)研有關(guān)晃蕩條件下分離設(shè)備氣液流動(dòng)和傳質(zhì)性能的研究現(xiàn)狀，分別對(duì)氣液分離器、填料塔等典型設(shè)備和常用的凈化工藝進(jìn)行討論分析，為提高浮式設(shè)備的分離效率提供新的研究思路。結(jié)合工程實(shí)際,指出晃蕩條件下分離設(shè)備運(yùn)行性能的現(xiàn)有問題和今后的研究重點(diǎn)，為浮式環(huán)境中分離器的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。

海上油氣開發(fā)；浮式液化天然氣裝置(FLNG)；氣液分離；海上環(huán)境；晃動(dòng)；分離效率

0 引 言

據(jù)估計(jì)，世界初級(jí)能源的市場(chǎng)利用份額在2012—2035年間將以每年1.5%的增速逐步上升，而天然氣作為重要的初級(jí)能源，其消耗則預(yù)估每年增長(zhǎng)1.9%[1]。隨著全球天然氣貿(mào)易的增加，液化天然氣(LNG) 扮演著日益重要的角色。預(yù)計(jì)在2035年，LNG 在全球天然氣消費(fèi)市場(chǎng)將占比15%。龐大的市場(chǎng)需求使世界各國(guó)對(duì)海上天然氣資源的開采利用產(chǎn)生了足夠的興趣[2]。但由于海上環(huán)境嚴(yán)峻、技術(shù)難度大、投資巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，使得陸上傳統(tǒng)管道輸送的開發(fā)模式無法滿足開發(fā)需求。近年來海洋工程界提出了一種新型的開發(fā)模式，即浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(LNG-FPSO, 又稱FLNG)。該裝置集合了 LNG 生產(chǎn)、預(yù)處理、液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸與裝卸等功能，簡(jiǎn)化了邊際油田開發(fā)的過程，具有建造周期短、便于遷移等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[3]。

在FLNG 裝置上部模塊中，預(yù)處理過程需要采用分離技術(shù)對(duì)天然氣進(jìn)行凈化處理。相關(guān)分離技術(shù)在陸上應(yīng)用相對(duì)成熟，但是由于FLNG 裝置在海上環(huán)境運(yùn)行，對(duì)安全性和可靠性提出了更高的要求。本文針對(duì)在海況引起的船體晃蕩條件下分離設(shè)備氣液流動(dòng)和傳質(zhì)性能的研究現(xiàn)狀，分別對(duì)氣液分離器、填料塔等大型分離設(shè)備和典型凈化工藝進(jìn)行討論分析，為提高浮式設(shè)備的分離效率提供新的研究思路，為浮式環(huán)境中分離器的選型和優(yōu)化提供一定的設(shè)計(jì)建議。

1 FLNG裝置預(yù)處理工藝設(shè)備關(guān)鍵問題

天然氣進(jìn)入液化流程之前需要進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理與液化工藝流程如圖1所示。天然氣的預(yù)處理是指脫除原料天然氣中的硫化氫、二氧化碳、水分、重?zé)N和汞等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備或在低溫下凍結(jié)從而堵塞設(shè)備和管道。當(dāng)按照LNG的溶解度考慮時(shí)，一般情況下天然氣允許的原料氣雜質(zhì)含量不同。CO2含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)應(yīng)低于4×10-5， H2S含量應(yīng)低于7.35×10-4， H2O含量應(yīng)低于10-11[4]。

圖1 天然氣預(yù)處理液化工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of natural gas pretreatment and liquefaction

天然氣預(yù)處理工藝流程中通常會(huì)用到較大型的分離設(shè)備，如氣液分離器、塔器等。這些裝置由于設(shè)備內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)慢、氣液界面較大等特點(diǎn)不可避免地會(huì)出現(xiàn)作業(yè)條件的要求差異。由于FLNG上天然氣液化設(shè)施的空間布置和浮動(dòng)平臺(tái)晃動(dòng)對(duì)設(shè)備性能可能產(chǎn)生不良影響[5]，因此FLNG 裝置的選擇最關(guān)鍵的問題在于設(shè)備的效率和空間占用量的優(yōu)選： 設(shè)備的總體布局既要保證流程的緊湊高效，又要考慮到LNG 儲(chǔ)罐等其他模塊設(shè)施的安全性和可靠性問題。

