关键词：天然气；小压差；节流制冷；脱烃工艺
1、概述
某气田为低碳硫比天然气气田。天然气中H2S和CO2含量低于国家标准《天然气》中Ⅱ类气质标准，但天然气中的重组分较多，低温下平均每1×104m3天然气，可产0.01m3烃液。
从2009年开始气田北区采用常温输送工艺，天然气在集气站经三甘醇等方式脱水后汇输到141井区集配气总站外输。在输气管线的运行中发现有烃液析出，为降低外输气烃露点，当时提出了一系列方案。例如：将进141集配气总站的天然气压力由4.8MPa压缩至7～8MPa，再通过节流、降温、分离达到降低烃露点的目的。还有方案提出设置氨制冷系统，通过外冷将天然气降至所需低温，分离出烃液后外输。这些方案工程投资大并且在以后的运行中能耗也很高。
141井区集配气总站日外输天然气90〔104m3左右，天然气进站压力4.6～4.8MPa，出站外输压力为4.1～4.2MPa。天然气进站温度5℃至20℃，要求外输气烃露点低于-12℃。经过分析研究，设计了小压差节流低温脱水脱烃工艺装置，于2013年8月一次投产成功，完满地解决了141井区天然气低温脱烃的问题。
2、小压差节流低温脱烃工艺原理
脱烃的工艺有多种，当要同时脱除天然气中的水和重烃时，采用低温法最为合适。天然气低温脱烃工艺与其它低温冷凝分离工艺相比有如下特点：
①天然气低温脱烃，对被处理的天然气而言只是一个过程，天然气降温脱除重烃后，复热外输，外输天然气的温度与处理前天然气温度之间差值很小；
②从天然气中脱除的烃其质量与被处理的天然气总质量相比，比例甚小，只占几十分之一至几百分之一；③以甲烷为主要成分的天然气在输气工程常见的压力和温度范围内（包括在低温下）具有良好的等焓节流膨胀产生温降的热工特性。根据上述低温脱烃的三个特点，研究设计了小压差低温脱烃工艺，工艺流程见图1。
图1小压差节流原理流程图
1-外输干气2-原料气3-板翅式换热器4-JT阀5-分离器6-凝液
忽略分离器、管阀与大气的传热，节流产生的温降ΔT1=t2-t3，也就是换热器的冷端温差。换热器的热端温差ΔT2=t1-t4，在换热器中原料气的焓降等于外输气的焓升。由于凝液量相对很小，原料气与外输气的质量差值很小，因此，换热器的冷、热端温差值也很小。在冷端温差很小的情况下，仍可产生一定值的热端温差。换热器的对数平均温差为：
ΔT=（ΔT1-ΔT2）/Ln（ΔT1/ΔT2）
一些高效换热器，如板翅式换热器，在换热器平均温差大于0.5℃时，即可进行有效换热。根据传热公式：
Q=KFΔT
式中：Q———换热器热负荷，kJ/h；
F———换热器的传热面积，m2；
K———换热器总传热系数kJ/（m2h℃）；
ΔT———换热器平均温差，℃。
为了得到一定的换热量，当ΔT很小时，可增大换热器的换热面积。对于板翅式换热器，单位体积的换热面积可达1500～2500m2/m3。
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上式中的Q值，既是换热器冷、热介质间的换热量，也是原料气通过换热器换热降温所失去的热量，即
Q=GCpΔt
式中：Q———原料气换热降温所失去的热量，kJ/h；
G———原料气质量流率，kg/h；
Cp———原料气定压比热容，kJ/（kg℃）；
Δt———原料气经换热器换热后产生的温降值（Δt=t1-t2），℃。
为了使天然气低温脱烃后，满足管输对烃露点的要求，可设计一个满足要求的Δt，从而得到换热器的热负荷。根据工程中所能提供的节流压差，得到换热器的冷端温差，进而计算得到换热器的换热平均温差。根据所选择的换热器确定总传热系数，得到换热器所需的设计换热面积。天然气小压差节流制冷脱烃工艺的原理概括起来说就是：通过一个小压差节流使天然气产生一个小温降，以此温降作为换热器冷端温差。选取足够大的换热器面积，使原料气在此小冷端温差下经换热产生足够大的温降，以满足天然气脱烃的要求。
3.技术应用情况
（1）系统的启动。用计算机可模拟系统启动初期短时间里天然气经换热器换热后的降温过程。当装置刚开始投入运转时，原料气经换热器换热降温至设计值有一个逐渐降温过程。最初当原料气温降值小于设计值时，原料气在换热器中被带走的热量Q′小于设计值Q，对于换热面积及传热系数已确定的换热器，当换热量Q′<Q时，所需要的换热温差ΔT′小于实际节流产生的平均温差ΔT。由于这个原因，原料气经换热后的温降随时间的推移而不断下降，直至原料气经换热后温降达到设计值t2时，换热量Q′=Q，换热所需温差与小压差节流产生的换热器平均温差相等，系统达到平衡。
（2）运行情况。2013年8月，在某气田陕141集配气总站投产一套小压差节流制冷天然气低温脱烃装置，该装置日处理天然气89×104m3，进站压力4.6～4.8MPa，出站压力4.1MPa，利用天然气进出站之间0.5～0.7MPa的压力差节流，使进站温度为20℃的天然气，通过换热达到-18℃的低温，液烃被分离出，而后复热外输，日分离出重烃1.1m3，天然气外输气烃露点达到了设计要求。
（3）技术特点及效益分析。小压差节流天然气低温脱水、脱烃技术利用原料气剩余的微小压力，使原料气大幅度温降，达到脱水脱烃的目的。以陕141井区集配气总站改造工程为例，该方案与前述增压和外冷方案相比节流投资约三分之二，年节能（电能）约7×106kWh，同时小压差节流装置运行稳定、可靠，操作简单，无运动部件，维修工作量极小。
4.技术延伸
小压差节流制冷天然气低温脱烃技术，可自然地延伸至小制冷量制冷天然气低温脱水脱烃技术。在天然气没有微小的节流压差可利用时，可采用一个能提供小制冷量的外冷源如氨制冷蒸发器等，以取代上述流程中的节流阀，该外冷冷源只要能在一定的低温下将原料气继续降温2～5℃左右，即可使原料气温降至所需要的低温，实现天然气低温脱水脱烃。采用小制冷量制冷天然气低温脱水脱烃技术，与传统设计相比可大辐度降低制冷机组的额定冷负荷，节约设备投资和运行功耗。
参考文献：
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[3]屈志伟.天然气净化处理装置蜡堵处理技术探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（04）：191-192.
论文作者: 王非
论文发表刊物:《文化时代》2019年17期
论文发表时间:2020/1/16
标签：天然气论文; 换热器论文; 低温论文; 温差论文; 换热论文; 原料论文; 气田论文; 《文化时代》2019年17期论文;