1概述
近年來，隨著全球天然氣勘探與開發(fā)的逐漸深入，越來越多的深海氣田、中小型邊際氣田及伴生氣田被發(fā)現(xiàn)。海上天然氣的開發(fā)不僅環(huán)境嚴(yán)峻、技術(shù)難度大、投資巨大，而且建設(shè)期長(zhǎng)、資金回收期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)較大，不適于采用海上固定式平臺(tái)開采。浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(LNG Floating Production Storage and Offloading Unit，簡(jiǎn)稱LNG—FPSO)集海匕天然氣的凈化、液化、儲(chǔ)存、裝卸和外運(yùn)為一體，是一種新型海上氣田開發(fā)技術(shù)。該技術(shù)具有造價(jià)低、建造期短、便于遷移、可重復(fù)使用、遠(yuǎn)離人口密集區(qū)、對(duì)環(huán)境的影響較小等優(yōu)點(diǎn)，可以靈活適應(yīng)海上天然氣田的生產(chǎn)狀況，特別適用于深海和近海海域天然氣的開采。
在浮式LNG生產(chǎn)工藝中，天然氣的預(yù)處理是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到后續(xù)工藝的正常運(yùn)行。目前，陸上LNG裝置的預(yù)處理工藝系統(tǒng)已比較成熟。然而浮式LNG生產(chǎn)裝置由于受到海上特殊環(huán)境的限制，要求所采用的凈化工藝不僅要適應(yīng)氣源條件，還應(yīng)具有流程簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、占用空間小、適用性強(qiáng)、安全可靠等特點(diǎn)，以滿足海況條件復(fù)雜變化的要求。其工藝及設(shè)備的選擇、布置與陸上預(yù)處理工藝有很大差別，還有許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，目前該項(xiàng)技術(shù)研究仍處于初期階段。
2設(shè)計(jì)原則與研究思路
海上浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則可大體概括為：①滿足天然氣凈化指標(biāo)要求，在技術(shù)上可行；②適應(yīng)海上浮式生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)，即要求設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單，占用空間小，重量輕，適應(yīng)范圍廣；⑧綜合經(jīng)濟(jì)效益要好。要綜合評(píng)價(jià)一種預(yù)處理工藝系統(tǒng)，即從初期投資、雜質(zhì)凈化效果、生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用及維修周期等多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)，最后篩選出一種技術(shù)上適用、經(jīng)濟(jì)效益好的工藝系統(tǒng)。
在進(jìn)行浮式LNG預(yù)處理工藝及設(shè)備的選擇時(shí)，除了要考慮氣源條件(如天然氣組成、流量、壓力、溫度等)外，還應(yīng)考慮海域的海況及環(huán)境因素，例如風(fēng)速、波浪、海流速度、大氣溫度、壓力、相對(duì)濕度等。
預(yù)處理工藝各有其特點(diǎn)及適用條件，在進(jìn)行浮式LNG預(yù)處理工藝選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)海上氣田的具體情況，按照造價(jià)低的原則，綜合考慮各種因素，對(duì)每種預(yù)處理工藝進(jìn)行可行性研究，經(jīng)過對(duì)比分析，最后選擇出一種較為合理的方案。目前，浮式預(yù)處理技術(shù)研究仍處于初期階段，針對(duì)現(xiàn)狀可初步給出浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)研究的思路框圖。
結(jié)合圖l，目前面臨的主要問題有：①由于浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置漂浮在海上，受風(fēng)浪、氣候、海流等因素的影響，船體的穩(wěn)定性比固定平臺(tái)差，因此浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)備性能的影響。然而目前該項(xiàng)研究還存在許多不足，國(guó)內(nèi)沒有成熟的實(shí)驗(yàn)研究裝置，還有許多未解決的技術(shù)問題。②工藝及設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)的確定尚不完善，只能通過相關(guān)軟件或借鑒現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定，與海上工況還存在一定差別，尚不能很好地反映海上實(shí)際運(yùn)行情況。
