南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺乙二醇再生脫鹽系統(tǒng)工藝設(shè)計

郝 蘊(yùn) 周曉紅

(中海油研究總院)

南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺乙二醇再生脫鹽系統(tǒng)工藝設(shè)計

郝 蘊(yùn) 周曉紅

(中海油研究總院)

針對南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺乙二醇再生脫鹽系統(tǒng)(MRU)設(shè)計規(guī)模大、入口流量變化范圍大、含鹽量高的特點,經(jīng)綜合比選后選用分流脫鹽工藝流程,采用顆粒過濾器脫除法脫除低溶解性二價鹽、增加熱介質(zhì)低溫位回路和加熱循環(huán)回路、設(shè)置MRU專用排放管匯等特殊工藝設(shè)計方案來應(yīng)對MRU系統(tǒng)低溶解性二價鹽量大、設(shè)施易腐蝕和結(jié)垢的難題,同時結(jié)合工藝模擬軟件HYSYS、PROII的計算結(jié)果確定了關(guān)鍵工藝參數(shù),從而為早日實現(xiàn)MRU設(shè)計國產(chǎn)化打下了堅實的基礎(chǔ)。

南海深水氣田群;番禺34-1CEP平臺;乙二醇再生脫鹽系統(tǒng);脫鹽工藝流程;特殊工藝設(shè)計方案;關(guān)鍵工藝參數(shù)

目前,越來越多的乙二醇再生脫鹽系統(tǒng)(簡稱MRU)被設(shè)置在深水氣田開發(fā)的依托平臺上,用于接收來自海底管線或上游設(shè)施的富乙二醇溶液,經(jīng)過處理后的貧乙二醇溶液在滿足產(chǎn)品指標(biāo)要求(含鹽量、濃度、p H值等)的前提下,輸送回水下注入點循環(huán)使用,從而降低生產(chǎn)操作費,減輕管線、設(shè)施的結(jié)垢和腐蝕情況[1]。MRU流程主要包含預(yù)處理單元、再生單元和脫鹽單元,其中預(yù)處理單元主要用于脫除烴類和CO2;再生單元的功能是利用乙二醇正常沸點比水高的特性使富乙二醇溶液在高溫下蒸餾,處理成濃度合格的貧乙二醇溶液;脫鹽單元的功能是將富乙二醇溶液中溶解度不同的高溶解性一價鹽(鈉鹽、鉀鹽)和低溶解性二價鹽(鈣鹽、鎂鹽、鋇鹽等)這些液態(tài)鹽和固態(tài)鹽顆粒從MRU中全部除去或?qū)⑵浜靠刂圃谖⑿〉?、可接受的范圍?nèi)。

我國目前已建2套海上MRU,分別安裝在渤海錦州20-2凝析氣田和東海春曉氣田群的處理平臺上,其規(guī)模均較小,已間歇使用近10年;2套剛剛建成的MRU安裝在南海深水氣田群荔灣3-1和番禺34-1CEP平臺上,已于2014年投產(chǎn);2套正處于設(shè)計階段的MRU計劃用于東海黃巖氣田群處理平臺,預(yù)計于2015年投產(chǎn)。上述這6套海上MRU的設(shè)計、建造和安裝均是由國外公司完成。為早日實現(xiàn)MRU系統(tǒng)的國產(chǎn)化,針對在建的南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺上的MRU,開展了MRU工藝設(shè)計研究,主要包括工藝流程選擇、特殊工藝設(shè)計、主要操作參數(shù)確定等問題研究。

1 工藝流程選擇

1.1 設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)

