南海深水气田群番禺34-1CEP平台乙二醇再生脱盐系统工艺设计

郝 蕴 周晓红

(中海油研究总院)

南海深水气田群番禺34-1CEP平台乙二醇再生脱盐系统工艺设计

郝 蕴 周晓红

(中海油研究总院)

针对南海深水气田群番禺34-1CEP平台乙二醇再生脱盐系统(MRU)设计规模大、入口流量变化范围大、含盐量高的特点,经综合比选后选用分流脱盐工艺流程,采用颗粒过滤器脱除法脱除低溶解性二价盐、增加热介质低温位回路和加热循环回路、设置MRU专用排放管汇等特殊工艺设计方案来应对MRU系统低溶解性二价盐量大、设施易腐蚀和结垢的难题,同时结合工艺模拟软件HYSYS、PROII的计算结果确定了关键工艺参数,从而为早日实现MRU设计国产化打下了坚实的基础。

南海深水气田群;番禺34-1CEP平台;乙二醇再生脱盐系统;脱盐工艺流程;特殊工艺设计方案;关键工艺参数

目前,越来越多的乙二醇再生脱盐系统(简称MRU)被设置在深水气田开发的依托平台上,用于接收来自海底管线或上游设施的富乙二醇溶液,经过处理后的贫乙二醇溶液在满足产品指标要求(含盐量、浓度、p H值等)的前提下,输送回水下注入点循环使用,从而降低生产操作费,减轻管线、设施的结垢和腐蚀情况[1]。MRU流程主要包含预处理单元、再生单元和脱盐单元,其中预处理单元主要用于脱除烃类和CO2;再生单元的功能是利用乙二醇正常沸点比水高的特性使富乙二醇溶液在高温下蒸馏,处理成浓度合格的贫乙二醇溶液;脱盐单元的功能是将富乙二醇溶液中溶解度不同的高溶解性一价盐(钠盐、钾盐)和低溶解性二价盐(钙盐、镁盐、钡盐等)这些液态盐和固态盐颗粒从MRU中全部除去或将其含量控制在微小的、可接受的范围内。

我国目前已建2套海上MRU,分别安装在渤海锦州20-2凝析气田和东海春晓气田群的处理平台上,其规模均较小,已间歇使用近10年;2套刚刚建成的MRU安装在南海深水气田群荔湾3-1和番禺34-1CEP平台上,已于2014年投产;2套正处于设计阶段的MRU计划用于东海黄岩气田群处理平台,预计于2015年投产。上述这6套海上MRU的设计、建造和安装均是由国外公司完成。为早日实现MRU系统的国产化,针对在建的南海深水气田群番禺34-1CEP平台上的MRU,开展了MRU工艺设计研究,主要包括工艺流程选择、特殊工艺设计、主要操作参数确定等问题研究。

1 工艺流程选择

1.1 设计的基础参数

南海深水气田群开发中,番禺35-1气田和番禺35-2气田采用水下井口形式进行开发,所生产的井液分别通过各自的海底管线输送到番禺34-1CEP平台,与番禺34-1气田生产的井液混合在一起进行处理。为预防番禺35-1/35-2气田的井液在集输过程中生成水合物,经番禺34-1CEP平台MRU再生、脱盐处理后的贫乙二醇溶液通过脐带缆反向输送回番禺35-1/35-2气田的水下设施,连续注入到各井口油嘴下游,与生产井液一起输送到番禺34-1CEP平台MRU进行循环处理。番禺34-1CEP平台MRU入口的设计规模为37 m3/h;最小处理量为3.7 m3/h;入口操作条件为40℃、500 k Pa(A);地层水量为23.8 m3/h。

经过工艺计算并参考已运行MRU的实际生产数据,番禺34-1CEP平台MRU确定的主要出口参数为:入口富乙二醇溶液最低质量分数30%;出口贫乙二醇溶液最低质量分数80%;出口处完全脱盐流程将贫乙二醇溶液中盐完全除去,分流脱盐流程将贫乙二醇溶液中的含盐量控制在30 g/L;出口贫乙二醇溶液p H值为7;乙二醇最高损失率为0.7%;排出的生产水含乙二醇最大质量分数0.03%;排出的生产水含烃类最大质量分数0.01%。

1.2 工艺流程类型确定

目前MRU的工艺流程根据脱盐方式的不同主要有完全脱盐流程和分流脱盐流程两大类(图1、2)。表1列出了这两大类流程各自单元的功能及主要特点。

影响MRU工艺流程选择的关键因素主要有基础数据、生产指标、公用消耗量、特殊限定条件(如橇块尺寸及重量)、操作灵活性、盐处理及储运方式等。番禺34-1CEP平台MRU完全脱盐和分流脱盐流程主要技术参数见表2。

