天然气水露点直接测量主要采用冷却镜面法, 样品以一定流量流经露点仪的测定室中抛光的金属镜面, 该镜面温度可人为降低并能准确测量。样品中水蒸气随着镜面温度的降低逐渐达到饱和后, 开始析出凝析物, 此镜面温度即为该压力下的天然气水露点。天然气处理站一般采用间接测量的方法, 通过测量天然气含水量, 进一步转化获取水露点。含水检测的方法主要包括吸收称重法、卡尔费休法、红外法、色谱法等[1-3]。无论采用直接测量或是间接测量的方法, 测量过程均需要专业的仪器设备, 遵守严格的操作规程, 操作成本高, 操作者技能水平要求高, 不利于推广使用。本研究根据三甘醇脱水工艺特点, 创新提出了一种基于图版的水露点测量技术, 无硬件设备投入, 方法简单快捷, 测量误差低, 满足气田长期使用要求。
典型的三甘醇脱水工艺流程如图 1所示[4-8]。
从井口产出的天然气进入生产分离器进行油气水三相分离, 气体中大部分游离水被脱去, 出口天然气进入冷却器进行降温冷凝, 大部分重烃冷凝后进入入口过滤分离器进行脱除, 之后天然气进入三甘醇接触塔进行深度脱水, 脱水后达到外输干气水露点要求进行外输。
三甘醇再生装置包括三甘醇闪蒸罐、三甘醇过滤器、三甘醇再沸器、精馏柱、回流冷凝柱、汽提柱、贫富三甘醇换热器、三甘醇缓冲罐等。从接触塔吸水后, 富三甘醇经过回流冷凝柱预热, 进入三甘醇闪蒸罐脱出液烃组分, 然后进入颗粒过滤器和活性炭过滤器, 对固体杂质和残余液烃过滤, 经过贫富三甘醇换热器升温后, 进入三甘醇再沸器进行蒸馏脱水。脱水后的三甘醇进入汽提柱进一步提升纯度后, 变成贫三甘醇进入缓冲罐储存。
根据《海上采油工程手册》中天然气脱水系统设计一章, 三甘醇接触塔出口平衡水露点与贫三甘醇质量分数及入口气温度之间存在着定量关系[9], 如图 2所示。
该图版为三甘醇脱水系统设计普遍采用的经典图版。平衡水露点是在三甘醇和天然气在接触塔内接触达到平衡时, 气液充分传质后达到的水露点。在实际生产中, 由于接触塔内气液接触时间有限, 平衡状态无法达到。因此, 实际水露点不同程度高于平衡水露点。
以上三甘醇脱水系统工艺参数关系图提供了一种测量接触塔出口水露点的方法。假定实际脱水系统的出口水露点高于平衡水露点的偏差量为固定值, 通过采集入口天然气温度并化验贫三甘醇质量分数, 代入已知图版, 读取对应的平衡水露点, 然后用偏差量对平衡水露点进行修正, 即可获得实际水露点。为了验证该方法的可靠性, 需要调整三甘醇脱水系统相关参数, 测试在不同工况下平衡水露点与实际水露点之间的偏差量是否为固定值。
图版中涉及的基础参数为天然气入口温度与贫三甘醇质量分数, 需要测试在满足装置操作区间内, 以上两个参数变化后实际水露点与查图得出的平衡水露点之间的偏差量。测试期间, 除测试目标参数以外, 脱水系统以及三甘醇再生系统全部参数调整为正常操作值。测试基础参数设定如下：脱水系统天然气流量180×104 m3/d, 接触塔压力10 MPa, 贫三甘醇流量1.2 m3/h。
通过调整天然气冷却器负荷使天然气入口温度为30~36 ℃; 通过调整再沸器温度与汽提气流量, 使接触塔贫三甘醇质量分数为98.5%~99.5%;通过便携式露点仪测量在不同条件下接触塔出口天然气水露点。汇总得到天然气入口温度在30 ℃、33 ℃、36 ℃下不同贫三甘醇质量分数对应的出口水露点, 如表 1、表 2、表 3所列。
根据表 1~表 3, 对偏差量进行数据统计, 如表 4所列。
