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天然气液化技术在海上油田伴生气回收中的应用_图文

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天然气 液化 技术 海上 油田 伴生 回收 中的 应用 图文
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51卷增刊2 2010年l2月 中 国 造 船 SHIPBUILDING 0F CHINA Vo1.5 1 Special 2 Dec.2Ol0 文章编号:1 000。4882(20 1 0)$2—586.06 天然气液化技术在海上油田伴生气 回收中的应用 郑晓鹏,王春升,陈国龙 (中海石油研究总院,北京 100027) 摘要 首次提出将天然气液化技术用于回收海上油田伴生气和边际气田等天然气资源,开发模式为“可移动 平台+小型橇装LNG装置+滚装运输船”,产品为LNG、LPG和轻油。海上小型天然气液化装置选用复合MDEA 溶液脱除酸性气体,分子筛脱水;天然气液化采用单级混合制冷剂制冷流程,混合制冷剂由净化后的天然 气、LPG、氮气和乙烯配制而成。整个天然气液化装置具有流程简单紧凑、制冷剂适应性好、工艺模块化、 设备撬装化等特点,为海上零散天然气资源的开发利用提供了一种全新的技术方案和开发模式。 关 键 词:伴生气回收;边际气田开发;小型;天然气液化 0 引 言 海上伴生气及边际气田等天然气资源的回收利用长期以来是摆在海洋石油作业者面前的难题。因 其产量小,而且开采过程中气量变化较大,可采年份有限,常规的“固定平台+管道输送”的开发模 式没有经济效益。导致目前的现状是边际气田得不到有效开发,伴生气除部分作为燃料气或回注外, 很大一部分因为无管输系统或管输能力不足等原因都被冷放空或烧掉,造成巨大的能源浪费和环境污 染。如何经济合理地开发利用这些天然气资源,用简洁、快速、技术可行的方法使之转化为可用资源, 节能减排,己成为迫在眉睫的任务。 液化天然气(简称LNG)是天然气资源应用的一种重要形式。它是气田开采出来的天然气(或油 田伴生气),经过脱水、脱酸性气体和重烃,然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。LNG的主要成 分是甲烷,常压下液化温度约为一162℃,液化后体积约为液化前气体体积(常压)的1/600,巨大的 体积差是采取液化方式储运天然气的主要原因。天然气液化技术在陆上是成熟技术,多为大型液化工 /一。将小型橇装天然气液化装置用于零散天然气资源回收是近年来国内外的研究热点。中海油研究中 心在《海上油田伴生气利用研究》课题中,首次将小型天然气液化技术用于海洋工程,提出了“可移 动平台+小型橇装LNG装置+滚装运输船”的开发模式,即在自升式平台上建造小型橇装天然气液化 装置(处理能力l0万方/天),接收油田伴生气,处理成合格的LNG产品,同时得到副产品LPG和轻 油,定期通过滚装运输船运送到岸上转售。平台可迁移,可运到别的油气田重复使用。 将小型天然气液化装置应用于海上零散天然气资源回收尚属首次,是非常有环保意义和社会意义 的探索。海上天然气液化工艺与陆上相同,都是包括天然气预处理、液化、储存等环节。不同的是, 海上天气环境恶劣,风浪大,空间有限,应用于海上的小型液化装置要求系统尽可能简单,更容易获 得制冷剂,装置占地尽可能小,重量尽可能轻。本项目提出的小型橇装单级混合制冷剂液化循环的天 然气液化装置具有流程简单紧凑、制冷剂适应性好、工艺模块化、设备撬装化等特点。为海上零散天 51卷增刊2 郑晓鹏,等:天然气液化技术在海上油田伴生气 收中的应用 587 然气资源的开发利用提供了一种全新的技术方案和开发模式。 图1为海上油田伴生气液化工艺流程图:原料气经压缩机增压至4.9MPaG,依次通过脱酸、脱水、 脱汞单元进行净化处理。在进入液化系统前先将重烃分离,分离后的甲烷及其它成分继续进冷箱液化。 生成LNG,同时得到副产品LPG和轻油,分别储存。