图1 MRU完全脱盐流程框图

图2 MRU分流脱盐流程框图

表1 MRU完全脱盐流程和分流脱盐流程各单元功能及特点

表2 番禺34-1CEP平台MRU完全脱盐和分流脱盐流程主要技术参数

通过表2的对比可知:两大类流程的橇块尺寸和质量均在平台可接受的范围内(番禺34-1CEP平台MUR橇块限制尺寸20 m×15 m×25 m,质量小于1 100 t),虽然完全脱盐流程的设备数量少于分流脱盐流程,橇块总质量和总尺寸略小于分流脱盐流程,但由于番禺34-1CEP平台MRU的设计规模较大、地层水中阳离子含量较高,若采用完全脱盐流程,则定期运往陆地的固态盐饼量要大得多,且完全脱盐流程的热、冷却负荷相对较高。经过综合比选,番禺34-1CEP平台MRU选择分流脱盐流程。

2 特殊工艺设计方案

在选择分流脱盐流程后,针对番禺34-1CEP平台MRU入口流量变化范围大、地层水中含盐量高对水下设施和MRU的有效运行带来的诸多难题,采取了一些特殊的工艺设计方案。

2.1 增设热介质低温位回路

对于番禺34-1CEP平台MRU预处理单元的入口加热器来说,由于冷源(富乙二醇溶液,40℃)中含有大量的盐和固体颗粒,若采用该平台原有的高温位热介质(供热温度为220℃)进行接触换热,加热器非常容易结垢,从而导致频繁地利用酸液清洗加热器。因此,在番禺34-1CEP平台热介质系统增设了低温位供热回路(供热温度为120℃),专为预处理单元入口加热器提供低温位热源,以适度缓解结垢现象。

2.2 选择过滤器脱除法脱除低溶解性二价盐

对于番禺34-1CEP平台MRU分流脱盐流程,预处理单元中脱除低溶解性二价盐的方式有2种可供选择,即过滤器脱除法和离心机脱除法。过滤器脱除法的核心设备是特殊的板式颗粒过滤器,一般配置3台,实行循环周期作业,2台过滤器交替工作,1台过滤器备用。1个工作周期的基本步骤是:注入助滤剂→过滤组件预涂敷→过滤→排空滤器→氮气干燥滤器→氮气高压脉冲作用下震出盐饼。其工作原理是:利用过滤器内过滤组件上预涂敷的一层由助滤剂溶液构成的过滤膜,将富乙二醇中细小的固体低溶解性盐颗粒、腐蚀性颗粒和其他杂质吸附在滤膜上,逐渐形成盐饼,该盐饼达到一定厚度时,将过滤器内的富乙二醇溶液排出后,在高压氮气的脉冲作用下将盐饼震下,直接排到专门的盐饼存储容器中,定期被运往陆地进行处理。离心机脱除法的核心设备是高速离心机,其工作原理是使富乙二醇溶液在强离心力的作用下进行固液分离,分出的固体低溶解性盐颗粒需要固化成盐饼。由于离心机需要定期对转子进行检修,因此通常为1用1备。番禺34-1CEP平台MRU低溶解性二价盐脱除方式的参数见表3。

考虑到离心机脱除法的乙二醇损失率相对高,且脱除微小粒径盐颗粒的效果要逊于颗粒过滤器,为了将绝大多数二价盐在预处理单元脱除,以降低和缓解后续再生和脱盐单元设施的堵塞和结垢,同时降低乙二醇在预处理单元的损耗,MRU选择过滤器法来脱除低溶解性二价盐。

表3 番禺34-1CEP平台MRU低溶解性二价盐脱除方式对比

2.3 设置加热循环回路

为了确保进入番禺34-1CEP平台MRU的富乙二醇在低流量(远小于设计规模)时始终能够保持快速流动(推荐流速≥3 m/s[2]),以减少盐颗粒沉积,降低加热器表面的结垢程度,在预处理单元和脱盐单元均设置了加热循环回路,以保证单元内各加热器乙二醇溶液侧的流速始终维持在3 m/s以上,大大降低了加热器结垢的程度和清洗频次,但缺点是MRU热负荷一直维持在高值。另外,考虑到进入脱盐单元的乙二醇溶液经过再生单元蒸馏后含水率降为20%,盐浓度更高,加热器结垢的程度相对更严重,在乙二醇脱盐闪蒸罐底部设置了2套独立的加热循环回路(1用1备)。

2.4 设置MRU专用排放管汇

由于番禺34-1CEP平台MRU富乙二醇溶液含盐量高,内介质带有较强的腐蚀性,MRU带压设备在维修时若按通常做法统一排放到平台闭式排放管汇(其材质一般为碳钢),将可能导致该管汇的严重腐蚀,因此特别设置了MRU专用排放管汇(其材质为不锈钢),专门用于收集MRU内各带压容器维修时排放的溶液,随后直接进入闭式排放罐中进行处理。

2.5 固态盐饼的储运设计

番禺34-1CEP平台MRU颗粒过滤器过滤出的固态盐饼量很大,为4111 kg/d(其中低溶解性二价盐含量为30.0%,高溶解性一价盐含量为1.2%,烃类和CO2含量约为0.1%,水和乙二醇含量为68.7%),须定期运往陆地,为运输倒换方便起见, 3台过滤器各自对应2个盐饼储罐(1用1备),共计6个。储罐型式设计为方罐,其材质采用不锈钢以耐腐蚀,储存天数为7天,单台储罐尺寸为2.4 m(长)×2.3 m(宽)×1.55 m(高)。

