三甘醇脫水裝置的節(jié)能設(shè)計

王文武 李永生 郭亞紅 許雅勿

1.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266555 2.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018 3.北方光電股份有限公司，陜西 西安 710043

0 前言

從地層中采出的天然氣以及脫硫后的凈化天然氣一般都含有飽和水蒸氣，水蒸氣限制了輸氣管道對其它有效成份的輸送能力，降低了天然氣的熱值。當輸氣管道的壓力和環(huán)境溫度變化時，還可能引起天然氣中飽和水蒸氣析出，冷凝成游離水，這些游離水形成的天然氣水合物會增加輸氣壓降，影響儀表和閥門的正常運行，嚴重時會堵塞管道，影響下游的穩(wěn)定供氣。此外，在輸送含有酸性組分的天然氣時，游離水會加速對管道、閥門的腐蝕，縮短工作壽命。綜上所述，天然氣進行脫水處理后，達到規(guī)定的含水指標才能進入管道輸送。

目前，常用的脫水處理方法有三甘醇吸收法和固體吸附劑法兩種。綜合考慮建設(shè)成本、運行可靠性、露點降要求、脫水劑耗量及市場價格等因素，國內(nèi)氣田站場大多采用三甘醇吸收法來脫水。三甘醇吸收法與固體吸附劑法相比還具有壓降較小、可連續(xù)操作、脫水劑補充容易等優(yōu)點。

1 三甘醇吸收法脫水工藝流程簡介

圖 1 為三甘醇脫水裝置的工藝流程［1～3］，包括高壓吸收和低壓再生兩部分。因為進入吸收塔的天然氣不允許含有游離液體（水與液烴）、化學(xué)劑、壓縮機潤滑油及泥沙等物，所以濕天然氣進站后，先經(jīng)過濾分離器除去游離液體和固體雜質(zhì)，然后才能進入吸收塔。圖1的吸收塔為圓泡帽結(jié)構(gòu)的板式塔，濕天然氣從吸收塔的底部進入，經(jīng)下部的絲網(wǎng)捕霧器初過濾，然后沿升氣帽上升，向上通過各層塔盤，與向下流過各層塔盤的三甘醇溶液逆向接觸，氣體中的水蒸氣被三甘醇溶液充分吸收，變?yōu)楹糠弦蟮母商烊粴狻Ｎ账敳坑薪z網(wǎng)除沫器，用來脫除干氣中攜帶的三甘醇液滴，減少三甘醇的損失；離開吸收塔的干氣經(jīng)過干氣/貧三甘醇溶液換熱器，與即將進吸收塔的貧三甘醇溶液換熱后，進入到外輸管道中。

吸水后的三甘醇溶液變成含水的三甘醇富液，從吸收塔底部的集油箱流出，進入低壓再生部分。在低壓再生過程中，三甘醇富液經(jīng)過濾器除去氣體帶入的固體雜質(zhì)，經(jīng)閃蒸罐分離出被三甘醇溶液吸收的烴類氣體，經(jīng)加熱過程脫除溶液吸收的水氣，重新變?yōu)榭衫玫呢毴蚀既芤?。?jīng)循環(huán)泵回流到吸收塔內(nèi)完成對天然氣的再次脫水過程。

高壓吸收部分的關(guān)鍵設(shè)備是吸收塔。吸收塔的吸收單元有圓泡帽塔盤、浮閥塔盤、斜孔塔盤、整裝或分塊式填料等多種形式，根據(jù)天然氣處理量的大小、來氣壓力的高低、露點降要求等選擇一種或兩種組合的吸收單元，來達到理想的脫水效果。

低壓再生部分的主要設(shè)備是重沸器，是四合一的組合裝置，三甘醇溶液的再生是在重沸器的加熱罐和富液精餾柱中完成的。該部分還包括溶液過濾、緩沖、氣體閃蒸以及尾氣處理設(shè)備，如過濾器、緩沖罐、凝液罐、閃蒸罐、灼燒爐等，根據(jù)具體的工藝流程及三甘醇再生深度要求采用的設(shè)備略有不同。

圖1 三甘醇脫水裝置工藝流程

2 高壓吸收部分的節(jié)能設(shè)計

吸收塔是整個脫水裝置的核心設(shè)備，整個天然氣脫水過程在該設(shè)備中完成。吸收塔的吸收單元有多種形式，圓泡帽結(jié)構(gòu)的板式塔盤應(yīng)用最廣泛，因為圓泡帽塔盤適用于多數(shù)的粘性液體和低氣液比的場合［4～6］；有時根據(jù)工藝需要，也采用規(guī)整填料［7］或其它形式的塔盤作為吸收單元。采用填料結(jié)構(gòu)可以使吸收塔的高度降低25%，減少了尺寸和重量，但填料塔有時攔液嚴重，容易引起液泛。

