中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

大牛地氣田在開發(fā)初期，在集氣站采用高壓集氣、節(jié)流膨脹制冷、低溫分離脫水工藝，保障外輸氣質(zhì)達到要求[1]。隨著氣井壓力下降，站內(nèi)可利用節(jié)流壓差逐漸降低，脫水深度降低。通過在集氣站應用小壓差節(jié)流脫水工藝，在一定時期內(nèi)可繼續(xù)保障集氣站脫水深度。但小壓差節(jié)流脫水工藝應用效果受到多種因素影響，氣田生產(chǎn)中一般只進行了定性分析。為實現(xiàn)對該工藝系統(tǒng)的定量分析及評價，總結(jié)了一項計算公式，可對該工藝系統(tǒng)的節(jié)流制冷溫降系數(shù)進行定量計算，對該工藝的后續(xù)應用及調(diào)整具有一定指導意義。

1 工藝原理

根據(jù)焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹原理，當天然氣壓力為5 MPa 左右時，節(jié)流1 MPa，天然氣溫度降低約5 ℃[2]。大牛地氣田集氣站脫水流程如圖1 所示。將圖中由板翅式換熱器、二級節(jié)流、二級分離器組成的系統(tǒng)稱為小壓差節(jié)流脫水工藝系統(tǒng)。利用換熱器對冷量進行回收，循環(huán)平衡之后，達到更低二級分離溫度，獲得小壓差大溫降的效果，節(jié)流溫降系數(shù)遠高于5 ℃/MPa（溫降系數(shù)：每節(jié)流1 MPa天然氣溫度相對降低值）。

2010 年，大牛地氣田在10#集氣站開展了小壓差節(jié)流脫水工藝試驗，控制0.5 MPa 的節(jié)流壓差，可使二級分離溫度由6.9 ℃降低至-8.2 ℃，脫水達標。節(jié)流溫降系數(shù)由5.1 ℃/MPa提高到35.4 ℃/MPa。通過10#站的試驗證明了小壓差節(jié)流脫水工藝的實用性。氣田先后在29 座集氣站推廣應用該工藝，延緩了大牛地氣田安裝集中增壓以及外冷脫水設施的時間，總體降低了天然氣處理成本，應用效果良好。

圖1 小壓差節(jié)流脫水工藝流程示意圖Fig.1 Process flow chart of small pressure difference throttle dehydration technology

2 定性評價方法

在大牛地氣田生產(chǎn)過程中，主要采用換熱效率η作為換熱器性能的評價參數(shù)。根據(jù)文獻[3]記載，可用公式（1）對換熱器換熱量進行估算，用公式（2）對換熱效率進行計算。

式中：Q為熱量，kW；m1，m2分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；Cp1，Cp2分別為熱、冷流體的定壓比熱，J/kg·℃；A為換熱器的總傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；F為換熱器的傳熱面積，m2；T熱進、T冷進、T冷出分別表示換熱器熱、冷流體進出口溫度，℃。

η主要用于評價換熱器的換熱制冷效果，其為實際換熱熱流量與最大理論換熱熱流量的比值，同時也是冷熱流體中熱容量較低的流體的進出口溫度差與冷熱流體進口溫度差之比，表示換熱器中冷熱流體進口溫度差的利用率[4]。在實際生產(chǎn)過程中，通過換熱效率η，可以對換熱器性能進行定性分析。但該方法只能對換熱器本身進行評價，具有一定局限性。

在各個集氣站設計建設過程中，換熱器、二級節(jié)流閥、埋地管線、分離器與土壤、大氣、保溫層等組成了一個獨立系統(tǒng)。利用HYSYS、FLUENT 等軟件可以建立小壓差節(jié)流脫水工藝模型，并模擬計算相關(guān)參數(shù)[5]。但因為該系統(tǒng)各組件之間的換熱系數(shù)難以測定，換熱器本身性能隨著生產(chǎn)進行也發(fā)生變化，而且各站都是一個有差異性的系統(tǒng)，利用軟件進行計算，需要參數(shù)多，測量及校核工作量較大。

3 定量評價方法

3.1 計算公式擬合

小壓差節(jié)流脫水工藝在各氣田應用過程中，影響其效率的主要因素包括節(jié)流壓差[6]、天然氣流體溫度、氣體流量、換熱器[7-8]、環(huán)境溫度[9]、保溫條件、施工建設質(zhì)量等。

