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时间：2021年11月09日 09:01
（中国石油工程建设有限公司华北分公司）
摘 要：煤层气水露点控制作为煤层气净化的重要环节，在油气田地面工程建设中具有举足轻重的地位，开发出一套既适应于煤层气低压、低产、高含水特性，同时又满足低成本要求的露点控制工艺和装置，成为地面工程设计亟待解决的问题。以鄂东煤层气田保德区块保德 3 号集气站为例，根据该区块产能建设工程项目对露点控制装置的具体需求，通过对比不同脱水方式、脱水设备，对露点控制方案进行了设计，由此提出了基于甲醇气态回收的煤层气低成本露点控制方案。结论认为：该露点控制系统立足于实现煤层气高效、快速、低成本开发，实现了基于甲醇气态回收的煤层气低成本露点控制技术的橇装化和模块化，有效降低了露点控制系统运行的成本，符合煤层气公司的低成本开发战略，具有较为广阔的应用前景。
关键词：煤层气；天然气脱水；外冷装置
1.天然气脱水工艺
1.1 固体吸附法
固体吸附法是利用多孔固体吸附剂处理气体混合物，使其中所含的一种或数种组分吸附于固体表面上以达到分离的操作。
1.2 溶剂吸收法
溶剂吸收法的原理为：利用溶剂对天然气，烃类的溶解度低，而对水的溶解度高和对水蒸气吸收能力强的特点，使天然气中的水蒸气及液态水被溶剂吸收，然后再将吸水后的溶剂与天然气分离；吸水溶剂除水分再生后，返回系统循环使用
[4] 。
1.3 冷冻分离法
冷冻分离法的原理是利用天然气饱和含水汽量随温度降低、压力升高而减小的特点，将被水汽饱和的天然气冷却降温或先增压再降温的方法脱水。
2.煤层气集气站脱水工艺和设备
我国的煤层气田具有低渗、低压、低产等特点，开发投入高、产出低、风险大
[1] ，含水煤层气中的某些组分和液态水可能在高压、低温状态下，生成一种外观类似冰的固体水合物，易引起输气管线或其他处理设备堵塞，当水分含量超过管输气或商品气质量要求时，必须对煤层气中的水分进行脱水净化处理，在煤层气达到规定露点后才能管输。
煤层气的以下 4 个特点对其露点控制工艺有制约作用：①单井产量低，井口压力低，气田单位产能建井数多，地面建设投资大；②整个气田生产处于低压生产状态，难以合理确定系统压力；③低压煤层气中饱和水蒸气含量较高；
2.1 脱水工艺选择
煤层气的特点是气压低、含水量高、粉尘含量大、单井产气量较低、井数多、基本无凝析油。所以上文的三种方法都不能单独满足煤层气脱水的需求。
因此，在保德区块，进装置煤层气为经过螺杆压缩机增压后的气体，由于压力增高，气体内能增加，温度上升，经过计算，在压缩机内部喷液冷却后，气体温度冬季控制在 65℃以上，夏季控制在 85℃以下，与环境温度仍有较大差异，可以尽量利用自然冷量，采用高效空冷器冷却，达到经济温度后再进行外制冷冷却。为降低成本，考虑到保德地区输气的露点需求，采用利用环境温度自然冷量和外制冷结合的工艺，实现恒温露点控制。
2.1.1 制冷压缩机选择
小型制冷压缩机一般采用往复式和螺杆式压缩机。二者对比情况如下表
表 1 两种压缩机比较
对比项 螺杆机 活塞机
结构
依靠置于机壳内带有螺旋
齿槽的阴螺杆和阳螺杆的
啮合旋转运动，造成螺旋齿
槽间的容积不断变化，整台
机组机械部分运动部件少，
只有阴阳转子、轴承和滑阀
系统，简单可靠
依靠活塞的往复运动来压
缩汽缸内气体，通常是通过
曲柄连杆机构把原动机的
旋转运动变为活塞的往复
运动，机械部分运动部件
多，由活塞、连杆、键销、