進料天然氣溫度一般為27～38℃，為保證最佳脫水效果，三甘醇溶液的進塔溫度應(yīng)控制在35～46℃，因為溫度過低會使三甘醇溶液的粘度增加，起泡增多，塔盤的效率降低，三甘醇損失增加；吸收溫度高過43℃，進料氣中水氣含量太高，三甘醇的脫水能力會顯著下降。由于低壓再生部分來的貧三甘醇溶液溫度較高，為更好控制其進塔的溫度，從節(jié)能方面考慮，需要對進塔貧三甘醇溶液進行換熱。

圖2 帶套管式換熱器的吸收塔

在三甘醇脫水裝置的研發(fā)中，最初采用的是吸收塔外面帶單程的套管式換熱器結(jié)構(gòu)，對進吸收塔的貧三甘醇溶液進行換熱，見圖2。這種套管式的換熱器，根據(jù)三甘醇溶液和天然氣的流動路徑不同，試驗了兩種結(jié)構(gòu)形式：第一種是天然氣走管程，三甘醇溶液走殼程。外輸天然氣自上而下沿管程流動，三甘醇溶液沿殼程自下而上逆向流動，利用外輸天然氣來降低進塔貧三甘醇溶液的溫度。因三甘醇溶液的行程短，管壁較厚，換熱效率低，故溶液溫降有限，換熱不均，效果不佳。第二種是三甘醇溶液走管程。三甘醇溶液浸泡在溫度較低的殼程天然氣中，降溫效果明顯，但制造困難，焊接要求高。因管程（即輸送三甘醇溶液的管道）直徑小，換熱面積有限；同時管程的無支撐間距較大，當三甘醇溶液快速流動時，易發(fā)生顫動，存在焊縫產(chǎn)生疲勞破壞等安全隱患。為更好控制三甘醇溶液的進塔溫度，經(jīng)多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇采用帶列管式換熱器的吸收塔結(jié)構(gòu)，見圖3。這種結(jié)構(gòu)，天然氣走管程，三甘醇溶液走殼程。設(shè)有折流板，可增加三甘醇溶液的行程，使溶液和氣體換熱充分；同時，因有多個換熱管，把換熱元件由1個增加為多個，分別進行熱交換，換熱面積大大增加，可更好地控制進塔貧三甘醇溶液的溫度。三種形式換熱器的優(yōu)缺點比較見表1。

圖3 帶列管式換熱器的吸收塔

表1 三種形式換熱器的優(yōu)缺點比較

以處理量為100×104m3/d的天然氣三甘醇脫水裝置為例：吸收塔為Φ1 000mm，高度10 000mm，天然氣出口為Φ159×12接管，采用單程套管換熱器時，外套管為Φ273×12，長度6 950mm，三甘醇輸送管道為Φ48×6，有效換熱長度為6 750mm；用列管式換熱器時，換熱管為Φ19×2，正三角形對中布管，管心距25mm。

采用溶液走殼程的套管式換熱器結(jié)構(gòu)時，換熱面積A1：

采用溶液走管程的套管式換熱器結(jié)構(gòu)時，換熱面積A2：

采用列管式換熱器結(jié)構(gòu)時，換熱面積A3（在實際布管范圍Φ233內(nèi)可布Φ19×2的換熱管數(shù)n為40根）：

從上面計算可看出，在同樣參數(shù)下，列管式換熱器的換熱面積比單程的套管式換熱器的換熱面積大，故換熱效果更好，可以有效調(diào)控好貧三甘醇溶液的進塔溫度，達到理想的脫水效果。因列管式換熱器的效率最高，采用列管式換熱器后，三甘醇脫水裝置的節(jié)能效果最佳。

3 低壓再生部分的節(jié)能設(shè)計

低壓再生部分關(guān)鍵設(shè)備是重沸器，作用是提供熱量將三甘醇中吸收的水分汽化，然后從富液精餾柱頂排空，此外，重沸器還提供回流熱負荷以及補充散熱損失。重沸器是整個脫水裝置中最大的耗能設(shè)備，它的節(jié)能設(shè)計對降低整套裝置的能耗具有重要意義。

重沸器是個四合一組合裝置，包含加熱罐、富液精餾柱、貧液精餾柱、緩沖罐。加熱罐利用U形火管對三甘醇加熱，使水汽化，變成不含水的貧三甘醇溶液；富液精餾柱用于三甘醇溶液的再生提濃；貧液精餾柱、加熱罐與緩沖罐間的溢流管，可以使汽提氣量減少，提高貧三甘醇溶液的濃度；緩沖罐則作為貧三甘醇溶液進泵前的臨時儲存設(shè)備。