在對該工藝應用的后評估過程中，以10#集氣站為目標，分析了2011 年、2013 年的全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括關(guān)鍵節(jié)點的溫度、壓力據(jù)、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)），對單位節(jié)流壓差可產(chǎn)生的溫降程度進行了擬合計算。為簡化計算，將圖1 中小壓差節(jié)流脫水工藝部分簡化為圖2 流程。將天然氣熱流進入小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)之后的熱交換過程，總體簡化為兩步。天然氣進站經(jīng)過一級分離脫水后，進入二級分離，天然氣在換熱器進口溫度為T熱進，經(jīng)過與環(huán)境換熱后，再通過二級節(jié)流降溫（二級節(jié)流壓差Δp），換熱器擴大溫降平衡后，最終在二級分離器內(nèi)達到的二級分離溫度為T分離。

針對小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)，以一級分離、二級分離溫差以及二級節(jié)流壓差定義小壓差脫水系統(tǒng)表觀溫降系數(shù)。

式中：K為表觀溫降系數(shù)（單位節(jié)流壓差條件下，天然氣流經(jīng)該系統(tǒng)后溫度降低程度），℃/MPa；T熱進、T分離分別表示換熱器熱氣進口溫度、二級分離溫度（等于換熱器冷氣進口溫度），℃；Δp為節(jié)流壓差，MPa。

圖2 小壓差節(jié)流脫水工藝簡化示意圖Fig.2 Schematic diagram of small pressure difference throttle dehydration technology

表1 為2011 年10#集氣站小壓差脫水流程生產(chǎn)數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)為1 周數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算采用全年數(shù)據(jù)，受篇幅限制數(shù)據(jù)未全部詳列。對2011 年10#站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，在節(jié)流壓差0.5 MPa 比較穩(wěn)定的情況下，受環(huán)境溫度影響，計算得到K值在15～50 ℃/MPa 之間。

根據(jù)集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度編寫公式（4）、公式（5）。進入小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)的氣流，與環(huán)境發(fā)生換熱，溫度降低了ΔT1=m(T熱進-T環(huán)境)；通過節(jié)流Δp壓差，產(chǎn)生降溫，再經(jīng)過換熱器擴大溫降后，天然氣溫度降低值ΔT2=kΔp。

式中：m取值范圍為0＜m＜1，如m=0，表示小壓差脫水系統(tǒng)與環(huán)境不發(fā)生熱交換，如m=1，表示小壓差脫水系統(tǒng)與環(huán)境充分換熱，天然氣經(jīng)過換熱后與環(huán)境溫度相同；當小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)絕熱，系統(tǒng)溫降系數(shù)定義為k（用于表示小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)），℃/MPa。

將2011 年全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入公式（5）求解計算，m=0.54，代入后求解k。k平均值為30.1 ℃/MPa，該值為10#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)。利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)及公式，可得到以下兩組表觀溫降系數(shù)(K)值。

實測值：

公式計算值：

圖3 中為330 組表觀溫降系數(shù)K的計算值與實測值。剔除部分相鄰生產(chǎn)日溫度、壓差急劇變化以及溫度記錄有誤的數(shù)據(jù)，公式計算值與實測值的平均相對誤差為8.5%，相對誤差大于10%的數(shù)據(jù)少于30 組。另外小壓差脫水系統(tǒng)部分節(jié)點監(jiān)測采用精密水銀溫度計測量溫度，測量精度為±0.4 ℃。當T熱進-T環(huán)境≤±0.4 ℃可認為與環(huán)境無換熱，此時計算的K值應與k值相等，2011 年度，共得到12組樣本數(shù)T熱進-T環(huán)境≤±0.4 ℃，K值均值為30.4 ℃/MPa，與前述計算k值30.1 ℃/MPa 相當。10#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)溫降系數(shù)公式計算值與實測值結(jié)果較一致，相對誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足天然氣集輸內(nèi)部生產(chǎn)分析需求。

圖3 2011 年10#集氣站溫降系數(shù)Fig.3 Temperature drop coefficient of No.10 Gas Gathering Station in 2011

表1 10#集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Production data of No.10 Gas Gathering Station

