天然氣損耗控制技術(shù)

龔茂娣 李軍強(qiáng) 李楊楊 梁光強(qiáng) 李艷芹 畢秀梅

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠，四川 達(dá)州 635000

0 前言

普光氣田位于四川省達(dá)州市宣漢縣，屬超深、高含硫、高壓、復(fù)雜山地氣田。 普光氣田是中國目前發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模海相整裝高含硫氣田，截至2013 年2 月，已探明天然氣地質(zhì)儲量4 122×108m3。根據(jù)中國石油天然氣行業(yè)氣藏分類標(biāo)準(zhǔn)，屬特大氣藏。 為有效開發(fā)利用高含硫天然氣資源［1］，國務(wù)院將“川氣東送”工程列為“十一五”國家重大工程，將普光氣田作為工程的主供氣源。 普光天然氣凈化廠是國內(nèi)首個處理高含硫天然氣的大型天然氣凈化廠，主要負(fù)責(zé)高含硫天然氣的凈化以及硫黃儲存運(yùn)輸，年處理能力為120×108m3。 生產(chǎn)的天然氣為沿線6省2 市的2 億多群眾和上千家企業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)清潔能源。 由于處理量大，天然氣損耗也非常大，如何降低普光氣田天然氣凈化廠的天然氣損耗成為一個至關(guān)重要的問題。

1 開停工天然氣損耗控制技術(shù)

1.1 開工過程天然氣損耗控制技術(shù)

凈化廠聯(lián)合裝置開工損耗主要分布在脫硫、脫水單元的開工過程，主要損耗發(fā)生在開工階段的不合格天然氣放空過程中。 根據(jù)設(shè)計，系統(tǒng)氣密合格后，引氮?dú)膺M(jìn)行充壓建壓，胺液循環(huán)建立后，引原料氣置換氮?dú)?，不合格的濕凈化氣放入火炬系統(tǒng)。 濕凈化氣合格后，并入脫水單元，脫水不合格的產(chǎn)品氣也要放入火炬系統(tǒng)，直至水露點(diǎn)合格。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這個階段單套裝置開工過程中損耗的天然氣量約20×104m3。

圖1 脫硫裝置開工程序

結(jié)合本裝置的開工程序（見圖1），我們可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化［2］，降低天然氣開工損耗，即經(jīng)過界區(qū)產(chǎn)品氣管線單向閥處增加跨線引至脫水系統(tǒng)［3］，然后由脫水單元反串回濕凈化氣分液罐（D-101），進(jìn)而反串回二級吸收塔（C-102）和一級吸收塔（C-101），完成脫硫脫水單元的建壓。 由于反輸天然氣品質(zhì)較好，引入原料氣后，開工過程基本不存在濕凈化氣和產(chǎn)品氣放空。 所以，凈化裝置開工程序可以優(yōu)化為： 氣密合格→反輸天然氣建壓→產(chǎn)品氣合格并網(wǎng)。

1.2 停工過程天然氣損耗控制技術(shù)

聯(lián)合裝置的停工工況不同 （包括緊急停工保壓、緊急停工放空、正常停工），天然氣損耗量不同。 若按每年停工6 次計算， 全年因停工造成的天然氣損耗量約24×104m3。裝置停工后，系統(tǒng)內(nèi)天然氣無法進(jìn)行回收，需要通過減少停工次數(shù)來減少停工過程中的天然氣損耗。

通過對天然氣凈化裝置實(shí)施反充壓流程改造，使單套裝置開工過程中天然氣放空損耗減少約20×104m3，節(jié)約氮?dú)饧s8×104m3。

2 閃蒸氣回收利用技術(shù)

2.1 閃蒸氣損耗分析

凈化裝置脫硫單元采用MDEA 溶劑（現(xiàn)部分裝置加入了UDS 溶劑）脫硫［3］，吸收H2S、CO2后的富胺液進(jìn)入閃蒸罐。 閃蒸罐用于使吸收塔底流出的富液夾帶和烴類逸出。 閃蒸氣分兩路分別進(jìn)入尾氣焚燒爐和火炬系統(tǒng)。正常情況下，閃蒸氣全部進(jìn)入尾氣焚燒爐，當(dāng)氣量較大時，去火炬系統(tǒng)壓控閥開啟，及時排出閃蒸氣，保持閃蒸罐內(nèi)壓力穩(wěn)定。 依據(jù)設(shè)計， 單列凈化裝置閃蒸氣量為833 m3/h。 但是實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，6 套聯(lián)合裝置的閃蒸氣量均超過設(shè)計值，平均閃蒸氣量大約在1 000～2 000 m3/h（見表1），其中一部分進(jìn)入尾氣焚燒爐助燃，其余通過火炬系統(tǒng)放空，放空損失量大約在50%左右。按每列裝置閃蒸氣有500 m3/h 進(jìn)入火炬，則每年損耗天然氣超過3 900×104m3［4］。 閃蒸氣焚燒后，產(chǎn)生大量的CO2和SO2等有毒有害氣體，造成大氣嚴(yán)重污染。