根据表 4, 实际水露点与查图得出的平衡水露点之间偏差量的方差极小, 说明偏差量数据集中在平均值, 偏差平均值可有效代表偏差真实值。因此, 可将实际水露点与平衡水露点的偏差量固定为平均值9.58 ℃。
偏差量确定后, 进一步分析偏差量固化产生的测量误差, 做出误差控制图, 如图 3所示。
根据图 3, 偏差量固化产生的测量误差范围在±2 ℃以内, 满足测量需求。
通过试验数据分析, 可以证明三甘醇接触塔出口实际水露点与平衡水露点之间存在着固定的偏差量。该偏差量通过数学统计的方法固化后, 产生的测量误差在±2 ℃以内, 满足正常测量需求, 说明采用图版修正法测量三甘醇脱水系统水露点的方法可靠。
为了应对不同操作者使用图版产生的读图误差, 开发出了图版修正法水露点测量软件。软件界面如图 4所示。
使用该软件, 输入接触塔温度范围以及贫三甘醇质量分数范围等基础数据, 输入当前天然气入口温度、化验获得的贫三甘醇质量分数以及试验测试得出的偏差量之后, 点击“数据运算”获得测量结果, 生成可以直接读取测量水露点的修正图版。软件还可根据系统的基础参数范围, 给定满足水露点达标状态的入口气温度以及贫三甘醇质量分数的目标匹配值, 指导对工艺进行调整。
使用图版修正法测量三甘醇脱水系统的水露点, 前提条件是明确采用经典图版查图获得的平衡水露点与实际水露点之间存在着确定的偏差量。如果可以验证在不同气田的脱水系统中以上偏差量仍然为固定值, 就可证明图版修正法的测量方法具有普遍适用性。本研究选取南海某两个气田进行推广验证。
气田1测试基础数据为：测试压力7 250 kPa; 测试温度范围28~29 ℃; 测试天然气流量560×104 m3/d。
气田2测试基础数据为：测试压力8 900 kPa; 测试温度范围25~31 ℃; 测试天然气流量190×104 m3/d。
使用图版修正法测量软件, 将偏差量设置为0, 此时软件计算值即为经典图版平衡水露点的精确查图值, 同时通过便携式露点仪测量实际水露点。连续进行一周测试, 测试数据如表 5、表 6所列。
对偏差量进行统计分析, 气田1偏差量方差为0.19 ℃2, 气田2偏差量方差为0.85 ℃2, 说明偏差量集中分布在平均值附近, 以平均值固化偏差量后, 气田1测量误差为±1 ℃, 气田2测量误差为±2 ℃。
根据对两个气田测试结果, 在不同操作参数下, 采用经典图版查图获得的平衡水露点与实际水露点之间的偏差量均为固定值, 测量误差均小于±2 ℃, 说明图版修正法水露点测量技术对于三甘醇脱水系统具有普遍适用性。
需要说明的是, 对于不同的工艺系统使用图版修正法进行测量, 偏差量有所不同。原因为不同的装置系统由于接触塔设备部件安装质量不同, 脱水系统运行效率不同等因素导致在接触塔内三甘醇与天然气接触传质程度不同。对同一系统随着服役时间的增加, 脱水系统运行效率下降, 偏差量也将同步增加。因此, 从长期使用来看, 偏差量为动态变化值, 需使用者根据系统效率及时测试更新。
通过对图版修正法水露点测量方法的测试, 得到以下结论。
(1) 对于三甘醇脱水系统, 使用图版修正法对水露点进行测量, 测量误差小于±2 ℃, 满足气田日常检测需求, 可在气田广泛推广。
(2) 使用图版修正法对水露点进行测量, 需要根据特定系统, 通过试验测试确定偏差量, 偏差量一般为5~15 ℃。如果系统运行效率变化, 为确保图版修正法测量结果准确, 需要同步调整偏差量。
2020, Vol. 49 Issue (2): 98-102
2020, Vol. 49 Issue (2): 98-102