3預(yù)處理工藝及設(shè)備的適應(yīng)性分析
天然氣的預(yù)處理是指深度脫除原料氣中的H2s、CO2、H2O、重?zé)N、汞及芳香烴等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備及在低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道，此外，為了減少LNG的蒸發(fā)損失，還應(yīng)控制原料氣中氮?dú)?、氦氣等惰性氣體含量m引。
3．1脫酸氣
在天然氣液化裝置中，常用的脫酸氣方法有3種，即醇胺法、熱鉀堿法和砜胺法。下面對(duì)這3種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。
①醇胺法
醇胺法利用以醇胺為溶劑的水溶液，與原料天然氣中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來脫除天然氣中的酸性氣體。該法目前已相當(dāng)成熟，可同時(shí)脫除co2和H2s，尤其適用于酸性組分分壓低或要求酸性組分含量低的場(chǎng)所。
醇胺法的主要缺點(diǎn)杉①有些醇胺溶液與COS和CS2的反應(yīng)是不可逆的，會(huì)造成溶劑降解損失，故不宜用于COS和cs2含量高的天然氣脫酸氣；②醇胺溶液具有腐蝕性；③醇胺溶液作為脫酸氣溶劑，其富液在再生時(shí)需加熱，不僅能耗較高，而且高溫下醇胺易發(fā)生熱降解，損耗較大。
②熱鉀堿法
Benfield法是目前熱鉀堿法中使用最為廣泛的方法。其吸收劑是由碳酸鉀、催化劑、防腐劑和水組成的混合物，可同時(shí)脫除H2s和CO2，在酸氣分壓較高時(shí)使用較為經(jīng)濟(jì)。該法的吸收溫度較高，凈化程度好，對(duì)含有大量二氧化碳的原料氣尤為適用。Benfield法已被世界上600多座天然氣預(yù)處理裝置所采用。
③砜胺法
砜胺法是近年來使用最為廣泛的化學(xué)一物理溶劑法，其吸收溶劑是由物理溶劑環(huán)丁砜、化學(xué)溶劑二異丙醇胺或甲基二乙醇胺和少量水組成。該法兼有物理溶劑法和化學(xué)溶劑法兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有能耗低、裝置處理能力大、腐蝕輕、不易發(fā)泡、溶劑變質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)中、高酸氣分壓的天然氣有廣泛的適用性，同時(shí)具有良好的脫有機(jī)硫的能力。在脫除H2s及C02的同時(shí)脫除有機(jī)硫的工況，國(guó)內(nèi)外都首選砜胺法。該法的缺點(diǎn)是對(duì)烴類有較高的溶解度，會(huì)造成有效組分的損失。
④其他方法
由以上分析可知，這3種脫酸氣方法具有不同的應(yīng)用場(chǎng)所，因此脫酸氣工藝的選擇應(yīng)視原料氣的具體組成而定。除了上述3種方法之外，近年來又開發(fā)了一些新型凈化工藝，如膜分離法、吸附分離技術(shù)等。
天然氣膜分離法是近20多年來發(fā)展起來的新技術(shù)，具有造價(jià)低、操作簡(jiǎn)單、重量輕、占地面積小、能耗低，在脫除酸性氣體的同時(shí)可脫去大部分水蒸氣，裝置無運(yùn)動(dòng)部件且體積小，不易受外部環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于海上浮式生產(chǎn)裝置具有較大的吸引力。但膜分離技術(shù)通常只能用于酸氣含量高的場(chǎng)所，而且只能作為H：s和CO：的粗級(jí)凈化。當(dāng)原料氣中CO：體積分?jǐn)?shù)高于2％時(shí)，可采用膜分離法和醇胺法相結(jié)合的酸氣凈化系統(tǒng)。
3．2脫水
目前常用的天然氣脫水方法主要有冷卻法、吸收法、吸附法、膜分離法、超聲速脫水法，5種脫水方法的對(duì)比分析如下。
①冷卻法
冷卻法脫水利用壓力不變時(shí)天然氣含水量隨溫度降低而減少的原理實(shí)現(xiàn)天然氣脫水。此法只適用于大量水分的粗分離，其脫水深度達(dá)不到天然氣液化前對(duì)水露點(diǎn)的要求，須與其他方法結(jié)合使用。
②吸收法
甘醇法是吸收法中使用最為廣泛的一種方法。該法具有造價(jià)較低、壓力降較小、可連續(xù)操作、補(bǔ)充甘醇較容易等優(yōu)點(diǎn)，并且可方便應(yīng)用于某些固體吸附劑易受污染的場(chǎng)所。該法的缺點(diǎn)是：a．天然氣的水露點(diǎn)要求低于一32 cC時(shí)，需采用汽提法進(jìn)行再生，能耗較高。b．甘醇受污染或分解后具有腐蝕性。甘醇法脫水的露點(diǎn)降通常為30～60℃，適用于大型天然氣液化裝置中原料氣所含的大部分水分的脫除。
③吸附法