表1 聯(lián)合裝置各系列閃蒸氣放空統(tǒng)計

2.2 閃蒸氣損耗控制技術(shù)

根據(jù)凈化廠生產(chǎn)運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，從閃蒸罐運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、胺液品質(zhì)控制優(yōu)化、消泡劑加注優(yōu)化、流程改造等幾方面對閃蒸氣量進(jìn)行控制。

2.2.1 優(yōu)化閃蒸罐運(yùn)行參數(shù)

影響富液閃蒸氣量的重要參數(shù)包括閃蒸罐壓力、閃蒸罐液位。 閃蒸罐壓力越高，閃蒸氣量越小，閃蒸罐液位越低，富胺液在閃蒸罐內(nèi)停留的時間越短，閃蒸氣量也越小。 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際， 將閃蒸氣壓力由0.6 MPa 提高到0.65 MPa，閃蒸罐液位由50%左右降低至30%運(yùn)行。 優(yōu)化后閃蒸氣量略有下降。

2.2.2 優(yōu)化胺液品質(zhì)

胺液品質(zhì)與凈化裝置脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系密切，溶液品質(zhì)越差，脫硫系統(tǒng)越容易發(fā)泡，閃蒸氣量越大［5］。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如果脫硫系統(tǒng)發(fā)泡，閃蒸氣量會由1 000 m3/h 增加到4 000 m3/h， 閃蒸氣至火炬的控制閥開度會增大至100%。 系統(tǒng)中，導(dǎo)致胺液品質(zhì)變壞的主要原因是原料氣夾帶雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，胺液降解產(chǎn)物增多，活性炭過濾效果變差，系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)物增多等。 針對這些原因?qū)Π芬浩焚|(zhì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后閃蒸氣量明顯降低。

2.2.3 加注消泡劑

系統(tǒng)發(fā)泡時， 可以通過加入適量消泡劑的方法，穩(wěn)定裝置的運(yùn)行參數(shù)。 當(dāng)然，消泡劑的加入量和加入頻率應(yīng)控制，否則會對胺液品質(zhì)帶來不利影響。

2.2.4 流程改造

結(jié)合凈化裝置脫硫系統(tǒng)流程，將燃料氣管網(wǎng)進(jìn)行改造，將閃蒸氣并入燃料氣系統(tǒng)，供給凈化廠、集氣總站和生產(chǎn)服務(wù)中心各燃料氣用戶。 改造流程見圖2。

圖2 閃蒸氣回收利用改造流程

通過改造，閃蒸氣回收量明顯提高，效果顯著：

a）閃蒸氣放空量基本降低為零。單列裝置閃蒸氣回收量為1.2×104m3/d，年回收量可達(dá)438×104m3。

b）閃蒸氣品質(zhì)得到了提高。 閃蒸氣吸收塔擴(kuò)徑后，閃蒸氣中CO2含量范圍在0.59%～1.68%， 甲烷含量范圍在91.03%～98.15%，熱值范圍33.77～36.84 MJ/m3，硫化氫含量則由之前的2%～3%降到了1%以內(nèi)。

c） 減輕環(huán)境污染。 每年可減少火炬放空量5 200×104m3，大大減少了CO2和SO2的排放量。

3 自用氣優(yōu)化控制技術(shù)

聯(lián)合裝置自用氣用戶主要包括硫黃回收單元Claus爐，尾氣處理單元加氫爐、尾氣焚燒爐等［6］。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，單套生產(chǎn)裝置實(shí)際消耗的天然氣都比設(shè)計值高［7］，根據(jù)計算，單套裝置每小時多損耗1 020 m3/h，則每年全套裝置損耗天然氣約4 467.6×104m3。 由于Claus 爐正常生產(chǎn)不使用燃料氣，可以著重對加氫爐和尾氣焚燒爐進(jìn)行優(yōu)化控制，降低燃料氣的使用量。