3.1 富液精餾柱

富液精餾柱安裝在加熱罐的頂部，精餾柱內(nèi)填充有1.2～1.5m高的散裝鮑爾環(huán)填料，可以增加水蒸氣的行程，攔截掉大部分水蒸氣攜帶的三甘醇液滴。在富液精餾柱的中上部裝有一組換熱盤管，可以對吸收塔返回的三甘醇溶液進行預(yù)熱，同時使部分水蒸氣冷凝回流，也使富液精餾柱塔頂溫度得到控制，減少三甘醇溶液的損失。

在設(shè)計初期采用盤管結(jié)構(gòu)，見圖4。經(jīng)現(xiàn)場運行測試，天氣溫度較低時，富液精餾柱頂部常有大量蒸汽出現(xiàn)，三甘醇損失量大，影響站場的生產(chǎn)安全。主要原因是三甘醇溶液行程短，換熱面積有限，換熱盤管制造、安裝難度大，運輸過程中易振動損壞，影響了最終的換熱效果。為解決這個問題，從兩方面入手：一是換熱管結(jié)構(gòu)改盤管式為列管式，見圖5。提高了換熱效率，改善了換熱效果，使富液精餾柱頂部的溫度得到合理控制；二是針對站區(qū)的安全生產(chǎn)和環(huán)保要求，在富液精餾柱頂增設(shè)了可調(diào)式蒸汽排放裝置（獲實用新型專利：ZL 201120059953.7），控制蒸汽排放速度，減少蒸汽排放量，使大部分冷凝回流，進入凝液罐，達到節(jié)能環(huán)保目的。

圖4 富液精餾柱 （換熱結(jié)構(gòu)為盤管）

圖5 改進的富液精餾柱 （換熱結(jié)構(gòu)為列管）

3.2 緩沖罐中的換熱盤管

三甘醇溶液在加熱罐內(nèi)被加熱脫除水蒸氣后進入緩沖罐。剛從加熱罐中溢流下來的貧三甘醇溶液溫度較高，只有溫度降到預(yù)定范圍，才能經(jīng)循環(huán)泵進入吸收塔。這是因為溶液溫度過高，不僅影響脫水效果，對循環(huán)泵密封要求也大大提高，還會影響工作壽命。而從吸收塔返回的富三甘醇溶液溫度較低，若直接進入加熱罐，提升溫差大，會需要較大的火管面積。為節(jié)約能量，降低三甘醇脫水裝置的耗能量，可以利用貧三甘醇溶液來提高富三甘醇溶液的溫度，避免加熱罐火管面積過大。三甘醇富液一般通過換熱盤管與緩沖罐中的貧三甘醇溶液換熱，故在緩沖罐內(nèi)部設(shè)置了螺旋型的換熱盤管，見圖6。但由于換熱盤管受緩沖罐筒體長度的限制，換熱面積有限，有時還在緩沖罐筒體下面增加一排外置的散熱片［8～9］，以降低貧三甘醇溶液的溫度。實踐證明，這兩種換熱方式都不合理：前者換熱盤管管徑小、管壁厚，加工制造困難、會受熱變形、不宜固定，同時因其本身屬于高壓管道，放置在設(shè)備的內(nèi)部，發(fā)生泄漏時處理較為困難，不符合壓力容器的安全要求；后者外掛散熱片，雖降低了貧三甘醇溶液的溫度，但浪費了大量的熱能，存在安全隱患。

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，對工藝流程進行了優(yōu)化，增加了板式換熱器（見圖1），取消了原來的內(nèi)置換熱盤管結(jié)構(gòu)。充分利用板式換熱器換熱效率高的特點，使三甘醇貧、富溶液在板式換熱器中進行熱量交換，取得良好的換熱效果。結(jié)合貧三甘醇溶液進吸收塔前的列管式換熱器，很好地控制了三甘醇溶液進塔溫度，節(jié)省了大量能量，降低了三甘醇脫水裝置的能耗量。因取消了內(nèi)置換熱盤管結(jié)構(gòu)，還去除了為檢修盤管設(shè)置的緩沖罐端部法蘭蓋（見圖7），降低了設(shè)備制造難度，減少了設(shè)備的泄漏點，提高了設(shè)備的安全性。

4 其它的節(jié)能安全措施

為最大程度地節(jié)約能源，減少熱量損失，提高換熱效率，對加熱罐筒體進行整體保溫，對富液精餾柱筒體的下半段進行保溫，給緩沖罐筒體增加隔熱防護，使裝置更加節(jié)能、安全。

5 結(jié)論

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，通過三甘醇脫水裝置的節(jié)能改進，裝置的能耗降低約10%，三甘醇年消耗量節(jié)約8%以上，減少了安全隱患，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

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