吸附法脫水能夠提供非常低的水露點(diǎn)，可使天然氣水露點(diǎn)降至一70℃以下，水的體積分?jǐn)?shù)可降至0.1×10“以下；對(duì)氣溫、流速、壓力等變化不敏感；沒有腐蝕、形成泡沫等問題。其主要缺點(diǎn)是：基本建設(shè)造價(jià)高，一般情況下壓力降較大，吸附劑易中毒或破碎，再生時(shí)需要的熱量較多?，F(xiàn)代液化天然氣工廠采用的吸附脫水方法大都是分子篩吸附脫水。
④膜分離法
膜分離法可同時(shí)脫除天然氣中的CO2、H2s及水。該法的優(yōu)點(diǎn)是：a．對(duì)氣體處理量和CO2的含量不存在上限的問題，操作費(fèi)用較低，造價(jià)與甘醇法相當(dāng)；b．靈活性大，適應(yīng)性強(qiáng)；c．設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，占用空問小，重量輕；d．對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響較小。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，在不同的操作條件下，膜分離法能使水露點(diǎn)降到一48℃以下，水的體積分?jǐn)?shù)<100×10-6。
膜分離法用于天然氣脫水有其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，潛力較大。但是從目前的應(yīng)用角度來看，該法在工業(yè)上尚未得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)有條件下膜的性能尚存在不穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)脫水工藝相比，膜分離法脫水在烴損失、濃差極化、膜的塑化等方面仍存在著挑戰(zhàn)。
⑤超聲速脫水法
超聲速脫水法利用天然氣在超聲速狀態(tài)下的蒸汽冷凝現(xiàn)象進(jìn)行天然氣脫水。該法的優(yōu)點(diǎn)是：a．工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少，裝置易橇裝；b．可靠性很高，允許在苛刻環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)；c．能夠在瞬間啟停，無需大量的外部能源供應(yīng)；d．造價(jià)低，操作方便，可靠性高，不需外加動(dòng)力，運(yùn)行費(fèi)用低。然而該法的脫水深度不高，通常達(dá)不到LNG裝置對(duì)原料氣的凈化指標(biāo)要求。
⑥比較結(jié)果
由以上對(duì)比分析可知，冷卻脫水只適用于大量水分的粗分離。膜分離法及天然氣超聲速脫水系統(tǒng)雖然具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其脫水深度達(dá)不到天然氣液化前含水量的要求，尚不能直接用于天然氣液化裝置。由于甘醇法脫水所采用的脫水劑為液體工質(zhì)，浮式生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致液體分布不均，造成傳質(zhì)效果惡化，從而降低吸收效率，故該法不適用于海上浮式生產(chǎn)裝置。
與其他方法相比，吸附法中的分子篩脫水法不僅具有脫水效果好、可達(dá)到液化裝置脫水深度要求 (水體積分?jǐn)?shù)<O.1×10-6)的優(yōu)點(diǎn)，而且作為吸附法的一種，針對(duì)浮式LNG生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)，分子篩脫水還具有較大的優(yōu)勢(shì)：a．流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，體積小。b．海上浮式生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)是比較機(jī)動(dòng)、靈活，開停方便，由于受臺(tái)風(fēng)等因素的影響，運(yùn)行可能不連續(xù)。吸附法可以間歇工作，可適應(yīng)浮式LNG裝置的特點(diǎn)。c．浮式LNG生產(chǎn)裝置經(jīng)常會(huì)發(fā)生一定程度的傾斜，吸附過程不存在液體工質(zhì)，且氣體的均勻分布又不受塔體傾斜的影響，因此無需為考慮傾斜而放大裝置尺寸。
鑒于分子篩脫水工藝在浮式LNG凈化方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，故建議采用分子篩脫水法。此外，當(dāng)原料氣含水量較高時(shí)，可先用冷卻法、膜分離法或超聲速法脫除大部分的水分，再采用分子篩工藝進(jìn)行深度脫水。
3．3脫重?zé)N
在天然氣液化裝置中，進(jìn)液化單元的原料氣中重?zé)N質(zhì)量濃度不應(yīng)高于70 mg／m。。在用分子篩吸附脫水時(shí)，重?zé)N可被部分脫除，但通常達(dá)不到凈化要求，余下的重?zé)N通常采用冷凝分離法除去。