南海深水氣田群開發(fā)中,番禺35-1氣田和番禺35-2氣田采用水下井口形式進(jìn)行開發(fā),所生產(chǎn)的井液分別通過各自的海底管線輸送到番禺34-1CEP平臺,與番禺34-1氣田生產(chǎn)的井液混合在一起進(jìn)行處理。為預(yù)防番禺35-1/35-2氣田的井液在集輸過程中生成水合物,經(jīng)番禺34-1CEP平臺MRU再生、脫鹽處理后的貧乙二醇溶液通過臍帶纜反向輸送回番禺35-1/35-2氣田的水下設(shè)施,連續(xù)注入到各井口油嘴下游,與生產(chǎn)井液一起輸送到番禺34-1CEP平臺MRU進(jìn)行循環(huán)處理。番禺34-1CEP平臺MRU入口的設(shè)計規(guī)模為37 m3/h;最小處理量為3.7 m3/h;入口操作條件為40℃、500 k Pa(A);地層水量為23.8 m3/h。

經(jīng)過工藝計算并參考已運行MRU的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),番禺34-1CEP平臺MRU確定的主要出口參數(shù)為:入口富乙二醇溶液最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%;出口貧乙二醇溶液最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%;出口處完全脫鹽流程將貧乙二醇溶液中鹽完全除去,分流脫鹽流程將貧乙二醇溶液中的含鹽量控制在30 g/L;出口貧乙二醇溶液p H值為7;乙二醇最高損失率為0.7%;排出的生產(chǎn)水含乙二醇最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%;排出的生產(chǎn)水含烴類最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%。

1.2 工藝流程類型確定

目前MRU的工藝流程根據(jù)脫鹽方式的不同主要有完全脫鹽流程和分流脫鹽流程兩大類(圖1、2)。表1列出了這兩大類流程各自單元的功能及主要特點。

影響MRU工藝流程選擇的關(guān)鍵因素主要有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指標(biāo)、公用消耗量、特殊限定條件(如橇塊尺寸及重量)、操作靈活性、鹽處理及儲運方式等。番禺34-1CEP平臺MRU完全脫鹽和分流脫鹽流程主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 MRU完全脫鹽流程框圖

圖2 MRU分流脫鹽流程框圖

表1 MRU完全脫鹽流程和分流脫鹽流程各單元功能及特點

表2 番禺34-1CEP平臺MRU完全脫鹽和分流脫鹽流程主要技術(shù)參數(shù)

通過表2的對比可知:兩大類流程的橇塊尺寸和質(zhì)量均在平臺可接受的范圍內(nèi)(番禺34-1CEP平臺MUR橇塊限制尺寸20 m×15 m×25 m,質(zhì)量小于1 100 t),雖然完全脫鹽流程的設(shè)備數(shù)量少于分流脫鹽流程,橇塊總質(zhì)量和總尺寸略小于分流脫鹽流程,但由于番禺34-1CEP平臺MRU的設(shè)計規(guī)模較大、地層水中陽離子含量較高,若采用完全脫鹽流程,則定期運往陸地的固態(tài)鹽餅量要大得多,且完全脫鹽流程的熱、冷卻負(fù)荷相對較高。經(jīng)過綜合比選,番禺34-1CEP平臺MRU選擇分流脫鹽流程。

2 特殊工藝設(shè)計方案

在選擇分流脫鹽流程后,針對番禺34-1CEP平臺MRU入口流量變化范圍大、地層水中含鹽量高對水下設(shè)施和MRU的有效運行帶來的諸多難題,采取了一些特殊的工藝設(shè)計方案。

2.1 增設(shè)熱介質(zhì)低溫位回路

對于番禺34-1CEP平臺MRU預(yù)處理單元的入口加熱器來說,由于冷源(富乙二醇溶液,40℃)中含有大量的鹽和固體顆粒,若采用該平臺原有的高溫位熱介質(zhì)(供熱溫度為220℃)進(jìn)行接觸換熱,加熱器非常容易結(jié)垢,從而導(dǎo)致頻繁地利用酸液清洗加熱器。因此,在番禺34-1CEP平臺熱介質(zhì)系統(tǒng)增設(shè)了低溫位供熱回路(供熱溫度為120℃),專為預(yù)處理單元入口加熱器提供低溫位熱源,以適度緩解結(jié)垢現(xiàn)象。

