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1、天然氣脫水脫烴技術(shù)的重大突破
北京金都源泉科技發(fā)展有限公司從俄羅斯獨(dú)家引進(jìn)了一種有效的分離和加工天然氣的新技術(shù)----3S超音速分離技術(shù)。該技術(shù)及裝備已在國外石油天然氣行業(yè)被成功應(yīng)用。
超音速分離器(Super Sonic Separator簡稱3S),是俄羅斯專家團(tuán)將航天技術(shù)的空氣動力學(xué)成果應(yīng)用于油氣田天然氣處理、加工領(lǐng)域而研發(fā)的新型、高效分離設(shè)備。天然氣超音速脫水、脫烴技術(shù)屬于低溫冷凝法,利用拉瓦爾噴管、導(dǎo)向葉片加速飽和濕天然氣達(dá)到氣水分離之目的.天然氣超音速分離器將膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的功能集中到一個管道中,大大簡化了工藝流程,提高系統(tǒng)可靠性,并降低其投資、運(yùn)行費(fèi)用和減少環(huán)
2、境污染。天然氣超音速脫水技術(shù)易于形成體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的橇裝設(shè)備,非常適合單井集氣工藝的井口、多井集氣工藝的集氣站的天然氣脫水、脫烴。
以3S為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備,如熱交換機(jī)、氣液分離器、冷卻機(jī)、蒸餾和精餾塔等,創(chuàng)造出了高效的LTS(低溫分離)系統(tǒng),可用于工業(yè)和天然氣加工廠,包括海上平臺的天然氣加工。目前,3S具有解決天然氣工業(yè)下列問題的能力:
天然氣脫水,解決天然氣輸送的水露點(diǎn)控制問題;
分離油田氣中天然氣液烴(NGL)組分,回收其中的C2+或C3+,并解決天然氣輸送的烴露點(diǎn)控制問題。
除此之外,俄羅斯專家團(tuán)還在加緊進(jìn)行提高3S裝置效率的實(shí)
3、驗(yàn)研究,將來3S可用于天然氣液化、分離丙烷—丁烷(LPG)、分離乙烷等。
一、 3S超音速分離器的研制
3S設(shè)備的研究和測試始于1996年。俄羅斯專家團(tuán)的研究人員對超音速氣流中液滴的形成過程進(jìn)行了全面的分析研究,測定了液滴沿噴管徑向和軸向的分布,并開發(fā)了一種用光學(xué)方法測定液滴的技術(shù),建立了超音速噴管的天然氣旋流的計(jì)算程序,反映了天然氣的固有屬性和過度階段的狀態(tài)。
該公司在俄羅斯建立了天然氣日處理量為30104m3(2.5kg/s)的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)裝置,還在國外建立了天然氣日處理量為110104m3(9kg/s)的更大的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)裝置,對3S裝置的各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置可
4、以測量天然氣在3S設(shè)備中不同點(diǎn)的流速、壓力和溫度。用了近4年的時間,在不同溫度、壓力和不同天然氣氣體組分的條件下,對3S設(shè)備進(jìn)行了400多次測試,包括對次音速、近音速和超音速分離狀況的測試,取得了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),并驗(yàn)證了3S設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算模型。2004年9月,該公司第一套工業(yè)用3S裝置在俄羅斯一座處理能力超過4108m3/y的天然氣工廠的低溫系統(tǒng)中成功投運(yùn),完成了從實(shí)驗(yàn)研制到工業(yè)化應(yīng)用的整個過程,3S技術(shù)及其裝置的工業(yè)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟并已經(jīng)在俄羅斯、美國、德國、意大利、法國、荷蘭、英國、挪威、澳大利亞、巴西等國和歐亞專利聯(lián)盟獲得專利。國際專利組織已向這些國家正面推薦使用3S技術(shù)。
二、
5、 什么是3S超音速分離器
3S超音速分離器是基于天然氣旋流在超音速噴管內(nèi)絕熱膨脹降溫,分離天然氣中的水分和天然氣液烴(NGL)組分的一種新型、高效分離設(shè)備。
3S由旋流器、超音速噴嘴、工作段、兩相分離器、擴(kuò)散器和導(dǎo)向葉片等組成,其結(jié)構(gòu)見示意圖1.
