深水浮式平臺乙二醇再生及回收系統(tǒng)設(shè)計分析

靜玉曉、衣華磊、劉云

（中海油研究總院有限責任公司北京 100028）

在深水氣田開發(fā)中，長距離回接管道常處于高壓低溫的輸送條件，易生成水合物，造成管線堵塞，帶來嚴重的生產(chǎn)問題，水合物防治方案必不可少。因可以實現(xiàn)再生循環(huán)利用，目前大規(guī)模應用較多的水合物抑制劑是乙二醇（MEG，Mono Ethylene Glycol）[1]。

從功能設(shè)置上來說，乙二醇處理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于再生和回收（即“脫鹽”）單元，再生單元完成乙二醇富液至貧液的處理過程，即液液分離，回收單元完成鹽分（鎂、鈉、鈣等離子）的脫除，即液固分離[2]。常規(guī)的乙二醇再生工藝從原理上分析，與三甘醇脫水再生過程無本質(zhì)區(qū)別[3]，國內(nèi)已有不少研究成果[4～7]。乙二醇裝置的核心在于其脫鹽過程，即液固分離技術(shù)，目前國內(nèi)外油氣行業(yè)的乙二醇再生及回收裝置多由NOV、CAMERON、PROSERNAT等國外廠商把控，總體來說，負壓閃蒸汽化脫鹽技術(shù)仍是目前工業(yè)應用的主流，其源自一項專利技術(shù)并在2004年進行了升級[8,9]。近幾年，國內(nèi)學者對該技術(shù)的研究逐漸增多和深入[10,11]，但仍有必要加強對該技術(shù)的分析以期進一步開拓設(shè)計思路。

本文針對陵水17-2浮式平臺上的乙二醇再生及回收系統(tǒng)，從整體處理及儲存流程和成撬原則等角度進行設(shè)計分析，探討如何實現(xiàn)能量利用的最大化和操作的靈活可靠性，同時達到控制重量的目的；此外將對脫鹽比例、貧乙二醇循環(huán)比等關(guān)鍵參數(shù)進行分析以期指導工程設(shè)計和操作。

1 乙二醇再生及回收系統(tǒng)處理流程分析

1.1 工藝流程類型及選擇

根據(jù)再生、回收單元在總體流程中的先后順序，乙二醇再生及回收工藝流程衍生出了不同的處理方案，主要包括全脫鹽和半脫鹽流程，其典型框圖如圖1所示。

圖1 乙二醇再生及回收典型流程示意

陵水17-2項目地層水的組分如表1所示，其二價陽離子含量較低，且生產(chǎn)初期大部分水為凝結(jié)水，進入生產(chǎn)流程的離子含量總體不高，結(jié)合國內(nèi)外油氣行業(yè)的實踐經(jīng)驗，貧乙二醇中允許含有一定量的鹽分（一般不大于30g/L[11]），因此半脫鹽流程是一個可行的選擇。

表1 陵水17-2氣田地層水組分

1.2 工藝流程分析

目前國內(nèi)海上在運行的乙二醇再生及回收系統(tǒng)，熱負荷需求量較大[12]，而各種產(chǎn)品，如貧乙二醇、冷凝水等，有較大的冷卻負荷需求。實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)冷熱量的充分利用，是降本增效的有效途徑。在陵水17-2項目中，乙二醇再生及回收初始流程如圖2所示，乙二醇來液溫度為40℃，流量為2517kgmole/h，乙二醇富液質(zhì)量分數(shù)為53%，乙二醇貧液溫度為65℃，再生塔的操作溫度為157.8℃，塔頂水溫度為95℃，除了設(shè)置換熱器1和換熱器2用于系統(tǒng)內(nèi)部熱量利用，可以選擇將再生塔頂?shù)母邷啬Y(jié)水用于加熱工藝處理流程中的其它介質(zhì)，如油處理系統(tǒng)中的低溫油。而由于再生塔底出來的乙二醇貧液經(jīng)換熱器2后溫度為70℃左右，且僅有一部分進入換熱器1，不足以將閃蒸罐的操作溫度提升到推薦操作值（約60℃），需要再設(shè)置加熱器1。

圖2 乙二醇再生及回收初始設(shè)計流程

為了減少設(shè)備數(shù)量、降低能耗，考慮將塔頂水的熱量在乙二醇再生系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)利用，如圖3所示，將塔頂水作為換熱器1的熱源輸入，可以將乙二醇富液的溫度提升到60℃以上，兩種流程的負荷對比如表2所示。