為了進一步驗證該計算方法的準確性，利用2011 年數(shù)據(jù)擬合計算得到的m、k值，對2013 年10#集氣站全年溫降系數(shù)進行計算，并與實測值對比，結(jié)果見圖4，公式計算值與實測值趨勢一致。

圖4 2013 年10#集氣站溫降系數(shù)Fig.4 Temperature drop coefficient of No.10 Gas Gathering Station in 2013

擬合公式（5）可在一定誤差范圍內(nèi)對小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)的性能進行定量分析及評價。利用該公式可以對集氣站一級分離后，在一定壓差條件下的二級分離溫度進行計算。

3.2 計算公式的應用

根據(jù)擬合公式（5），對氣田其他集氣站進行分析計算，得到2011 年、2013 年29 座集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k值及m值。2011年，29 座集氣站平均k值為30.7 ℃/MPa，其中9 座集氣站k值大于35 ℃/MPa，12 座集氣站k值在25～35 ℃/MPa 之間，8 座集氣站k值小于25 ℃/MPa。2013 年，k值平均值降低至26.4 ℃/MPa，只有1 座集氣站溫降系數(shù)大于35 ℃/MPa。根據(jù)分析，2011—2013 年，集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)性能發(fā)生了小幅下降。計算m值在0.3～0.6 之間，說明小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)與環(huán)境之間存在較為顯著的熱交換。當節(jié)流壓差＜0.2 MPa 時，平均相對誤差增大至20%以上。結(jié)合集氣站工況以及計算公式的產(chǎn)生背景，目前該公式的適宜應用條件應包括節(jié)流壓差＞0.2 MPa、天然氣處理量＜50×104m3/d、換熱器結(jié)構(gòu)較簡單、生產(chǎn)工況平穩(wěn)等。

以2013 年各集氣站小壓差脫水系統(tǒng)溫降系數(shù)為基礎，對集中增壓初期，各集氣站脫水深度進行分析。冬季工況，控制節(jié)流壓差為0.2 MPa 以上時，29 座集氣站均可以節(jié)流制冷脫水達標。夏季工況，通過小壓差脫水系統(tǒng)后，大部分集氣站需要控制節(jié)流壓差達到0.5 MPa 時，才能滿足脫水要求，實際上只有10 座集氣站二級節(jié)流壓差能達到0.5 MPa。利用該公式指導，對部分m值大于0.5 的集氣站二級脫水流程進行保溫處理，使夏季工況集氣站二級脫水溫度小幅降低。

通過公式計算，發(fā)現(xiàn)部分集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k連年下降，其中27#集氣站k值由最初的45 ℃/MPa 降低到22 ℃/MPa，降幅達到50%。檢測發(fā)現(xiàn)板翅式換熱器內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)垢及污濁現(xiàn)象，這是導致?lián)Q熱效率下降的主要因素。由于換熱器是密閉集成設備，無法拆卸處理，通過采用藥劑對換熱器內(nèi)壁簡單沖洗后，排除大量油污及泡沫物質(zhì)。清洗后27#集氣站小壓差節(jié)流脫水系統(tǒng)固有溫降系數(shù)k上升至28 ℃/MPa。

隨著氣井壓力的持續(xù)降低，在2013—2018年，大牛地氣田陸續(xù)實施了天然氣集中增壓工程、丙烷制冷集中脫水脫烴工程以及集氣站增壓工程。2018 年大牛地氣田各集氣站應用了小站增壓外輸工藝，集氣站小壓差節(jié)流制冷脫水工藝逐漸全部停用。目前華北油氣分公司其他氣田區(qū)塊逐步進入開發(fā)階段，可根據(jù)需求應用小壓差節(jié)流脫水工藝，其他氣田在用的小壓差節(jié)流脫水工藝設施可參考大牛地氣田節(jié)流溫降擬合公式進行效果分析及評價。

4 結(jié)論

小壓差節(jié)流脫水工藝系統(tǒng)在大牛地氣田天然氣處理過程中發(fā)揮了重要作用，可在其他氣田繼續(xù)應用。根據(jù)集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)得到的擬合公式，可簡便快捷地對該系統(tǒng)進行分析評價。該工藝系統(tǒng)與環(huán)境之間存在顯著換熱，換熱器性能對應用效果影響較大，后續(xù)應用中需要加強保溫、除垢等，并考慮優(yōu)化換熱器設計。