超音速天然气脱水技术在油气分离上的应用研究

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【摘要】传统的天然气脱水技术包括吸收法和制冷法等等。这些常规的技术具体好的脱水性能等优点，但存在许多缺点，如设备庞大、投资高、消耗机械功、环境污染等。因此有必要开发一种新的天然气脱水技术，即超音速脱水技术，是来满足当前市场需求。超音速脱水技术被认为是天然气脱水领域的一项新的技术革命。

【关键词】超音速脱水 无污染 低成本 油气分离

天然气脱水的常用方法有：溶剂吸收法、固态吸收法、低温分离法。传统的天然气除湿方法不但过程复杂，而且需要很大的投资。一种新型天然气脱水装置――超音速分离装置可以节省成本及运行费用10%-25%，有很大的市场前景。相比常规天然气处理技术，超音速分离管天然气处理技术具有如下优势：结构简单，较小且重量轻，无运动机械，外部动力需消耗几乎为零；免维护，运行成本低；不会形有水合物形成且不易造成泄漏，对环境也没有污染。

1 超音速分离脱水技术

超音速分离管技术可以直接利用进口余压，具有节能、环保的优点，随着技术的不断成熟，应用领域不断得到拓展，如用于脱除天然气中的H2S、CO2酸性气体，NGL回收等。超音速分离装置的工作原理涉及到非常复杂的气体动力学和相变动力学理论：湿气流进入Laval喷管，被加速的气流在Laval喷管出口处达到超音速，此时，气流的温度和压力都很低。气体混合物（天然气）中的水分和重质碳氢化合物凝结，形成液滴或固体颗粒。从Laval喷管出来的气液混合物进入旋流器，产生高速旋转，液滴被甩到壁面，形成很薄的一层液膜，然后，这些液体被一同轴的管子或环形槽道流出分离装置。分离后的“干气”气流进入扩压管进行扩压。

2 油气田陆地中对超音速脱水技术的应用研究

早在1989年Stork Product Engineering就提出了一项叫“condition-cyclone”的空调专利技术，作为超音速分离管脱水技术的最早应用，它将空气以超音速的速度流入某段管路，并通过旋风分离的方法，分离出了空气中的水分[4]。七年以后，荷兰Groningen气田的总工程师K.Jwillink注意到了这项专利技术。同年，在阿姆斯特丹建成了空气―水分离实验台，并开始初步实验，通过实验，证明了超音速分离管具有良好的除湿分离性能。1997年，他又进行了烷烃气的室内实验，同样，通过实验结果，证明超音速分离管不但能除去天然气中的水分，还能分离出烷烃类物质。1998年，他在Groningen气田进行了中试，通过这次实验，证明了超音速分离管具有优良的除湿与分离净化性能，因此，这次中试成功具有非常重要的意义。1999年，超音速分离管天然气处理系统安装在了荷兰Barendrecht气田并与原处理装置并行，应用取得了成功。2000年11月，又在尼日利亚的进行了试验装置测试，成功地将85×104m3/d的天然气脱水，并达到了要求标准，使富天然气中超音速脱水技术得到了探索应用。天然气超音速脱水系统长期稳定的工作能力在上述所有现场试验中得到了有效验证。

3 油气海上平台对超音速脱水技术的应用研究

从1997年起，壳牌石油公司开展了天然气超音速脱水技术的研究，包括基础理论研究、数值模拟、实验室研究和现场试验研究。2000年4月，壳牌公司注资成立Twister公司，推出了一种全新的天然气处理技术―超音速分离管天然气处理技术。目前，该天然气处理装置已经在Zuiderveen气田（荷兰）、Barendrecht气田（荷兰）、Leermens气田（荷兰）、Utorogu气田（尼日利亚）和Stytoils K实验室（挪威）等五个不同的地方进行了实验。这些实验表明，超音速分离管除湿和分离性能优良，安全可靠，能够实现无人值守。

作为海上天然气处理系统的一部分，超音速分离管天然气处理装置应用于Twister公司为马来西亚Sarawak气田，使该装置实现了无人操作，通过可行性研究，表明该天然气处理系统的采用比原TEG处理系统节省资金300-800万美元。

国外对于超音速天然气脱水技术早已开始了商业应用。第一个商业化脱水系统于2003年12月Twister公司在马来西亚的B11海上平台安装。该脱水系统包括6个超音速分离器，每个分离器的处理能力为280×104m3/ d，总处理能力接近850×104m3/d（有备用分离器），该气田富含H2S、CO2等非伴生气，压力降达25%～30%，出口水露点达 10°C，大修时间可达20000h。该系统运行稳定，可靠性高，还节约投资和操作费用3

～8千万美元[5]。

4 超音速脱水技术在油气海底的应用研究

3S是俄罗斯ENGO旗下的Translang公司将航天技术的空气动力学成果应用到油气田天然气处理、加工领域研发出的一项新成果。1996年开台进行3S研究和测试工作，目前俄罗斯的3S超音速天然气分离技术和Twister公司的超音速脱水技术在海底的应用都在逐步完善。同时，超音速脱水技术由Twister公司与Kongsberg海底联邦海事委员会合作研究，将其共同推向海底应用市场，取得较好的研究效果后，国际设计制造公司便开始了Twister海底天然气处理系统的制造。2007年，海底天然气处理系统发展第一阶段协议由Twister公司与Petrobras公司签署。此前，Petrobras公司已经购买了岸上超音速天然气处理系统。2008年，Twister公司寻求更多合作伙伴进行了海底超音速天然气脱水实验。目前其他国家尚未有相关报道。

5 结论

与传统天然气除湿与净化分离笔和常规天然气处理技术相比较，超音速分离技术具有较强优势。随着超音速天然气脱水技术的逐渐完善，同时在油气田陆地，海上平台和海底平台上都得到了广泛应用，相信在油气分离领域中，超音速分离技术将取代传统的天然气脱水方法。

参考文献

[1] 王遇东. 天然气处理与加工工艺[M]. 北京：石油工业出版社，1999： 15-18

[2] 徐文渊，蒋长安. 天然气利用手册[M]. 北京：中国石化出版社，2003： 25-29

[3] 何策，程雁，额日其太. 天然气超音速脱水技术评析[J]. 石油机械. 2006，34（5）： 70-72

[4] 王协琴，罗小米，孙玉梅. 超音速分离器-天然气脱水脱烃的新型高效设备[J]. 天然气技术，2007，1（5）： 63-67