CN105273787A - 利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺及系统。包括以下步骤实现：首先，在集气站增设高效换热器；其次，将一级的生产分离器（D1）出口天然气作为高效换热器热端进口的原料气，将二级的生产分离器（D2）脱水后的天然气作为高效换热器冷端进口气，在高效换热器中进行热交换；最后，通过热交换，回收外输天然气中的冷量用于冷却高效换热器热端进口的原料气，降低用于二级的生产分离器（D2）所需要的压力，仅用小压差即可实现水露点脱水深度的要求。有益效果是：仅需增设一台高效换热器就可以成功降低脱水所需压力，成功延缓气田增压及脱水的时机，且改造流程简单，对站内原有工艺流程影响小，具有简易、节能、经济、环保的多项优势。

Description

利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺及系统

技术领域

本发明涉及石油天然气处理工程技术领域，特别涉及一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺及系统。

背景技术

“单井高压进站，站内加热节流，低温制冷脱水”是高压气田集气站常用的集气工艺。该高压集输工艺利用地层能量节流制冷脱水，达到了节能降耗的效果；通过两级节流低温分离精细脱水，降低外输天然气的水露点，使处理后的外输天然气达到了GB17820《天然气》一类气质的标准，是一套高效、经济、安全、可靠、环保的地面工艺流程。

但是由于高压集输工艺依靠地层能量节流低温制冷解决天然气脱水问题，因此井口压力在流程中可以分为节流所需压力、管网及站内损耗压力、外输压力三部分。

即P _井口 =P _节流 +P _损失 +P _外输

在外输压力与露点要求一定的情况下，随着气田气井压力的逐步降低，气井内可用的节流压差逐渐变小。气田开发中期，当气井压力下降到一定程度时，在保证外输气田将不再有足够的可利用的压力进行节流制冷膨胀脱水，气田外输气水露点逐渐上升至不达标（低于管线运行温度5℃），随着水露点逐年上升，最终将不满足外输气质要求。

面对气田压力降低，在气田外输压力和天然气的水露点要求无法同时满足的情况下，现有的改造处理工艺有两种：第一，对气田实施增压，通过在气田内部增设压缩机，对外输天然气进行增压，在保持外输压力不变的情况下，降低各集气站节流后的压力，扩大可利用的节流压差，保持天然气的外输露点在达标范围之内。第二，对天然气外加其他脱水工艺装置，通过外加脱水装置对天然气进行脱水，节省下来的节流压差补充到管网及站内的损失压力和外输压力中。

上述两种方式在不同程度上都存在着一些缺陷：1、虽然可以彻底的解决气田气井压力下降所带来的露点不达标或外输压力降低的问题，但需要消耗外能来实现；2、增设脱水装置及增压装置改造流程复杂，且前期投资及后期维护成本较高。3、节流脱水产生的冷量，逐渐消耗于气田管网中，造成了能量的浪费。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺及系统，其结构简单、成本低廉、节省能耗、工作状态较平稳。

本发明提到的一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，包括以下步骤实现：

首先，在集气站现有两级节流低温分离精细脱水流程之间以及二级低温分离与外输计量之间，增设高效换热器；

其次，将一级的生产分离器（D1）出口天然气作为高效换热器热端进口的原料气，将二级的生产分离器（D2）脱水后的天然气作为高效换热器冷端进口气，在高效换热器中进行热交换；

最后，通过热交换，回收外输天然气中的冷量用于冷却高效换热器热端进口的原料气，降低用于二级的生产分离器（D2）所需要的压力，仅用小压差即可实现水露点脱水深度的要求。

上述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，包括以下详细步骤实现：

将高压进站的天然气，经过加热炉以及一级节流脱水后，得到经过初次脱水的原料气，随后将原料气作为热端进口气以t_热进进入新增高效换热器（E1）后，此时热端出口气出换热器温度t_热出仍与t_热进相同，热端出口气经节流阀以小压差节流后进入低温分离器（D1）脱水，成为温度较低的冷端进口气，其温度为t_冷进，再经过管路重新入高效式换热器（E1），此时温度为t_冷进的冷端进口气与温度为t_热进的热端进口气进行换热，由于热端进口气与冷端进口气存在温差，两者间产生热交换，热端进口气温度降低，此时热端出口气出换热器温度t_热出小于t_热进，同时冷端进口气温度升高，成为温度为t_冷出的冷端出口气，即外输干气作为成品气。

上述的循环中的热端进口气经过换热器预冷后，温度降低，再经过节流降温、第二次分离，使冷端进口气温度比上一轮循环更低，在高效换热器（E1）中热端进口气与冷端进口气温差更大，两者热交换量更大，热端进口气温度将降得更低；如此循环积累，当热端进口气与冷端进口气之间的热交换达到换热器的负荷时，本系统处于热平衡状态；热平衡状态对应的温度，由换热器的换热面积决定。