2 FLNG裝置預(yù)處理工藝大型分離設(shè)備

2.1 氣液分離器

分離器設(shè)備主要用于油氣分離，也可以作為油、氣、水和泥沙等多相分離、緩沖、計(jì)量的工具。一般地，油氣水分離是依靠密度差進(jìn)行沉降分離，分離器的主要分離部分即是應(yīng)用這個(gè)原理。液體的沉降速度和連續(xù)相的物性對(duì)分離效果具有決定性的影響。在陸上常用的分離器類型有立式和臥式兩種，如圖2所示。臥式分離器的液相處理量大，安裝高度低；立式分離器氣相處理量大，占地面積小，安裝高度高[6]。在浮式平臺(tái)上，由于外界環(huán)境存在晃動(dòng)情況，對(duì)依靠重力沉降原理的分離器存在較大影響，由于液面波動(dòng)而引起兩相流的再次混合，進(jìn)一步抵消沉降作用。研究發(fā)現(xiàn)： (1)橫搖工況下，立式分離器未能完全分離氣液兩相，臥式分離器保持良好的分離性能，明顯優(yōu)于立式分離器；(2)橫搖工況下，立式分離器中氣液界面波動(dòng)的幅度和頻率均大于臥式分離器，立式分離器的氣液界面雜亂無序，臥式分離器的氣液界面波動(dòng)平穩(wěn)，氣液界面的劇烈擾動(dòng)造成立式分離器分離性能的顯著降低；(3)橫搖工況下，氣液界面的劇烈波動(dòng)造成立式分離器的壁面應(yīng)力增加，臥式分離器的壁面應(yīng)力做周期性變化，臥式分離器的壁面應(yīng)力明顯低于立式分離器。

(a) 立式 (b) 臥式 圖2 分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structural sketch of separators

因此，比較立式和臥式分離器的性能，立式分離器的液面晃動(dòng)更小，占地面積小。立式分離器通常用于高氣液比的油氣混合物分離，比如用作氣體洗滌器、分液罐等，以便除去大量氣體中所含的少量液體。當(dāng)液相占比較大時(shí)，則采用臥式分離器進(jìn)行氣液分離。一般情況下，天然氣從海管進(jìn)入 FLNG 時(shí)設(shè)置三相分離器(見圖3)，經(jīng)進(jìn)口分氣包預(yù)脫氣后又進(jìn)入水洗室，分離出大量的游離水，沒有分離的混合液則進(jìn)入沉降室，最終實(shí)現(xiàn)油水分離。

圖3 FLNG油氣水三相分離器臥式結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of oil-gas-water three-phase separator on FLNG

在使用臥式分離器時(shí)，為了降低分離器所受的海況晃動(dòng)影響，需要利用內(nèi)部擋板的設(shè)置減小波動(dòng)。對(duì)臥式分離器的分離性能進(jìn)行擋板優(yōu)化，選取多個(gè)擋板均勻布置的方式即可達(dá)到良好的分離效果(見圖4)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，氣相出口和液相出口的波動(dòng)明顯減小，周期大幅縮短，液面波動(dòng)的周期減小為原來的1/5，波峰高度變化范圍減小為原來的1/2，優(yōu)化效果明顯。

圖4 三個(gè)擋板均勻布置在分離器中Fig.4 Damper adjustment with three dampers distributed uniformly in the separator

在FLNG、 FPSO、海上平臺(tái)等海上油氣田開發(fā)裝置上，從所需的占地面積、分離效果、工質(zhì)流體組分物性差異等方面考慮，除了傳統(tǒng)的重力沉降分離之外還可以合理運(yùn)用離心分離、碰撞和聚結(jié)分離等原理進(jìn)行天然氣中水雜質(zhì)的脫除，具體包括超音速脫水法、膜分離法、分子篩吸附脫水方法等[7]。其中超音速脫水占地小、造價(jià)低，但脫水程度不高，無法直接達(dá)到天然氣中水含量要求；膜分離法對(duì)酸性雜質(zhì)和水都有很好的脫除作用，但性能尚存在不穩(wěn)定性，在烴損失、濃差極化、膜的塑化等方面仍存在著挑戰(zhàn)；分子篩脫水則對(duì)氣溫、流速、壓力等變化不敏感，也沒有腐蝕、形成泡沫等問題[8]。因此，推薦采用分子篩作為天然氣預(yù)處理中的深度脫水工藝。