2.2 選擇過濾器脫除法脫除低溶解性二價鹽

對于番禺34-1CEP平臺MRU分流脫鹽流程,預(yù)處理單元中脫除低溶解性二價鹽的方式有2種可供選擇,即過濾器脫除法和離心機(jī)脫除法。過濾器脫除法的核心設(shè)備是特殊的板式顆粒過濾器,一般配置3臺,實行循環(huán)周期作業(yè),2臺過濾器交替工作,1臺過濾器備用。1個工作周期的基本步驟是:注入助濾劑→過濾組件預(yù)涂敷→過濾→排空濾器→氮氣干燥濾器→氮氣高壓脈沖作用下震出鹽餅。其工作原理是:利用過濾器內(nèi)過濾組件上預(yù)涂敷的一層由助濾劑溶液構(gòu)成的過濾膜,將富乙二醇中細(xì)小的固體低溶解性鹽顆粒、腐蝕性顆粒和其他雜質(zhì)吸附在濾膜上,逐漸形成鹽餅,該鹽餅達(dá)到一定厚度時,將過濾器內(nèi)的富乙二醇溶液排出后,在高壓氮氣的脈沖作用下將鹽餅震下,直接排到專門的鹽餅存儲容器中,定期被運往陸地進(jìn)行處理。離心機(jī)脫除法的核心設(shè)備是高速離心機(jī),其工作原理是使富乙二醇溶液在強(qiáng)離心力的作用下進(jìn)行固液分離,分出的固體低溶解性鹽顆粒需要固化成鹽餅。由于離心機(jī)需要定期對轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢修,因此通常為1用1備。番禺34-1CEP平臺MRU低溶解性二價鹽脫除方式的參數(shù)見表3。

考慮到離心機(jī)脫除法的乙二醇損失率相對高,且脫除微小粒徑鹽顆粒的效果要遜于顆粒過濾器,為了將絕大多數(shù)二價鹽在預(yù)處理單元脫除,以降低和緩解后續(xù)再生和脫鹽單元設(shè)施的堵塞和結(jié)垢,同時降低乙二醇在預(yù)處理單元的損耗,MRU選擇過濾器法來脫除低溶解性二價鹽。

表3 番禺34-1CEP平臺MRU低溶解性二價鹽脫除方式對比

2.3 設(shè)置加熱循環(huán)回路

為了確保進(jìn)入番禺34-1CEP平臺MRU的富乙二醇在低流量(遠(yuǎn)小于設(shè)計規(guī)模)時始終能夠保持快速流動(推薦流速≥3 m/s[2]),以減少鹽顆粒沉積,降低加熱器表面的結(jié)垢程度,在預(yù)處理單元和脫鹽單元均設(shè)置了加熱循環(huán)回路,以保證單元內(nèi)各加熱器乙二醇溶液側(cè)的流速始終維持在3 m/s以上,大大降低了加熱器結(jié)垢的程度和清洗頻次,但缺點是MRU熱負(fù)荷一直維持在高值。另外,考慮到進(jìn)入脫鹽單元的乙二醇溶液經(jīng)過再生單元蒸餾后含水率降為20%,鹽濃度更高,加熱器結(jié)垢的程度相對更嚴(yán)重,在乙二醇脫鹽閃蒸罐底部設(shè)置了2套獨立的加熱循環(huán)回路(1用1備)。

2.4 設(shè)置MRU專用排放管匯

由于番禺34-1CEP平臺MRU富乙二醇溶液含鹽量高,內(nèi)介質(zhì)帶有較強(qiáng)的腐蝕性,MRU帶壓設(shè)備在維修時若按通常做法統(tǒng)一排放到平臺閉式排放管匯(其材質(zhì)一般為碳鋼),將可能導(dǎo)致該管匯的嚴(yán)重腐蝕,因此特別設(shè)置了MRU專用排放管匯(其材質(zhì)為不銹鋼),專門用于收集MRU內(nèi)各帶壓容器維修時排放的溶液,隨后直接進(jìn)入閉式排放罐中進(jìn)行處理。