卡簧、阀板、高低压阀片等
多种机械部件构成
工作过程 吸气、压缩、排气 压缩、排气、膨胀、吸气制冷效率 效率高 效率低
维护成本 维护周期长 维护周期短
占地面积 较小 较大
投资费用 投资比活塞机高 20%左右 较低
发展前景 已大面积应用，技术成熟。 逐步淘汰根据上表可以得出螺杆机优于活塞机，保德 3 号集气站选用螺杆机作为制冷压缩机。
2.2 露点控制工艺选择
煤层气恒温露点控制系统通过利用空冷器和外制冷系统提供的冷量，结合极限换热技术和气提分离合一技术，实现含水煤层气的有效分离，保证了外输气质、压力、温度满足管输要求。
压缩机出口的煤层气首先进入恒温露点控制橇的一级空冷器预冷至 40℃左右，再经过两股流绕管换热器预冷至 5℃，之后通过雾化器注入甲醇，汇入脱水分离器的气提器出口气体后，温度升至 15℃，当环境温度低于 15℃（冬季）时，进入二级空冷器将气体冷却至 0℃（冬季），当环境温度高于 15℃（夏季）时，二级空冷器停用。预冷后的气体进入外制冷系统，保持外冷系统出口温度在冬季和夏季都维持在－5℃，然后再进入脱水分离器，分离出甲醇水溶液，脱水分离后的气体与原料气换热后复热达到 30℃外输
[5] 。
脱水分离器分离出的甲醇水溶液经过管道循环泵打回脱水分离器气提装置的上部入口。甲醇水溶液向下流动的过程中，与从气提装置下部进入的一部分高温煤层气完成气提甲醇再生过程，甲醇被高温煤层气带走，在二级空冷器之前汇入主流程，实现甲醇在装置内的循环利用，大大减少通过雾化器的注醇量。
2.3 核心设备选择
2.3.1 板翅式换热器与管壳式换热器的选择
虽然板翅式空冷器比管壳式换热器传热效率更高，设备占地更小，质量更轻，但是根据保德 3 号站使用经验，煤层气中含煤粉量较大，大颗粒高速冲刷板翅极易造成板换损坏，引起泄漏。所以煤层气脱水应采用耐冲刷、不易结垢的管壳式换热器。
2.3.2 外冷装置
螺杆式压缩机是外制冷系统的核心结构，采用滑阀无级调节，可以保证进脱水分离器的煤层气温度恒定在-5℃，使能量调节范围达到10%～120%，能适应来气含水量和来气温度波动变化的工况，可满足冬夏不同季节的使用。从根本上避免了大马拉小车的现象出现，大大增加了压缩机的能效比和压缩机的寿命。
3.结论
保德 3 号集气站建成投产时间为 2014 年，设计处理量为 80×104m3/d，为保德区块煤层气集输联合运行系统中具有代表性的一个集气站。该站使用了上文所推荐的一整套带甲烷回收装置的煤层气脱水装置，维护费用低，外输气质水露点合格，取得了较好的经济效益。
该脱水装置立足于实现煤层气高效、快速、低成本开发，高度集成了缠绕式换热器、管壳式空冷器、气提合一分离装置、外制冷系统等高效设备，实现了基于甲醇气态回收的煤层气低成本露点控制技术的橇装化和模块化，有效降低了露点控制系统运行的成本，符合煤层气公司的低成本开发战略，具有较为广阔的应用前景。
参考文献
[1]马卫锋.国内外天然气脱水技术发展现状及趋势[J].管道技术与设备，2011，6：53-55.
[2]祝传钰.板翅式换热器在天然气中压露点控制装置中的应用[J].化学工程与装备，2014，6：103-105.
[3]胡晓敏.分子筛脱水工艺简述[J].天然气与石油.2008，26(1)：39-41.
[4]万宇飞.煤层气脱水工艺分析[J].当代化工.2014，43(8)：1527-1529.
[5]王亚彬.基于甲醇气态回收的煤层气低成本露点控制方案[J].天然气工业.2018，38(1)：158-164.