2.2 塔器

目前，F(xiàn)LNG預(yù)處理工藝環(huán)節(jié)中，另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是如何避免脫酸塔、脫重?zé)N塔[9]受船舶運(yùn)動(dòng)而帶來的影響[10]。目前海上應(yīng)用比較廣泛的較典型的大型塔器按照結(jié)構(gòu)形式劃分為板式塔和填料塔。這兩種塔器的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 板式塔與填料塔比較分析Table 1 Comparison between plate tower and packed tower

通過表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)條件下填料塔結(jié)構(gòu)更適于進(jìn)行天然氣預(yù)處理脫酸操作。隨著近年來塔器在浮動(dòng)平臺(tái)等裝置上的廣泛應(yīng)用，施加在操作塔上的傾斜和運(yùn)動(dòng)已被證明對(duì)塔的能力和產(chǎn)品規(guī)格有顯著影響，填料效率會(huì)受傾斜狀態(tài)(見圖5)影響而下降[11]。建造過程中首先要保證安全，然后才能進(jìn)行塔設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。實(shí)際中，塔器內(nèi)部的流體流動(dòng)和吸收效率將大大影響 FLNG塔器的尺寸(直徑D和高度H)。業(yè)內(nèi)建議通過添加填料高度來彌補(bǔ)效率的降低[13]。但是，考慮填料高度、安全系數(shù)和波動(dòng)對(duì)塔性能的影響等因素時(shí)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)意義不大。隨著對(duì)塔器流體分布影響因素的不斷探索，研究者分別從理論、模擬和實(shí)驗(yàn)等角度對(duì)填料塔性能受波動(dòng)影響進(jìn)行了研究。

圖5 塔器海況傾斜示意圖[12]Fig.5 Schematic diagram of tower tilting in sea conditions[12]

為了實(shí)現(xiàn)塔器在海上的正常運(yùn)行，需要考慮多方面綜合因素，包括液體黏度、填料高度、塔直徑、加速度、液/氣流量比(FL/FG)、填料類型以及運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。多個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)塔器在運(yùn)動(dòng)條件下的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖6所示為L(zhǎng)inde和Heriot-Watt大學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置。研究表明，運(yùn)動(dòng)條件下影響填料塔內(nèi)流場(chǎng)分布的因素分為兩大類，包括水力分布不均和對(duì)分布不均的敏感性[14]。

(a) Linde實(shí)驗(yàn)裝置

(b) Heriot-Watt大學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖6 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.6 Pictures of experimental facilities

分布不均的因素僅限于塔中直接影響水力特性和流體流動(dòng)的物理?xiàng)l件，包括塔的傾斜、填料床高與塔直徑的比(L/D) 、塔的運(yùn)動(dòng)和流體的物理特性。研究發(fā)現(xiàn)： (1)傾斜塔中填料內(nèi)部流體垂直流動(dòng)，導(dǎo)致填料一側(cè)超載而另一側(cè)則流體過少，從而造成較低的效率。(2)對(duì)于給定的L/D，傾斜對(duì)填料的影響是固定的。在給定傾斜和塔直徑的情況下，較深的填料層會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的分布不均。(3)運(yùn)動(dòng)條件下塔和液體的絕對(duì)加速度導(dǎo)致晃蕩的效果。在固定高度H，短周期(如12～15s)和較高位置處，液體慣性呈對(duì)稱分布。尤為重要的是如果H在填料床層最高處時(shí)，塔中剩余床的高度使液體慣性減小。由于沒有慣性力的精確表征模型，慣性對(duì)液體分布不均的作用不能忽視。(4)液體的物理性質(zhì)在填料床液體分餾中具有重要作用，傾斜條件下氣液表面張力是最具代表性的物理性質(zhì)之一，它直接影響小液滴的形成和液體在填料表面的擴(kuò)散。

基于塔器在晃動(dòng)環(huán)境下所受到的傳熱傳質(zhì)影響，近年來工程界對(duì)填料塔在海上的適應(yīng)性進(jìn)行了一系列研究，并針對(duì)海況條件提出了相關(guān)的塔器設(shè)計(jì)指導(dǎo)性建議： (1)隨著填料高度的增加，填料塔的效率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楦畹奶盍洗矊訒?huì)使得液體不均勻程度增大?？梢越档兔慷翁盍系母叨?，以保證在一定的填料高度內(nèi)，塔器傳質(zhì)效率持續(xù)在較高水平。(2)隨著傾角的增大，填料的效率也呈明顯下降趨勢(shì)，需要在設(shè)計(jì)時(shí)精確考慮限制L/D保持在1左右，使分布不均影響最小，通過減小填料來解決運(yùn)動(dòng)條件帶來的問題。例如，一個(gè)塔徑5m的脫丙烷塔，靜態(tài)傾角為1°時(shí)，僅僅提高5%～10%的填料高度，即可補(bǔ)償填料效率的下降；對(duì)于3°的傾斜，需要提高30%～50%的填料高度；而當(dāng)傾斜角達(dá)4°時(shí)，則填料高度需要提高近100%。