根據(jù)制冷方式的不同，冷凝分離法可分為制冷劑制冷、節(jié)流制冷、膨脹制冷3種。制冷劑制冷過程中天然氣的壓力損失較小，當(dāng)天然氣采用混合制冷劑液化工藝時(shí)使用此法較為經(jīng)濟(jì)。節(jié)流制冷的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行、設(shè)備造價(jià)低，在原料氣壓力很高、有剩余壓力可供利用時(shí)可采用此法，但通常不能使重?zé)N含量降低至所要求的值。膨脹制冷過程制冷溫度較低，可達(dá)到天然氣液化前對(duì)重?zé)N含量的要求，且操作簡(jiǎn)單、易于模塊式橇裝，用于天然氣液化過程具有較大的優(yōu)越性。
此外，若在浮式生產(chǎn)裝置上實(shí)現(xiàn)C3、C4(或稱LPG)與天然汽油(C5)的分離，則還需采用輕油穩(wěn)定塔。塔器是實(shí)現(xiàn)氣液傳質(zhì)的設(shè)備，浮式生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)對(duì)塔器的傳質(zhì)效果影響較大，塔器的設(shè)計(jì)需充分考慮浮式生產(chǎn)裝置各種不利因素的影響。因此，是否要在浮式生產(chǎn)裝置上實(shí)現(xiàn)LPG與天然汽油的分離，應(yīng)視原料氣中C3、C4及C5含量多少進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
3．4其他雜質(zhì)的脫除
天然氣中除了含有水、酸性氣體、重?zé)N外，還含有汞、芳香烴(主要是苯)、氮?dú)獾入s質(zhì)。
在天然氣凈化中，國(guó)內(nèi)外常用的脫汞方法主要有HgSIV吸附劑脫汞和浸漬硫活性炭脫汞，兩種方法均可應(yīng)用于海上浮式LNG生產(chǎn)裝置。HgSIV吸附劑是由美國(guó)UOP公司研發(fā)的一種新型脫汞材料，該吸附劑具有良好的汞清除特性并且可再生，可同時(shí)對(duì)氣體干燥并除去Hg。在Pacific Rim的一個(gè)LNG工廠中，該吸附劑的功效能使Hg含量從25∥m3降至0.01m3。目前該法已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用。美國(guó)Calgon公司活性炭分公司研制的一種專門用于從氣體中脫除汞的浸漬硫活性炭HGR，具有良好的脫汞效果，并可再生。我國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所南京科技開發(fā)總公司研發(fā)的浸漬硫活性炭性能相當(dāng)于美國(guó)Calgon公司的浸漬硫活性炭。該吸附劑可國(guó)產(chǎn)化，目前已成功應(yīng)用于海南海然天然氣液化裝置。
在天然氣脫苯中，常用的方法有吸收法和吸附法。吸收法脫苯工藝采用的吸收劑為異戊烷。目前國(guó)內(nèi)已有廠家研制出異戊烷脫苯方法，并已應(yīng)用于河南中原綠能高科有限責(zé)任公司LNG工廠。然而由于該法采用的吸收劑為液體工質(zhì)，浮式生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)不利于傳質(zhì)過程咕勺進(jìn)行，故不適用于海上浮式LNG裝置。吸附法脫苯工藝常用的吸附劑為活性炭，活性炭吸附脫苯技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單、造價(jià)低、能耗少的優(yōu)點(diǎn)¨引，并且浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)其影響較小，在浮式LNG凈化方面表現(xiàn)出較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，故建議采用活性炭吸附脫苯工藝。氮?dú)庖话悴捎米罱K閃蒸的方法從液化天然氣中選擇性地脫除。
3．5凈化設(shè)備
浮式生產(chǎn)裝置因海上環(huán)境的變化(風(fēng)、浪、流)會(huì)產(chǎn)生一定自由度的運(yùn)動(dòng)，主要有6種形式的運(yùn)動(dòng)：縱蕩(surge)、橫蕩(sway)、垂蕩(heave)、橫搖 (roll)、縱搖(pitch)和首搖(yaw)，其中前3種屬線性運(yùn)動(dòng)，后3種為角度運(yùn)動(dòng)。對(duì)工藝設(shè)備性能影響較大的運(yùn)動(dòng)形式主要有4種：縱搖、橫搖、垂蕩和縱蕩㈣。
浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)中，受浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)影響較大的設(shè)備主要是氣液接觸和傳質(zhì)的設(shè)備，即各類塔器和分離器。為了減少浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)工藝設(shè)備性能的影響，可采取以下措施：