此工艺流程烃类液化回收率达99.6%。 本文将详细介绍海上小型液化装置天然气预处理技术、液化工艺选择、成橇原则及总体布置,为 海上零散天然气资源的回收提供参考。 1气源参数和产品规格 轻妯储罐 图1 海上油田伴生气液化工艺流程图 海上橇装天然气液化装置以渤海某油田的伴生气为目标气源,气体的处理量为1O万m。/d,气体 压力为0.45MPaG,温度是40~C。组分如表1所示,其中重组分含量较高,脱除二氧化碳和水后的净 化气中,C3+体积含量为l8.54%,cj 体积含量为5.19%,LPG和轻油回收有经济价值。本项目的产 品有LNG、LPG和轻油三种,每天产量分别为75.6t、19.6t和19.6t。 表1 海上油田伴生气液化装置目标气源参数 2天然气预处理 根据天然气液化装置原料气预处理标准和杂质的最大允许含量,海上来的伴生气液化前需要脱除 其中的水、二氧化碳、硫化氢、重烃和汞等,以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结堵塞设备和管道。 天然气预处理在陆上是成熟的技术,应用于海上时,要充分考虑波浪引起的船体运动对设备性能可能 产生的不良影响。 本项目选用了高效低能耗的复合MDEA溶液脱除其中的二氧化碳,天然气净化流程模拟及其适应 中 造 船 学术论文 性分析表明,该流程具备反应热小,解吸温度低,无毒不易降解,腐蚀性小,工艺成熟、可靠,对环境 条件要求小、对天然气中C0 含量变化适应性好的优点。可定期分析天然气入口组分,根据C0 含量 变化调节胺液循环量,能够有效降低运行成本。 脱除酸性气体后的天然气采用4A分子筛深度脱水,干燥系统采用2塔8h一周期切换操作方法。 具有脱水深度高、装置简单、占地面积小等优点。 采用载硫脱汞专用活性炭吸附方法脱除天然气中的汞,占地小,使用、管理简便,运行费用低, 吸附饱和后由厂家进行集中再生。 3重烃分离与液化 气源中重烃含量较高,为防止重烃在低温下冻堵换热器和管道,Cs 组分必须处理到70ppm以下。 将分离出的天然气凝液进行精馏分离,生产出合格的LPG和轻油,提高装置的经济性。 经预处理系统脱去酸性气体和水分后的净化天然气经冷吸收塔底液体冷却后进入冷吸收塔脱除 大部分的重烃。塔顶的气体进入冷箱冷却到一定的温度后,进入重烃分离罐,将冷凝下来的液态重烃 分离出来,冷凝液泵入冷吸收塔中作为冷吸收源,冷凝净化气中的重烃,同时随着冷凝液温度的升高, 含有的轻组分也汽化,塔顶是重烃成分很少的天然气,塔底是以C。 为主的冷凝液。重烃分离罐分离 出来的气体中C 的含量小于70ppm,,这部分气体在冷箱内被继续冷却和液化,并被过冷到一定的温 度后进行节流,进入液化天然气储罐储存。在冷吸收塔塔底的冷凝液节流降压,与来自净化系统的净 化天然气换热后进入脱乙烷塔中,原料气压缩后冷凝出的液体也进入到脱乙烷塔中,在脱乙烷塔中分 离出以甲烷和乙烷为主的塔顶气,塔底为C。 的液体,塔顶气体作为天然气脱水系统的再生气,首先 进行加热到一定温度后去再生分子筛,冷却后分离出水后的气体一部分作为燃料气,剩余部分混入原 料天然气系统经压缩后进入净化系统。塔底c。 的液体进入脱戊烷塔,塔顶分离出经丙烷和丁烷为主 的副产品LPG,塔底为Cs 的副产品轻油。 4天然气液化流程选择和适应性研究 液化装置是LNG海上应用中的关键技术,直接影响到整个平台运行的安全性和经济性。海上平台 要经受各种恶劣气候和风浪的袭击,海上作业的特殊环境对液化流程提出了如下要求: ①装置的流程简单,设备布置紧凑,占地少,满足海上的安装需要: ②液化装置有制取制冷剂的能力,对不同产地的天然气适应性强,热效率较高; ③安全可靠,船体的运动不会显着地影响其性能。 l0万m。/d规模的处理量属于小型天然气液化装置。根据目前国内外对海上天然气液化技术的研 究,针对可能用于海上小型天然气液化装置的三种液化流程(双级氮膨胀循环、氮甲烷膨胀循环和单 级混合制冷剂循环)进行了详细的模拟计算和流程参数优化,并从液化流程的复杂程度、效率、对海 上运动状态的适应性、液化系统的维护特性、液化系统制冷能力的调节性能以及制冷剂的获取等方面 进行比较,结果见表2。 