3.1 加氫爐優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)加氫爐的工藝設(shè)計，對加氫爐出口溫度進(jìn)行調(diào)整，由原來的260～280 ℃降低至245～250 ℃，溫度降低了10～35 ℃，燃料氣消耗減少100～200 m3/h(見表2)。經(jīng)過計算，全年整套凈化裝置可減少燃料氣消耗約1 576.8 ×104m3。

表2 加氫調(diào)整前后對比表

3.2 尾氣焚燒爐優(yōu)化調(diào)整

針對尾氣焚燒爐配風(fēng)， 燃料氣量進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后燃料氣用量大為減少。 為了確保尾氣中含硫化合物的充分燃燒，維持爐膛溫度在640～650 ℃范圍（見表3）。由于過程氣量的減少， 尾爐助燃空氣減少約1 000～6 000 m3/h，燃料氣消耗減少約100～400 m3/h，全廠按5 套裝置運(yùn)行，每年可減少燃料氣消耗約2 628×104m3。

表3 尾氣焚燒爐調(diào)整前后對比表

4 結(jié)論

a） 對普光氣田天然氣凈化廠的原設(shè)計工藝流程和開停工過程進(jìn)行分析研究，通過增加開工產(chǎn)品氣反充壓線，改進(jìn)富液閃蒸氣放空流程，增加閃蒸氣分液和燃料氣伴熱等方案，確保了閃蒸氣的安全回收和燃料氣用戶的平穩(wěn)運(yùn)行。 該方案運(yùn)用后，每年可減少天然氣損耗約4 525.2×104m3。

b）在原設(shè)計基礎(chǔ)上對聯(lián)合裝置加氫爐、尾氣焚燒爐的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化操作， 每小時節(jié)約燃料氣用量約600 m3。 氮?dú)?、蒸汽、用電等能耗明顯降低。

c）天然氣損耗控制技術(shù)投用后， 降低了酸性氣CO2含量，減少了閃蒸氣放空和自用氣消耗等措施，每年可減少CO2排放量約21.39×104t，大大減輕了環(huán)境污染。

［1］ 吳基榮，毛紅艷.高含硫天然氣凈化新工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用［J］. 天然氣工業(yè)，2011，31（5）：99-102.Wu Jirong， Mao Hongyan. Application of New Technologies on High H2S Gas Conditioning in the Puguang Gas Field［J］.Natural Gas Industry，2011，31（5）：99-102.

［2］ 裴愛霞，張立勝，于艷秋，等. 高含硫天然氣脫硫脫碳工藝技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用研究［J］. 石油與天然氣化工， 2012，41（1） ：17-23.Pei Aixia， Zhang Lisheng， Yu Yanqiu， et al. Application and Research of High Sulfur Content Gas Desulfurization and Decarbonization Process on the Puguang Gas Field ［J］ . Chemical Engineering of Oil&Gas，2012，41（1）：17-23.

［3］ 路秀林，王者相.化工設(shè)備設(shè)計全書——塔設(shè)備［M ］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.Lu Xiulin， Wang Zhexiang. Book of Chemical Equipment Design： Tower Equipment ［M］. Beijing： Chemical Industry Press，2004.

［4］ 陸德民，張振基.石油化工自動控制設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.Lu Demin， Zhang Zhenji .The Manual for Automatic Control Design in the Petrochemical Industry Engineering ［M］. Beijing：Chemical Industry Press ，2011.

［5］ 張曉剛，范冬立，劉新嶺，等. 特大型高含硫天然氣凈化廠安全放空與火炬系統(tǒng)設(shè)計解析［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（1）：90-93.Zhang Xiaogang， Fan Dongli， Liu Xinling， et al. Design of Safe Vent and Flare System for Oversize High Sour Natural Gas Purification Plant［J］.Natural Gas Industry,2012,32(1)：90-93.

［6］ Law D. New MDEA Design in Gas Plant Improves Sweetening，Reduces CO2［J］.Oil and Gas,1994,92(35)：83-85.

［7］Mackenzie D H,Prambil F C,Daniels C A.Design and Operation of a Selective Sweetening Plant Using MDEA ［R］.Texas:Bryan Research&Engineering Inc,1987.