針對(duì)填料塔易受船體運(yùn)動(dòng)影響的問題，提出了超重力旋流分離設(shè)備[15]。該設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)環(huán)裝多孔填料床作為工具替代體積龐大的填料塔，運(yùn)用氣體與液體之間的性質(zhì)差異，在急速旋轉(zhuǎn)的條件下實(shí)現(xiàn)相界面的擾動(dòng)分離，并能夠更好地克服由船體運(yùn)動(dòng)慣性帶來的環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)CO2， H2S等酸性氣體與天然氣的分離。該技術(shù)與塔式設(shè)備相比，體積傳質(zhì)系數(shù)高出1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且該設(shè)備的體積和重量?jī)H為塔器的百分之幾。該裝置在技術(shù)研發(fā)上尚不成熟，在FLNG 裝置、海上平臺(tái)、FPSO 等海上天然氣處理中仍需要進(jìn)一步研發(fā)和實(shí)踐檢驗(yàn)，以降低成本，保證設(shè)備性能的穩(wěn)定性和高效性[16]。

3 結(jié) 語

本文對(duì)大型分離設(shè)備(氣液分離器、塔器)開展性能分析，并對(duì)一些典型凈化工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論。

(1) FLNG 裝置預(yù)處理工藝中，在設(shè)備選型時(shí)不僅要布局緊湊合理，更需要設(shè)備高度安全可靠。研究中要充分考慮傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大膽創(chuàng)新，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬方法，多因素比選，提出創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路。

(2) 傳統(tǒng)氣液分離器存在較大的氣液界面，為了保證分離效率和穩(wěn)定性，推薦采用占地面積較小的立式分離器。對(duì)臥式三相分離器可設(shè)置內(nèi)部擋板進(jìn)行優(yōu)化。尋找相關(guān)變量的最佳組合是今后一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了達(dá)到FLNG天然氣水含量的要求，推薦采用對(duì)工質(zhì)物性變化不敏感的分子篩作為天然氣預(yù)處理中的深度脫水工藝。

(3) 針對(duì)海況特殊環(huán)境，脫酸工藝中所需要的大型塔器設(shè)備推薦選用效率較高、抗晃動(dòng)能力較強(qiáng)的填料塔，設(shè)計(jì)時(shí)需精確考慮限制高徑比降低運(yùn)動(dòng)影響。另外，新提出的超重力旋流分離設(shè)備在FLNG 裝置、海上平臺(tái)、FPSO 等海上天然氣處理中的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步研發(fā)和實(shí)踐檢驗(yàn)，以降低成本，保證設(shè)備性能的穩(wěn)定性和高效性。

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ResearchDevelopmentofLargeSeparationDevicesinLNGPretreatmentforFLNG

LI Yan, YU Xi-chong, WANG Chun-sheng, WANG Qing, HAN Xu-liang

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Separation devices are the key equipment in the liquefied natural gas (LNG) pretreatment process of the offshore floating production system, and the distributions in the devices could make large impacts on the separation efficiency, especially under the specific conditions in the offshore oil/gas field, which will decrease the efficiency of the pretreatment processes. We review the overseas and domestic research status about the gas-liquid flow and mass transfer performances under sloshing conditions, analyze the characteristics of the gas-liquid separator, packed column and the purification process, and provide some research approaches for improving the separation efficiency of the floating equipment. According to the practical project, the current problems and the future research emphases of the offshore separation equipment are pointed out, which could offer advices for the offshore separator selection and optimization.

offshore oil and gas exploitation; floating liquefied natural gas unit (FLNG); gas-liquid separation; offshore environment; sloshing; separation efficiency

2017-03-31

李焱(1986—)，女，博士，工程師，主要從事海洋石油工程液化工藝與關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)研究。

TE645

A

2095-7297(2017)05-0249-06