针对石油伴生气源,本身可以生产制冷剂,选用单级混合制冷剂液化循环是比较有利的。整套系 统只需外购一种制冷剂,不用设置各种制冷剂的储罐,降低了混合制冷剂液化循环的复杂程度。单级 混合制冷剂循环经过压缩机压缩和水冷却后为两相状态(液相体积约为3%),通过合理布置压缩机 和冷箱,能够满足气液两相输送要求和适应海上的运动状态。单级混合制冷剂循环在低温部分没有运 动件,系统机械可靠性较好,设备维护量低。可以通过节流阀对系统运行参数进行调节,对于较大的 5l卷增刊2 郑晓鹏,等:天然气液化技术在海上油F玎伴生气 收中的应用 589 气源条件变化,还可以通过调整制冷剂组分来实现新的最佳工况。但该流程的主要缺点是启动速度较 慢。本项目中的自升式可移动平台可能迁移到不同油田使用,综合考虑装置的适应性,最终选用单级 混合制冷剂液化流程。 表2 海上油田伴生气液化装置三种液化流程参数比较 混合制冷剂液化循环涉及到制冷剂的混配和储存问题。混合制冷剂循环中功耗最低的是由甲烷、 乙烷(或乙烯)、丙烷、异戊烷和氮气这5种配比而成。但由于石油伴生气的规模较小,不可能对每种 烃类组分都分离出纯的烷烃,混合制冷剂最好能完全取自石油伴生气,采用LPG、脱乙烷塔顶气体和 氮气组成。研究中对比了四种混合制冷剂配比方案,结果见表3: 表3混合制冷剂配比方案比选 综合考虑,最终选择方案三即采用净化后的天然气、LPG、纯乙烯和氮气作为制冷剂,只需要外 购和储存乙烯,既维持了混合制冷剂液化循环的高效率,又减小了制冷剂储存的占地面积。 DNV的大量研究表明,海上建造LNG装置与陆地具有相近的安全量级,尽管混合制冷剂是易燃易爆 工质,为海上LNG生产带来一定风险,但通过相关设计能够避免危险的发生。 在实际液化天然气生产过程中,外界环境和海水温度、天然气的产量和组成变化都会对系统产生 影响。设计中充分考虑了这些因素,对流程进行了适应性研究。流程模拟及优化结果表明:通过调节 制冷剂压缩机的进出口压力、制冷剂循环量和制冷剂系统参数,单级混合制冷剂液化流程对外界条件 变化具有良好的适应性和很大的调节能力,液化系统能够正常运行,且制冷效率仍然很高。 590 中 国 造 船 学术论文 5设备国产化研究 海上小型天然气液化装置的主要工艺设备包括天然气和制冷剂压缩机、液体泵、阀门、储罐,低 温金属软管、板翅换热器和冷箱,自控仪表以及常规非标设备等等。根据海上工作环境和液化装置的 要求,研究关键设备国产化的可行性。研究认为,大部分国产设备基本能够满足项目需求,除低温调 节阀门、低温LNG泵和低温软管等考虑使用可靠性因素推荐优先选择国外成熟产品外,其它设备均可 在国内找到可靠的供应商,建议尽可能国产化,以降低成本,提高海上零散天然气资源回收的经济性。 6海上天然气液化装置撬装化设计方案 自升式可移动平台空问有限,海上天然气液化装置的设计不能照搬陆地上天然气液化厂的设计习 惯,必须根据设备的不同功能单元,对设备进行合理划分与优化组合,实现撬装化设计与安装,减少 占地面积,降低安装成本,提高装置的紧凑性,增强液化装置的安全性和适应性。 本项目中的海上小型天然气液化装置,按功能大体可分为原料气压缩、天然气脱酸气、天然气脱 水脱汞、天然气液化、制冷剂压缩、制冷剂储配、重烃回收、产品储存等八个单元,设备总体上可以 分为动设备类橇块和静设备类橇块。总体布置时各单元设备尽量放在一起,以减少管道连接,节省空 间。同时,相同类型设备尽量放在一起,易于维护和成橇安装,细长高大设备尽量放在橇块中部,防 止摆动。动设备尽量放在两边,便于防爆处理。设备的布置还必须考虑操作维修空间要求。 LNG工艺橇块总体布置如图2所示。 塔群 管橇 7 结 论 脱 图2海上伴生气液化装置LNG工艺橇块布置 储配模块 冷剂压缩机模块 海上油田伴生气利用项目首次提出将小型天然气液化技术用于海上油田伴生气或边际气田等零 散天然气资源的回收,提出了“可移动平台+小型橇装LNG装置+滚装运输船”的工程模式。 小型海上橇装天然气液化装置选用MDEA溶液脱除酸性气体,分子筛脱水。