開關式液位控制閥在高壓氣田中的應用

黨 博

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

在海洋石油生產過程中，各系統中會使用大量的控制閥以保障平臺平穩運行，尤其在高壓氣田生產過程中，控制閥不僅用來進行壓力、流量等參數的調節，還會作為各系統界面間的壓降調節元件[1]。如南海某氣田平臺氣體脫水系統TEG（三甘醇）接觸塔入口目前有2 套入口過濾分離器，操作壓力為9 MPa 左右，入口過濾分離器分為上下2 個腔室，各設置1 臺液位調節閥，過濾分離器液相管線的控制閥下游接至高壓火炬系統進行液烴回收，高壓火炬操作壓力為0～600 kPaG，液體介質經過液位調節閥時壓降約為8 400 kPaG，此系統依靠這四個控制閥進行生產調節。因此，控制閥的質量與整個平臺的平穩運行息息相關。

1 平臺生產過程中存在問題

南海某氣田平臺三甘醇接觸塔入口過濾分離器的液位調節閥前后壓差大（系統壓力9 MPa，過濾分離器液相管線的控制閥下游接至高壓火炬系統進行液烴回收，高壓火炬操作壓力為0～600 kPaG，液體介質經過液位調節閥時壓降約為8 400 kPaG），在高壓差下，液體都會出現部分氣化的現象，此時單相流將轉變為多相流，同時調節閥閥芯因連續的流體高速沖蝕而發生內漏[2]。系統流程圖見圖1：

當調節閥內漏到一定程度時，則發生氣竄，導致調節閥不能有效控制入口過濾分離器兩個腔室的液位，易觸發液位低信號，進而產生單元關斷，如果處理不及時，將升至更高級別關斷，影響平臺正常生產[3]。為保證生產平穩，將入口過濾分離器的液位信號進行長期隔離，避免不必要的單元生產關停。為解決液位信號長期旁通問題，需對該液相流程進行改造優化并進行評估。

圖1 天然氣脫水系統流程圖

2 控制閥頻繁內漏問題的分析

結合前期對白云作業區3 個氣田平臺的調研情況，目前在天然氣脫水工藝系統中，氣量雖然很大，但液量普遍不大，閥門內漏的原因不僅僅受制于高壓差因素，開度不合理也是重要影響因素之一。所以即便在控制閥下游增加背壓元件（孔板、截止閥、角閥等），選擇目前廠家最小尺寸的閥門，正常生產工況下控制閥開度下仍處于小開度區域，現場控制閥開度記錄情況見圖2。同時控制閥實時收到連續液位控制信號的反饋而進行響應動作，在不合理開度下頻繁動作，控制閥閥芯很快將出現內漏情況，現場閥芯沖蝕情況見圖3。

圖2 控制閥現場開度曲線

圖3 控制閥閥芯沖蝕情況

3 控制閥頻繁內漏問題的解決思路

在現場調研過程中發現，控制閥頻繁內漏問題是高壓氣田普遍存在的問題，在與生產人員深入探討生產實際情況后認為：在控制閥下游增加背壓元件、優化控制閥閥芯材質、增加更適合現階段流量曲線的控制閥做分程控制等措施對增加控制閥使用壽命效果不大，且以上措施的分析結果基本都已經通過現場生產和調研廠家得到了驗證。綜上所述，考慮目前材料選擇與經濟生產的匹配性，考慮將連續的線性液位調節調整為兩點式開關液位調節并增加液烴緩沖罐，即將過濾分離器兩個腔室的控制閥取消，在新增緩沖罐液相出口僅增加一個開關式控制閥，可減少了閥門控制閥及工藝閥門數量，同時大大降低了閥門控制閥開啟頻率，最終可實現延長控制閥使用壽命的效果[4]。

下面從3 個角度出發，來分析“開關液位調節并增加液烴緩沖罐”是如何最終解決控制閥內漏問題。

3.1 減少控制閥數量，優化液位控制邏輯

將一個系統的幾個獨立設備的關斷邏輯糅合在一起統籌考慮，減少設備液位控制閥數量，同時可避免優化控制閥的設備關停頻率增加，優化液位控制邏輯后控制閥設置情況對比見圖4，系統升級前后控制閥數量及系統關斷邏輯對比分析情況見表1。

圖4 升級前后控制閥設置情況

表1 升級前后控制閥數量及系統關斷邏輯對比

3.2 調整為兩點式液位控制閥后閥門開啟頻率的下降

首次結合在大氣量、小液量的高壓氣田的流量特點，將連續的線性液位調節優化為兩點式液位調節，優化閥門開啟頻率，系統升級前后控制閥開啟頻率對比分析情況見表2。

表2 優化閥門控制形式后閥門開啟頻率對比

3.3 增加液烴緩沖罐后閥門開啟頻率的下降和開度的合理化

摒棄控制閥的使用壽命由廠家決定的理念，從生產流程上入手，在TEG（三甘醇）接觸塔入口過濾分離器下游增加體積不大的液烴緩沖罐，更大程度降低閥門開啟頻率，增加配管適應性，增強設計的主導性。同時此方案下，閥門的開度不再受連續的液烴流量影響，只需考慮在適當的時間將液烴緩沖罐的液位泄放到設定值即可，通過計算，增加液烴緩沖罐后選擇1 個2 in 的開關式液位控制閥是合理的，增加緩沖罐后控制閥開啟頻率對比分析情況見表3。

表3 增加緩沖罐后控制閥開啟頻率對比

4 經濟效益分析

節省采辦4 個900 磅1-1/2 in 雙相鋼材質控制閥及配套雙相鋼高壓工藝閥門，節省閥門投資68 萬元人民幣。且并聯設備越多節省控制閥越多。

對比TEG（三甘醇）接觸塔入口過濾分離系統原液位控制方式，將連續液位調節優化為間歇調節，延長控制閥使用壽命（根據平臺反饋連續控制的高壓差控制閥平均6～12 月更換一次，單套閥芯10 萬元）。根據此系統控制閥數量，可節約維保費40 萬元/年；降低閥門內漏頻率，如將閥門內漏導致氣竄至高壓火炬系統的氣體損耗折合[5]，可減少能源損失約430 萬元/年。

5 結論及建議

高壓氣田，壓力高、氣量大但液量相對較小，通過采用增加液烴緩沖罐+開關式控制閥的設計思路，可顯著降低閥門沖蝕時間，解決了南海海域的高壓氣田控制閥頻繁內漏、維保費用大、環境污染的問題。同時使控制閥在氣田全生命周期內的適應性更廣，可普遍應用在操作壓力高、氣量大、液量小的高壓氣田中，具有可推廣性。