海上油气田首次气体膜分离技术运用浅析

一、引言

海上某油田为同步油田发展, 增加一台1000KW内燃机提升油田电网供应能力。在测试内燃机过程中, 发现机组排烟温度高, 燃烧缸内部有爆炸现象。通过技专业术人员分析, 发现是由于油田天然气重组分偏高所致。油田在国内寻求技术支持, 决定利用气体膜分离技术解决该问题。通过现场测试, 确定该技术能有效分离出天然气的重组分, 进入内燃机的天然气组分完全满足工作要求, 提高了油田电网稳定性, 对油田后期发展具有积极作用。

二、工作异常现象

内燃机安装到位后, 经技术人员检查后决定引入天然气进入机组进行试机。内燃机启动后在调试过程中发现:在机组负荷600k W以上时, 排烟温度偏高达640℃;在机组负荷800k W以上时, 出现爆震现象。严重影响机组工作稳定性, 同时对机组存在损伤, 随后油田决定暂停试机并查找故障原因。

三、原因分析

经厂家技术人员检查解释, 明确了工作异常原因。燃气内燃发动机对燃料气品质有一定要求, 当燃料气中含有过高的重组分时, 会造成燃料路径和涡轮机叶片的积碳, 严重时发动机会产生爆震, 造成点火室的严重损伤, 降低发动机的效率。燃气内燃机厂家技术要求, C3及以上含量不能超过5%, 油田现有的燃气系统给内燃机提供的燃料气不能直接作为燃料 (C3含量达11.25%) , 必须对燃料气进行再次处理。

四、气体膜分离技术

本次运用的气体膜分离技术是一种基于溶解扩散机理的新型气体分离技术, 其分离的推动力是气体各组分在膜两侧的分压差, 利用气体各组分通过膜时的渗透速率的不同来进行气体分离的 (见图1) 。

膜的材料是聚合物膜, 即橡胶态复合膜, 其特性是溶解选择性控制。橡胶态的复合膜主要为三层结构 (见图2) :表面为无缺陷的橡胶态分离层;中间为耐溶剂的微孔膜支撑层, 提供所需的机械强度;无纺布为膜的载体层。根据复合膜的特点, 将上述的复合膜制备成图3所示的螺旋卷式膜组件。原料气进入到组件内在膜片间进行流动, 原料侧和渗透侧的隔网提供流动的通道。由于各气体组分在聚合物薄膜中的溶解扩散系数的差异, 从而导致气体透过膜的渗透速率不同, 各气体组分在膜两侧分压差的作用下, 分子量大、沸点高的气体, 如丙烷、丁烷、戊烷、C6+等重烃膜内的溶解度大, 渗透速率快, 在膜的渗透侧富集, 而渗透速率较慢的气体 (如N2, CH4等) 则在膜的高压侧滞留而被富集, 从而实现与分子量小、沸点低的气体如甲烷、乙烷的分离。

膜分离渗透气量 (J) 与膜面积 (A) 、压差 (指原料气压力与渗透气压力的差值ΔP) 有关, 其关系式如下:

式中:J—渗透气量

K—分离系数 (常数)

A—膜面积

ΔP—压差, 指原料气分压与渗透气分压的差值

Pf—原料气侧分压

Pp—渗透气侧分压

五、实际效果

在投入膜处理装置后, 内燃机试机测试过程未见排烟温度高、缸内爆震现象。数据显示当内燃机带载到800k W时, 排气温度610-620左右, 无爆震现象, 满足工作要求。经气相色谱分析实验测得经膜分离后天然气组分如下:

从数据来看, 绝大部分C3、C4被分离出, 仅占组分含量3.46%, C1、C2含量达96.5%, 满足内燃机对燃料的工作要求 (C3及以上组分含量小于5%) , 说明气体膜分离技术适用于油田工作需要。

由于工业现场不同工况要求, 需要对天然气进行分离。传统工艺技术主要是依靠压缩冷却工艺, 从而将燃气中的重烃组分提取出来。但该工艺存在设备多、体积大、成本高、动设备风险、维护量大等弊端, 而气体膜分离技术能避免这些缺陷, 如下图对比表。

小结

膜分离技术从上世纪60年代开始崛起, 发展到现在技术已经趋于成熟。气体膜分离技术首次在中国海上油气田成功运用, 具有深远的意义。膜分离技术具有工艺简单、体积小、分离效率高、无动设备等突出优点, 海上油气田设备集中、工作密集、作业风险高, 如果能减少动设备数量、提升空间利用率, 对油田安全控制有积极的作用。但膜分离技术的最大意义是:节能环保!该技术不需要附属设备支持运行, 静态工作。在企业把节能环保作为核心工作的今天, 膜分离器技术可以提供另一个发展方向。膜分离技术不仅限于气体, 对液体、固体同样具有分离能力, 利用膜技术可以规避传统工艺的缺陷, 提升系统的安全性和工作效率, 该技术成果在其它海上油气田运行提供了借鉴。

摘要：在海上油气田运营中, 利用天然气做内燃机燃料是常规操作方式, 但由于燃气内燃机对燃料气组分有工作要求, 不满足要求的天然气进入内燃机工作会引起机组排烟温度高、爆震现象, 导致机组工作参数不稳定。通过利用气体膜分离技术成功解决燃料气组分问题, 为膜分离技术在海上油气田应用开拓运用前景。

关键词：内燃机,燃料气,组分,气体膜分离技术,渗透速率