2.5 固態(tài)鹽餅的儲運設(shè)計

番禺34-1CEP平臺MRU顆粒過濾器過濾出的固態(tài)鹽餅量很大,為4111 kg/d(其中低溶解性二價鹽含量為30.0%,高溶解性一價鹽含量為1.2%,烴類和CO2含量約為0.1%,水和乙二醇含量為68.7%),須定期運往陸地,為運輸?shù)箵Q方便起見, 3臺過濾器各自對應(yīng)2個鹽餅儲罐(1用1備),共計6個。儲罐型式設(shè)計為方罐,其材質(zhì)采用不銹鋼以耐腐蝕,儲存天數(shù)為7天,單臺儲罐尺寸為2.4 m(長)×2.3 m(寬)×1.55 m(高)。

3 關(guān)鍵工藝參數(shù)確定

3.1 鹽平衡計算

番禺34-1CEP平臺MRU工藝設(shè)計的一項重要工作是進(jìn)行鹽平衡計算,可采用手算法和工藝模擬軟件計算相結(jié)合的辦法,其目的是計算和平衡MRU各單元的鹽處理量。表4為番禺34-1 CEP平臺MRU入口地層水的計算含鹽量,加上貧乙二醇溶液注入水下設(shè)施隨井流進(jìn)入MRU帶來的微量鹽(30 g/L),采用PROII工藝軟件計算出的MRU各單元鹽平衡示意圖見圖3。

表4 番禺34-1CEP平臺MRU入口地層水的計算含鹽量

圖3 番禺34-1CEP平臺MRU各單元鹽平衡示意圖

3.2 堿性藥劑加入量

由于地層水中的Mg2+、Ca2+在真空閃蒸時會與乙二醇反應(yīng)生成Mg(C2H6O2)3Cl2和Ca(C2H6O2)3Cl2,這些物質(zhì)的存在會使溶液的粘度增加,難以用泵輸送[3],因此需要在番禺34-1CEP平臺MRU預(yù)處理單元加入化學(xué)藥劑以除去Mg2+及Ca2+,即在富乙二醇中加入Na2CO3除去Ca2+、Fe2+,在富乙二醇中加入NaOH除去Mg2+。

根據(jù)番禺34-1CEP平臺地層水中產(chǎn)生的CO32-和OH-總量,采用PROII工藝軟件模擬計算出的Na2CO3注入量與Ca2+、Fe2+析出率之間的關(guān)系見圖4,可以看出,當(dāng)Na2CO3溶液的注入量為23.6 kg/h時,Ca2+、Fe2+析出率已穩(wěn)定在99.5%左右,繼續(xù)增大Na2CO3的注入量,也不會將Ca2+、Fe2+的析出率提升至100%,由此即可確定Na2CO3的注入計算量為23.6 kg/h。同理,NaOH的注入計算量為34.7kg/h,Mg2+析出率為99.2%。

3.3 富液預(yù)處理罐操作溫度

圖4 番禺34-1CEP平臺MRU中Na2CO3注入量與Ca2+、Fe2+析出率之間的關(guān)系

據(jù)文獻(xiàn)[4]資料,低溶解性二價鹽在水中的溶解度很小,且隨溫度升高變化幅度不大。因此,富液閃蒸罐的操作溫度可選取60～80℃,此時Na+、K+溶解度變化不大,同時絕大多數(shù)的烴類均能夠從罐內(nèi)分離出來,以免進(jìn)入后續(xù)流程造成乙二醇溶液起泡或損失。同時,參考番禺34-1CEP平臺凝析油的物性參數(shù)(密度為780 kg/m3),富液預(yù)處理罐的操作溫度確定為80℃。