3 关键工艺参数确定

3.1 盐平衡计算

番禺34-1CEP平台MRU工艺设计的一项重要工作是进行盐平衡计算,可采用手算法和工艺模拟软件计算相结合的办法,其目的是计算和平衡MRU各单元的盐处理量。表4为番禺34-1 CEP平台MRU入口地层水的计算含盐量,加上贫乙二醇溶液注入水下设施随井流进入MRU带来的微量盐(30 g/L),采用PROII工艺软件计算出的MRU各单元盐平衡示意图见图3。

表4 番禺34-1CEP平台MRU入口地层水的计算含盐量

图3 番禺34-1CEP平台MRU各单元盐平衡示意图

3.2 碱性药剂加入量

由于地层水中的Mg2+、Ca2+在真空闪蒸时会与乙二醇反应生成Mg(C2H6O2)3Cl2和Ca(C2H6O2)3Cl2,这些物质的存在会使溶液的粘度增加,难以用泵输送[3],因此需要在番禺34-1CEP平台MRU预处理单元加入化学药剂以除去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+。

根据番禺34-1CEP平台地层水中产生的CO32-和OH-总量,采用PROII工艺软件模拟计算出的Na2CO3注入量与Ca2+、Fe2+析出率之间的关系见图4,可以看出,当Na2CO3溶液的注入量为23.6 kg/h时,Ca2+、Fe2+析出率已稳定在99.5%左右,继续增大Na2CO3的注入量,也不会将Ca2+、Fe2+的析出率提升至100%,由此即可确定Na2CO3的注入计算量为23.6 kg/h。同理,NaOH的注入计算量为34.7kg/h,Mg2+析出率为99.2%。

3.3 富液预处理罐操作温度

图4 番禺34-1CEP平台MRU中Na2CO3注入量与Ca2+、Fe2+析出率之间的关系

据文献[4]资料,低溶解性二价盐在水中的溶解度很小,且随温度升高变化幅度不大。因此,富液闪蒸罐的操作温度可选取60～80℃,此时Na+、K+溶解度变化不大,同时绝大多数的烃类均能够从罐内分离出来,以免进入后续流程造成乙二醇溶液起泡或损失。同时,参考番禺34-1CEP平台凝析油的物性参数(密度为780 kg/m3),富液预处理罐的操作温度确定为80℃。

3.4 脱盐闪蒸罐操作压力

脱盐闪蒸罐选择在负压下操作,最主要的原因是为了降低热负荷,其操作压力(即真空度)的确定与入口含盐乙二醇溶液浓度有关。据文献[5]资料,乙二醇溶液的露点温度随压力的降低而下降。为避免达到纯乙二醇降解温度(为162℃[6]),同时降低脱盐单元的热负荷,番禺34-1CEP平台MRU脱盐闪蒸罐的操作压力确定为20 k Pa(A),此时80%乙二醇气体的露点为132.6℃。

3.5 脱盐闪蒸罐循环液流量与进料量之比

番禺34-1CEP平台MRU脱盐闪蒸罐底部设有循环加热回路,在保证乙二醇溶液侧的流速始终维持在3 m/s以上的同时,为达到强制对流换热、降低罐内盐颗粒结晶速度的目的,脱盐闪蒸罐循环流量与进料量之比应控制在一定范围。番禺34-1CEP平台MRU脱盐闪蒸罐循环流量/进料量、循环加热器负荷与温升之间的关系见图5,可以看出,随着脱盐闪蒸罐循环加热器温升的增大,循环流量/进料量比值迅速降低,循环加热器的负荷逐渐增大。因此,结合适当降低加热器负荷的因素,番禺34-1CEP平台MRU脱盐闪蒸罐底循环加热器温升取7℃,循环流量/进料量比值确定为45∶1。

图5 番禺34-1CEP平台MRU脱盐闪蒸罐循环流量/进料量、循环加热器负荷与温升之间的关系

4 结束语

国外针对MRU的研究和设计领先于国内,迄今为止已开展了近25年,而且相关技术一直在优化和改进。中国海洋石油总公司近年来已建或在建的MRU有6套,但均为国外公司总承包设计。本文通过对南海深水气田群番禺34-1CEP平台MRU工艺流程选择、特殊工艺设计方案、关键工艺参数确定等问题的深入研究,为打破国外公司对MRU装置的长期垄断,早日实现MRU设计国产化打下了坚实的基础。

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[6] BEACH R K.The use of ethylene glycol solutions in heating systems[M].National Research Council of Canada,1978.

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

(编辑:叶秋敏)

郝蕴,女,高级工程师,1999年毕业于原石油大学(北京)石油天然气储运专业,获硕士学位,现主要从事海洋石油工程设计工作。地址:北京市东城区东直门外小街6号海油大厦(邮编:100027)。电话:010-84523503。E-mail:haoyun@cnooc.com.cn。