上述的高效换热器（E1）选用具有在小温差条件下冷量回收效果好，设备单位体积、换热面积大的板翅式换热器。

上述的热端进口气与冷端进口气之间的所有管段和工艺设备均进行保冷处理，减少整个系统对外界的冷损失量。

本发明提到的一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，包括生产分离器（D1）、旋流分离器（D2）、油水缓冲罐（D3）、高效换热器（E1）、加热炉（H1），气井（D）通过阀门连接到生产分离器（D1），加热炉（H1）安设在生产分离器（D1）与气井（D）之间，生产分离器（D1）的上部通过高效换热器（E1）连接旋流分离器（D2）的输入端，旋流分离器（D2）的底部连接到油水缓冲罐（D3），生产分离器（D1）的下部连接到油水缓冲罐（D3），所述的旋流分离器（D2）的顶部通过管线再穿过高效换热器（E1）。

上述的高效换热器（E1）采用板翅式换热器。

上述的高效换热器（E1）与旋流分离器（D2）之间设有节流阀（F）。

上述的节流阀（F）外连接外冷机组（Z2）。

上述的旋流分离器（D2）的顶部连接的管线上设有压缩机组（Z1），天然气经过压缩机组（Z1）后外输。

本发明的有益效果是：相对于在压力不能同时满足外输及脱水需要而直接采用的增设压缩机或脱水装置的改造工艺来说，复温外输工艺仅需增设一台高效换热器就可以成功降低脱水所需压力，成功延缓气田增压及脱水的时机，且改造流程简单，对站内原有工艺流程影响小，可以在保证集气站其他流程正常运行的情况下，实施复温外输工艺改造。同时，复温外输技术通过一个小的节流压差利用高效换热器使天然气产生一个大的温降，无任何外能消耗，且不会造成任何污染，符合当今社会节能降耗的需要，也能大幅降低使用方的生产运行成本。因此利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺具有简易、节能、经济、环保的多项优势。

附图说明

附图1是本发明的流程示意图；

附图2是本发明实施例1中所采用的工艺流程图；

附图3是本发明实施例1中换热器安装前后两级分离温度对比曲线图

附图4是本发明实施例1中换热器安装前后二级节流前后温差曲线图

附图5是本发明实施例2中所采用的工艺流程图；

上图中：气井D、生产分离器D1、旋流分离器D2、油水缓冲罐D3、高效换热器E1、节流阀F、股流1-13，加热炉H1、压缩机组Z1、外冷机组Z2。

具体实施方式

实施例1，结合附图1、图2、图3、图4，对本发明作进一步的描述：

本实施例按照图2所示工艺流程进行，图2是针对常规高压集气工艺集气站采用复温外输实现外输天然气水露点达标，延缓增压时机功能的流程示意图。

本发明提到的一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，包括生产分离器（D1）、旋流分离器（D2）、油水缓冲罐（D3）、高效换热器（E1）、加热炉（H1），气井（D）通过阀门连接到生产分离器（D1），加热炉（H1）安设在生产分离器（D1）与气井（D）之间，生产分离器（D1）的上部通过高效换热器（E1）连接旋流分离器（D2）的输入端，旋流分离器（D2）的底部连接到油水缓冲罐（D3），生产分离器（D1）的下部连接到油水缓冲罐（D3），所述的旋流分离器（D2）的顶部通过管线再穿过高效换热器（E1）。上述的高效换热器（E1）采用板翅式换热器，上述的高效换热器（E1）与旋流分离器（D2）之间设有节流阀（F）。

实例边界条件为：气井D进站为压力6~19MPa的天然气（股流1），气井平均压降速率0.0043MPa/d；最低进站温度为0℃；集气站设计输量20×10⁴m3/d；集气站外输天然气（股流10）需保持在5.0MPa；根据GB17820《天然气》关于水露点的要求，进入输气管道的天然气，水露点的压力应为最高输送压力。整个气田各集气站天然气外输至输气管道最高输送压力下的水露点折算到外输天然气（股流10）5MPa下对应水露点为-13.5℃。根据焦耳-汤姆逊效应，为保证外输水露点，气井天然气约需要3MPa的节流压力用于制冷脱水。故在气井压力大于8MPa的情况下，集气站天然气走向为股流1→股流2→股流3→股流6→股流5→股流10。当气井压力小于8MPa时，无法同时满足外输天然气（股流10）压力及水露点要求时，可采用本发明提到的复温外输工艺回收输天然气（股流11）中的冷量，集气站天然气走向调整为股流1→股流2→股流3→股流7→股流8→股流11。使复温外输工艺换热器设计端面温差控制在2-3℃，二级节流压差控制在0.6-1.0MPa，从附图3及附图4可以看出实施复温外输工艺，二级节流后旋流分离器运行温平均下降了13℃，大幅度的提高了脱水深度，相当于节省2.6MPa的节流制冷脱水所需压力，可延缓气田增压实施时间约605天。若集中增压单位总成本为0.133元/m³天然气，则通过实施复温外输工艺可实现节省增压成本1609.3万元。