3.4 脫鹽閃蒸罐操作壓力

脫鹽閃蒸罐選擇在負(fù)壓下操作,最主要的原因是為了降低熱負(fù)荷,其操作壓力(即真空度)的確定與入口含鹽乙二醇溶液濃度有關(guān)。據(jù)文獻(xiàn)[5]資料,乙二醇溶液的露點溫度隨壓力的降低而下降。為避免達(dá)到純乙二醇降解溫度(為162℃[6]),同時降低脫鹽單元的熱負(fù)荷,番禺34-1CEP平臺MRU脫鹽閃蒸罐的操作壓力確定為20 k Pa(A),此時80%乙二醇?xì)怏w的露點為132.6℃。

3.5 脫鹽閃蒸罐循環(huán)液流量與進(jìn)料量之比

番禺34-1CEP平臺MRU脫鹽閃蒸罐底部設(shè)有循環(huán)加熱回路,在保證乙二醇溶液側(cè)的流速始終維持在3 m/s以上的同時,為達(dá)到強(qiáng)制對流換熱、降低罐內(nèi)鹽顆粒結(jié)晶速度的目的,脫鹽閃蒸罐循環(huán)流量與進(jìn)料量之比應(yīng)控制在一定范圍。番禺34-1CEP平臺MRU脫鹽閃蒸罐循環(huán)流量/進(jìn)料量、循環(huán)加熱器負(fù)荷與溫升之間的關(guān)系見圖5,可以看出,隨著脫鹽閃蒸罐循環(huán)加熱器溫升的增大,循環(huán)流量/進(jìn)料量比值迅速降低,循環(huán)加熱器的負(fù)荷逐漸增大。因此,結(jié)合適當(dāng)降低加熱器負(fù)荷的因素,番禺34-1CEP平臺MRU脫鹽閃蒸罐底循環(huán)加熱器溫升取7℃,循環(huán)流量/進(jìn)料量比值確定為45∶1。

圖5 番禺34-1CEP平臺MRU脫鹽閃蒸罐循環(huán)流量/進(jìn)料量、循環(huán)加熱器負(fù)荷與溫升之間的關(guān)系

4 結(jié)束語

國外針對MRU的研究和設(shè)計領(lǐng)先于國內(nèi),迄今為止已開展了近25年,而且相關(guān)技術(shù)一直在優(yōu)化和改進(jìn)。中國海洋石油總公司近年來已建或在建的MRU有6套,但均為國外公司總承包設(shè)計。本文通過對南海深水氣田群番禺34-1CEP平臺MRU工藝流程選擇、特殊工藝設(shè)計方案、關(guān)鍵工藝參數(shù)確定等問題的深入研究,為打破國外公司對MRU裝置的長期壟斷,早日實現(xiàn)MRU設(shè)計國產(chǎn)化打下了堅實的基礎(chǔ)。

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Process design of glycol regeneration reclamation unit for PY 34-1 CEP platform in deep water gas fields group of the South China Sea

Hao Yun Zhou Xiaohong
(CNOOCResearch Institute,Beijing,100027)

For developing deep water gas field group of the South China Sea,considering the large design capacity,wide range of inlet flowrate and the characteristics of high salt content for glycol regeneration reclamation unit(MRU)on PY 34-1CEP platform, slip-stream reclamation process has been chosen after comprehensive comparison.In order to deal with high content of low solubility divalent salt and overcome the problems of facilities to be corroded and fouled easily,some special process,such as particular filter method for removing the low solubility bivalent salts,low temperature HM loop,heating recirculation loop and MRU discharge manifold etc., have been designed.At the same time,key process parameters are determined based on the calculation results of process simulation software HYSYS, PROII calculation,which has laid a solid foundation. for realizing the localization of MRU design early.

deep water gas field group in the South China Sea;PY 34-1CEP platform;glycol regeneration reclamation unit;slip-stream reclamation process;special process design;key process parameters

2013-08-01改回日期:2013-12-23

(編輯:葉秋敏)

郝蘊(yùn),女,高級工程師,1999年畢業(yè)于原石油大學(xué)(北京)石油天然氣儲運專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事海洋石油工程設(shè)計工作。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。電話:010-84523503。E-mail:haoyun@cnooc.com.cn。