圖3 乙二醇再生及回收調(diào)整后設(shè)計流程

表2 乙二醇再生及回收流程調(diào)整前后負荷對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，流程調(diào)整后，節(jié)省一臺加熱器，需適當增大換熱器1的換熱面積，且其它換熱器/加熱器的負荷均有不同程度地降低，實現(xiàn)了熱量的深度利用。此外，采用優(yōu)化后的流程，避免了塔頂水與油處理系統(tǒng)的交叉，一定程度上降低了介質(zhì)互竄風險。系統(tǒng)初始啟動階段如閃蒸罐無法迅速達到推薦的操作溫度，導致脫烴效果在某段時間內(nèi)不佳，建議加強對MEG及塔頂水含油量的監(jiān)測，必要時可臨時將物流接入不合格乙二醇罐。

此外，根據(jù)國內(nèi)海上在運行乙二醇再生及回收系統(tǒng)的調(diào)研結(jié)果，部分裝置因乙二醇富液含有大量雜質(zhì)，造成再生/脫鹽單元內(nèi)加/換熱器等堵塞，因此本項目設(shè)計中，在兩個關(guān)鍵點增設(shè)了過濾器。一處在段塞流捕集器液相出口，即圖3中乙二醇富液的上游位置，另一處在圖3中閃蒸罐的液相出口位置，兩處過濾器均設(shè)有備用，最大限度保證乙二醇處理系統(tǒng)的潔凈狀態(tài)。

2 脫鹽單元關(guān)鍵參數(shù)

2.1 脫鹽比例

圖4為乙二醇在氣田處理流程中的循環(huán)示意，1號物流為來自深水海管的乙二醇富液，經(jīng)過再生單元后，一股物流進入回收單元脫除鹽分，另一股物流直接去往回收單元出口，與脫鹽后的貧乙二醇混合，回注到水下井口，如前文所述，貧乙二醇（即圖4中的2號物流）中的含鹽量一般不超過30g/L，那么進入乙二醇回收單元的物流（即圖4中的5號物流）比例將成為關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 乙二醇在處理流程中的循環(huán)示意圖

采用反向推導思路，1號物流包含了原始地層水和2號物流帶去的水，假設(shè)2號物流的含鹽量始終控制在30g/L，而1號物流中地層水不含鹽分的話，則整個系統(tǒng)將處于平衡狀態(tài)，不需要脫鹽處理。因此只需將1號物流中鹽分脫出，系統(tǒng)含鹽量就將維持到30g/L，表3為具體推算表格，表中：

表3 脫鹽比例計算表

A列：配產(chǎn)氣量；

B列：配產(chǎn)水量；

C列：凝結(jié)水量，C=A*0.05*1000/24，0.05為水汽比m3/104Sm3；

D列：地層水量，D=B-C；

E列：地層水中含鹽量，E=D*27.785；

F列：貧乙二醇注入量；

G列：貧乙二醇含鹽量，G=F*30；

H列：進入流程的總鹽量，H=E+G；

I列：回收單元入口鹽濃度，I=H/F；

J列：需要進入回收單元的流量，J=（H-G）/I；

K列：分流脫鹽比例。

由表中數(shù)據(jù)可知，分流脫鹽的比例無需固定在某一數(shù)值，可以根據(jù)產(chǎn)量、生產(chǎn)化驗數(shù)據(jù)等，完成計算分析并定期調(diào)節(jié)，在達到處理指標的同時，盡量節(jié)約能耗。

2.2 貧乙二醇循環(huán)比

如圖3所示，乙二醇脫鹽單元設(shè)有循環(huán)回路，從脫鹽罐底部引出貧乙二醇物流，將其加熱后送至脫鹽罐入口，循環(huán)回路流速一般＞3m/s，以避免鹽晶粒和固體雜質(zhì)在管路中積聚。為了滿足該流速條件，不同貧乙二醇循環(huán)比所需要的管路尺寸如表4所示。圖5展示了貧乙二醇設(shè)置不同的溫升條件時，貧乙二醇循環(huán)比與加熱器負荷的對應關(guān)系，其趨勢和規(guī)律與相關(guān)文獻的研究結(jié)論具有相似性[11]。

從圖5中可以看出，當采用較大的循環(huán)比時，可在一定程度上降低加熱器負荷，但由表4中數(shù)據(jù)可以看出，當循環(huán)比超過47以后，循環(huán)管路尺寸會有明顯的躍升，綜合考慮管路、閥門投資及加熱器負荷，建議貧乙二醇的循環(huán)比在30～45:1之間選擇。