①合理布置容器，盡可能減少設(shè)備的運(yùn)動(dòng)振幅，壓載系統(tǒng)必須保證浮式生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)。對(duì)浮式生產(chǎn)裝置危害最大的運(yùn)動(dòng)是縱搖，故工藝容器的軸向應(yīng)當(dāng)布置成沿最小的縱搖方向，并盡可能靠近浮式生產(chǎn)裝置的重心，使得垂蕩運(yùn)動(dòng)保持最小值。
②合理設(shè)計(jì)容器的尺寸和內(nèi)件。增加臥式容器的直徑，減少長(zhǎng)度，減少浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)的影響；增加容器內(nèi)堰板的數(shù)量，初級(jí)撓動(dòng)會(huì)降低，而次級(jí)撓動(dòng)會(huì)增加，因此為使總的撓動(dòng)達(dá)到最小值，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化堰板的數(shù)量，并改進(jìn)堰板的形式，可減少橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)臥式容器性能的影響?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，經(jīng)特殊內(nèi)件設(shè)計(jì)的臥式容器經(jīng)受6。的橫搖和3。的縱搖時(shí)，仍能保證滿意的操作。
③對(duì)于浮式生產(chǎn)裝置，塔器應(yīng)優(yōu)先選擇填料塔設(shè)備。填料塔工作性能穩(wěn)定，比塔盤塔有利于傳質(zhì)，且減小了塔徑和整體高度。最小化塔尺寸和重量對(duì)于減小浮式生產(chǎn)裝置彎曲撓度和晃動(dòng)引起的剪切力是非常必要的。填料塔是天然氣液化流程中最高、最重的設(shè)備(尤其是原料氣壓力高時(shí))，應(yīng)布置在浮式生產(chǎn)裝置的中軸線上。由于液化及分餾模塊中的蒸餾塔的直徑和高度遠(yuǎn)小于吸收塔和再生塔，對(duì)塔盤、堰板進(jìn)行改進(jìn)后，可以選用塔盤塔。
此外，20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的一種新型高效傳質(zhì)設(shè)備——超重力技術(shù)的旋轉(zhuǎn)填充床(又稱超重力機(jī))，克服了傳統(tǒng)塔器的缺點(diǎn)，逐漸受到關(guān)注。超重力機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的填料床產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力強(qiáng)化傳質(zhì)與混合過程的新型設(shè)備。該設(shè)備具有體積小、傳質(zhì)效率高、能耗低、物料停留時(shí)間短、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、耐振動(dòng)及顛簸、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于海上油氣田的開發(fā)具有很大的吸引力。在天然氣脫酸氣工藝中，采用超重力機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸收塔及再生塔強(qiáng)化傳質(zhì)與反應(yīng)過程，將是一項(xiàng)革新性技術(shù)。
4結(jié)論
海上浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)海上氣田的具體情況，按照造價(jià)低的原則，綜合考慮各種因素，對(duì)每種預(yù)處理工藝系統(tǒng)進(jìn)行可行性研究，經(jīng)過對(duì)比分析，最后選擇一種較為合理的方案。本文提出了預(yù)處理工藝系統(tǒng)研究的思路框圖，對(duì)比分析了現(xiàn)有預(yù)處理工藝對(duì)浮式生產(chǎn)裝置的適應(yīng)性，初步選擇出了各種雜質(zhì)的凈化方法。浮式生產(chǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)對(duì)工藝設(shè)備的性能產(chǎn)生一定影響，為了減少浮式生產(chǎn)裝置運(yùn)動(dòng)的影響，給出了設(shè)備在浮式生產(chǎn)裝置上的布置及選型方面的建議，對(duì)于海上浮式預(yù)處理工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
目前，海上浮式預(yù)處理工藝系統(tǒng)的研究仍處于初期階段。為確保實(shí)際裝置的安全性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性，除了理論分析之外，還應(yīng)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)及模擬軟件等手段研究海洋環(huán)境中浮式LNG預(yù)處理工藝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。