圖.1 3S超音速分離器結(jié)構(gòu)示意圖
三、 3S的工作原理
3S的工作原理是,天然氣首先進(jìn)入旋流器旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生加速度為106m/s2的旋流,該旋轉(zhuǎn)氣流在超音速噴管入口表面的切線方向產(chǎn)生一個或多個氣體射流(這種有選擇性的噴射可以對3S進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)),并在噴管內(nèi)降壓、降溫和增速。由于天然氣溫度降低,其中的水蒸汽和NGL組分凝
6、結(jié)成液滴,在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度和離心力的作用下,液滴被“甩”到管壁上從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。然后,液體通過專門設(shè)計(jì)的工作段出口流出,氣體則進(jìn)入擴(kuò)散器,減速、增壓、升溫后流出。在超音速噴管中不會生成水合物。
天然氣流在擴(kuò)散器內(nèi)壓力回升,使3S進(jìn)出口壓差小于超音速噴嘴的進(jìn)出口壓差,因此3S與傳統(tǒng)的、通過天然氣自身壓力膨脹降溫的制冷設(shè)備(J-T閥和膨脹機(jī))相比,在相同壓差情況下,3S可使天然氣產(chǎn)生更大的溫降見圖2.
圖2.膨脹制冷設(shè)備進(jìn)出口壓差與溫差關(guān)系圖
更大的溫降就能使天然氣有更低的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。例如:進(jìn)口壓力為10Mpa,溫度為20℃的天然氣,在3S中只需降低17-20%的壓力
7、,就可使出口天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)達(dá)到-10℃;如果降低22-25%的壓力,就可達(dá)到-15℃的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。
另外,在制冷溫度相同的情況下,3S具有更高的NGL收率,見圖3.
圖3.膨脹制冷設(shè)備的制冷溫度與液烴收率關(guān)系圖
根據(jù)不同用途,3S還可以采用次音速或超音速連接口,可采用不同的旋流器和擴(kuò)散器。而且還可以在工作段壁體上打孔回收液體。
四、 3S用于油氣田脫水、脫烴的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)的、通過天然氣自身壓力膨脹制冷的脫水、脫烴方法相比,3S具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、 效率高
發(fā)生在超音速噴管中的膨脹降壓、降溫、增速過程,以及發(fā)生在擴(kuò)散器中的減速、升壓、升溫過程,都
8、是氣體的內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換,不存在能量損失。因此,3S不僅比等焓節(jié)流膨脹制冷的J-T閥效率高,而且還比等熵膨脹的膨脹機(jī)制冷的效率高。
2、 能耗低
與J-T閥制冷相比,在NGL收率相同的情況下,3S減少壓縮機(jī)電力消耗50-70%;用3S代替膨脹機(jī),在NGL收率相同的情況下,可減少15-20%的壓縮功率。特別是,當(dāng)膨脹機(jī)由于技術(shù)原因(諸如進(jìn)口壓力太高)或因在中小油氣田用膨脹機(jī)制冷不經(jīng)濟(jì)的場合下,3S的優(yōu)勢將更加突出。
3、 無活動部件、系屬靜設(shè)備,因此運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全可靠。
4、 工藝過程和設(shè)備簡單,投資省。
5、 本身無消耗,因此運(yùn)行成本低。
6、 檢修工作量小,因此維修費(fèi)用低。
7、
9、 無廢水、廢液排出,因此對環(huán)境無影響。
8、 體積小,所以占地和占有的空間小。
從已經(jīng)取得的成果足以表明:3S用于石油天然氣處理、加工領(lǐng)域,具有很高的運(yùn)轉(zhuǎn)安全性和可靠性,并能獲得很好的經(jīng)濟(jì)收益,是非常適合陸上和海上油氣田,在各種不同場合使用的天然氣脫水、脫烴設(shè)備。
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