圖5 貧乙二醇循環(huán)比與熱負荷關(guān)系圖

表4 不同貧乙二醇循環(huán)比需要的管路尺寸

3 乙二醇儲存設(shè)計分析

在初始啟動、清管等特殊工況下，浮式平臺上會出現(xiàn)一段時間內(nèi)接收不到足量乙二醇富液的情況，貧乙二醇再生裝置的產(chǎn)出量不滿足生產(chǎn)注入需求，這就需要在平臺上設(shè)計一定的貧乙二醇儲存量，具體需要考慮以下因素：①平臺上部組塊能提供的面積；②浮體結(jié)構(gòu)能夠提供的艙容；③特殊工況下深水海管的液相平衡時間；④供應/支持船到達平臺的最短時間。另外，當乙二醇再生裝置出現(xiàn)短時故障時，需要考慮儲存來自深水海管的富乙二醇，以維持氣田正常生產(chǎn)。

當儲存容積需求較大時，僅依靠甲板布置儲罐代價較大，例如在荔灣3-1項目中，采用導管架樁腿儲存貧/富乙二醇[13]。為了盡量減輕深水浮式平臺上部組塊的重量，選擇在其船體內(nèi)為貧/富乙二醇設(shè)置儲存艙。初始啟動工況下深水海管達到氣液平衡的時間約為35小時，在此時間段內(nèi)，平臺接收不到乙二醇富液，需要持續(xù)向水下注入貧乙二醇，以此作為貧乙二醇的自持時長，可以涵蓋供應船的應急到達時間（小于24小時），據(jù)此計算，貧乙二醇艙的容積至少需要約924m3。

陵水17-2氣田項目的乙二醇再生裝置采用雙系列，考慮其一個再生系列出現(xiàn)故障，乙二醇的富液接收及貧液產(chǎn)出將出現(xiàn)缺口，需要利用富乙二醇艙接收多余的富乙二醇，同時由貧乙二醇艙彌補水下井口注入量缺口，根據(jù)操作經(jīng)驗，乙二醇再生系統(tǒng)單系列故障時間建議取12～18小時，據(jù)此計算，富乙二醇艙的容積至少需要約468～585m3。

結(jié)合船體艙室劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，最終設(shè)2個貧乙二醇艙，單艙容積700m3，設(shè)1個富乙二醇艙，單艙容積700m3，便于對稱布置。

4 乙二醇再生及回收系統(tǒng)成撬設(shè)計分析

從國內(nèi)外海上氣田乙二醇再生及回收裝置的供貨情況來看，一般都是整體成撬供應，這樣可以提高系統(tǒng)的完整性、降低連接調(diào)試的難度和工作量，但同時也增加了結(jié)構(gòu)支撐用鋼量。表5為陵水17-2項目設(shè)計階段某供技術(shù)廠商提供的撬塊重控表格，結(jié)構(gòu)重占比接近50%。

表5 某廠商乙二醇再生及回收撬塊重控數(shù)據(jù)

為了控制整個撬塊的重量和面積，可以將部分設(shè)備從撬內(nèi)移出來，直接放在平臺主甲板上。例如乙二醇閃蒸罐、貧乙二醇冷卻器等“非關(guān)鍵功能”設(shè)備，其重量總共有13噸，如果從撬內(nèi)移出，可以節(jié)省約20噸撬塊支撐鋼材。

5 結(jié)論與建議

（1）乙二醇再生及回收工藝流程是非標準化的，本文通過對整體流程的分析，合理利用系統(tǒng)內(nèi)能量，節(jié)省了一臺加熱器；脫鹽比例可以根據(jù)產(chǎn)量情況、生產(chǎn)化驗數(shù)據(jù)等完成計算分析并定期調(diào)節(jié)，貧乙二醇的循環(huán)比可在30～45:1之間選擇。

（2）在浮式平臺上，可在浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置貧富乙二醇儲存艙，貧乙二醇的儲存容積應涵蓋深水管線氣液平衡時間和供應船的應急到達時間，同時建議按照乙二醇裝置單系列故障12～18小時確定富乙二醇的儲存容積。

（3）基于平臺減重目標，可以把非核心設(shè)備等移出乙二醇裝置的整撬供貨范圍，并基于該理念逐步提升國內(nèi)自主設(shè)計水平。

（4）隨著更多的深水氣田進入開發(fā)階段，乙二醇作為深水氣田流動安全的重要保障，其再生及回收單元的設(shè)計也將面臨更多的挑戰(zhàn)，本文對于熱量利用、艙室儲存、成撬策略等問題的分析，為提高國內(nèi)設(shè)計能力、打破國外技術(shù)壁壘提供了新的思路。