该天然气预处理工艺 对天然气处理量变化和C0 含量变化有较好的适应性。 针对可能用于海上小型天然气液化装置的三种液化流程进行了详细的模拟计算和优化比较,选择 出综合性能最高的单级混合制冷剂制冷流程。综合比较了四种可能的制冷剂获取方案,最终确定出了 由“净化后的天然气+LPG+氮气+乙烯”配制制冷剂。该液化方案效率高,流程简单,没有高速转 动设各,设各维护量低,对天然气组分变化等适应性强,系统功耗及生产成本最低。 51卷增刊2 郑晓鹏,等:天然气液化技术在海上油田什生气回收中的应用 59l 项目综合评价了关键设备国产化的可行性,除低温调节阀门、低温LNG泵和低温软管等推荐优先 选择国外成熟产品外,其它设备均建议国产化。总体布置上,对设备进行合理划分与优化组合,实现 撬装化设计与安装,提高装置的紧凑性、安全性和适应性。 研究表明,采用天然气液化技术回收海上零散天然气资源技术上是可行的,但需要达到一定规模 才有经济效益。对于边际气田或量比较大的伴生气,如果管输不经济,可以考虑建造紧凑、稳定、安 全的小型天然气液化装置,得到LNG的同时,还可能回收LPG和凝析油等高附加值的产品。既有经 济效益,又有极其重要的环保和社会意义,同时将海上资源回收利用的规模和技术手段提高到新的水 平。 参考文献: [1】 [2】 [3] [4】 顾安忠.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2004. 鲁雪生,顾安忠.关于LNG安拿储存的若干问题[J].深冷技术,2000(6) 朱刚,顾安忠.用于边际气田开发的浮式液化天然气生产储卸装置[J】.天然气工业,2004(7) 冯叔初、郭揆常.油气集输与矿场加工【M】.中国石油大学出版社,2006. [5】勘察设计注册工程师石油天然气专业管理委员会编[M】.勘察设计注册石油天然气工程师资格考试专业考试复习 指南(上册).中围石油大学出版社,2006. [6】刘光成.天然气凝液回收装置设计的优化[J].中围海上油气(工程),2001(8). Application of LNG Technology in the Utilization of Offshore Associated Gas ZHENG Xiaopeng,WANG Chunsheng,CHEN Guolong (China National Offshore Oil Corp.Research Center,Beijing 1 00027,China) Abstract LNG minitype skid mounted apparatus on a removable platform are proposed for the first time to collect offshore associate gas and to develop offshore marginal gas field.The production is LNG,LPG and condensate.Feed gas are purified by C02 absorption using mixed MDEA aqueous solution and molecular sieve dehydration.Single stage mixed—refrigerant natural gas liquefaction process are chosen and the refrigerant are mixed by purlfy natural gas,LPG,N2 and ethene. Key words:collection ofoffshore associated gas;development ofmarginal gas field;minitype,LNG 作者简介 郑晓鹏女,1978年生,工程师。 王春升男,1965年生,工艺工程师。 陈国龙男,1976年生,结构工程师。
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