实施例2，结合附图5，对本发明作进一步的描述：

本实例按照图5所示工艺流程进行，图5是在图2所用高压集气站流程基础上进行调整，与实施例1不同之处是：上述的节流阀（F）外连接外冷机组（Z2），上述的旋流分离器（D2）的顶部连接的管线上设有压缩机组（Z1），天然气经过压缩机组（Z1）后外输。

本发明主要是通过复温外输工艺运用与气井生产后期，小站增压已经实施的阶段。集气站实施复温外输工艺及小站增压后，集气站天然气走向为股流1→股流2→股流3→股流7→股流8→股流11→股流12。随着井口压力的进一步降低，气田可利用节流脱水降温的压差越来越小，但由于本发明提到的复温外输工艺的存在，在只要存在有0.6~1.0MPa的节流压差，就可以将现有的节流脱水工艺继续应用下去，延缓外冷脱水设备的实施时间。即便在实施外冷脱水工艺后，复温外输工艺也可自然地延伸至小制冷量制冷天然气低温脱水脱烃技术。如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丙烷制冷装置，即外冷机组Z2，使集气站天然气走向调整为股流1→股流2→股流3→股流6→股流9→股流10→股流5→股流11→股流12，以外冷机组Z2取代原有流程中的节流阀，该外冷冷源只要能在一定的低温下将原料气继续降温2～3℃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幅度降低制冷机组的额定冷负荷，节约设备投资和运行功耗。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，其特征是：包括以下步骤实现：

首先，在集气站现有两级节流低温分离精细脱水流程之间以及二级低温分离与外输计量之间，增设高效换热器（E1）；

其次，将一级的生产分离器（D1）出口天然气作为高效换热器（E1）热端进口的原料气，将二级的生产分离器（D2）脱水后的天然气作为高效换热器冷端进口气，在高效换热器（E1）中进行热交换；

最后，通过热交换，回收外输天然气中的冷量用于冷却高效换热器（E1）热端进口的原料气，降低用于二级的生产分离器（D2）所需要的压力，用小压差即可实现水露点脱水深度的要求。

2.根据权利要求1所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，其特征是：包括以下详细步骤实现：

将高压进站的天然气，经过加热炉以及一级节流脱水后，得到经过初次脱水的原料气，随后将原料气作为热端进口气以t_热进进入新增高效换热器（E1）后，此时热端出口气出换热器温度t_热出仍与t_热进相同，热端出口气经节流阀以小压差节流后进入旋流分离器（D2）脱水，成为温度较低的冷端进口气，其温度为t_冷进，再经过管路重新入高效式换热器（E1），此时温度为t_冷进的冷端进口气与温度为t_热进的热端进口气进行换热，由于热端进口气与冷端进口气存在温差，两者间产生热交换，热端进口气温度降低，此时热端出口气出换热器温度t_热出小于t_热进，同时冷端进口气温度升高，成为温度为t_冷出的冷端出口气，即外输干气作为成品气。

3.根据权利要求2所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，其特征是：所述的循环中的热端进口气经过换热器预冷后，温度降低，再经过节流降温、第二次分离，使冷端进口气温度比上一轮循环更低，在高效换热器（E1）中热端进口气与冷端进口气温差更大，两者热交换量更大，热端进口气温度将降得更低；如此循环积累，当热端进口气与冷端进口气之间的热交换达到换热器的负荷时，本系统处于热平衡状态；热平衡状态对应的温度，由换热器的换热面积决定。

4.根据权利要求2所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，其特征是：所述的高效换热器（E1）选用具有在小温差条件下冷量回收效果好，设备单位体积、换热面积大的板翅式换热器。

5.根据权利要求2所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输的工艺，其特征是：所述的热端进口气与冷端进口气之间的所有管段和工艺设备均进行保冷处理，减少整个系统对外界的冷损失量。

6.一种利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，其特征是：包括生产分离器（D1）、旋流分离器（D2）、油水缓冲罐（D3）、高效换热器（E1）、加热炉（H1），气井（D）通过阀门连接到生产分离器（D1），加热炉（H1）安设在生产分离器（D1）与气井（D）之间，生产分离器（D1）的上部通过高效换热器（E1）连接旋流分离器（D2）的输入端，旋流分离器（D2）的底部连接到油水缓冲罐（D3），生产分离器（D1）的下部连接到油水缓冲罐（D3），所述的旋流分离器（D2）的顶部通过管线再穿过高效换热器（E1）。

7.根据权利要求6所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，其特征是：所述的高效换热器（E1）采用板翅式换热器。

8.根据权利要求6所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，其特征是：所述的高效换热器（E1）与旋流分离器（D2）之间设有节流阀（F）。

9.根据权利要求6所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，其特征是：所述的节流阀（F）外连接外冷机组（Z2）。

10.根据权利要求6所述的利用高效换热器在高压气田完成复温外输系统，其特征是：所述的旋流分离器（D2）的顶部连接的管线上设有压缩机组（Z1），天然气经过压缩机组（Z1）后外输。