天然氣深冷裝置再生氣冬季凍堵分析及解決方案

范印帥 大慶油田工程有限公司

天然氣深冷裝置再生氣冬季凍堵分析及解決方案

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大慶油田已建深冷裝置均采用分子篩吸附脫水，其再生過程中再生氣攜帶出大量水分，經(jīng)冷卻分離后呈飽和含水狀態(tài)摻入外輸氣管線，對(duì)外輸氣水露點(diǎn)影響較大，冬季經(jīng)常發(fā)生管道凍堵事故，影響下游用戶安全用氣。針對(duì)再生氣含水量高對(duì)外輸氣露點(diǎn)的影響，從降低再生氣摻入外輸氣的水量角度考慮，對(duì)再生氣流程和存在問題深入分析。深冷裝置再生氣熱吹過程中所含的飽和水分進(jìn)入外輸氣導(dǎo)致總外輸氣露點(diǎn)升高，是造成冬季輸氣管道凍堵的主要原因。提出幾種降低外輸氣水露點(diǎn)改造方案，經(jīng)過對(duì)比確定采用再生氣三甘醇脫水方案。

深冷裝置；分子篩脫水；凍堵；再生氣；水露點(diǎn)；三甘醇脫水

大慶油田天然氣深冷處理裝置均為深度回收輕烴裝置，采用分子篩吸附脫水工藝對(duì)原料氣進(jìn)行脫水處理。采用兩塔脫水流程，一塔吸附，一塔再生和冷卻。兩塔交替循環(huán)使用達(dá)到連續(xù)干燥的目的，分子篩吸水飽和后通入再生氣/冷卻氣對(duì)其進(jìn)行再生、冷卻處理，達(dá)到分子篩的反復(fù)利用[1]。由于大慶地區(qū)冬季嚴(yán)寒，含水再生氣會(huì)摻入外輸管網(wǎng)，冬季運(yùn)行時(shí)經(jīng)常發(fā)生下游用戶管網(wǎng)凍堵情況。因此，如何解決深冷裝置外輸氣含水高的問題，對(duì)于天然氣管網(wǎng)冬季運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，保證下游用戶用氣安全具有重要意義。

1 外輸氣存在的問題及分析

經(jīng)壓縮、冷卻、分離后的原料氣，進(jìn)入分子篩進(jìn)行變溫、變壓吸附脫水。脫水后分子篩再生的再生氣和冷卻氣摻入到外輸氣管道中。通過對(duì)深冷裝置水露點(diǎn)化驗(yàn)，分子篩熱吹階段外輸干氣出口處露點(diǎn)升高至-16.3℃，換算為管輸工況壓力下露點(diǎn)為5.5℃（理論計(jì)算值為4.8℃），這是導(dǎo)致冬季發(fā)生凍堵事故的主要原因。

分子篩吸附器在8 h的再生/冷卻周期中，熱吹和冷吹時(shí)間各為4 h。熱吹時(shí)間里，再生氣首先給分子篩床層加熱升溫，床層溫度逐漸升高，此時(shí)分子篩吸附水分脫除量較小；當(dāng)溫度升高到一定拐點(diǎn)后，床層溫度保持一段時(shí)間的基本恒定，此階段是分子篩吸附水分被蒸發(fā)而隨再生氣大量帶出的過程，出塔再生氣經(jīng)冷卻分離后含有飽和水，進(jìn)入外輸干氣造成外輸氣露點(diǎn)迅速升高。由圖1溫度變化曲線可見，再生氣進(jìn)入外輸干氣帶入大量飽和水的過程，是在熱吹起始階段和分子篩吸附水分蒸發(fā)階段的一段時(shí)間內(nèi)。

圖1 再生氣出吸附器溫度變化曲線

表1為熱吹階段不同再生氣冷卻溫度條件下總外輸氣水露點(diǎn)的計(jì)算值。由表1可以看出，熱吹階段含水的再生氣摻入外輸干氣對(duì)露點(diǎn)影響較大，再生氣冷卻溫度越高，外輸氣露點(diǎn)越高。再生氣空冷器在冬季可充分利用環(huán)境溫度，在保證管束不凍的前期條件下盡量將含水再生氣冷卻至較低溫度（實(shí)際操作最低可冷卻至15℃），從而減少帶入外輸干氣的飽和水量，降低外輸氣出口的水露點(diǎn)溫度。

表1 深冷裝置外輸天然氣水露點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)℃

在11月至次年6月期間，大慶地區(qū)地面以下1.5～2 m處土壤溫度為0℃左右；7月至10月埋深處土壤溫度較高，可達(dá)5～12℃。冬季裝置運(yùn)行時(shí)，分子篩熱吹階段外輸氣露點(diǎn)理論計(jì)算值為-7.8℃，可滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求。夏季裝置運(yùn)行時(shí)，由于再生氣空冷器冷卻溫度較高，分子篩熱吹階段將有大量水分進(jìn)入外輸干氣，導(dǎo)致外輸氣露點(diǎn)升高。一方面，較熱季節(jié)外輸氣露點(diǎn)高于埋地處土壤溫度，會(huì)有水冷凝下來，在管道中逐漸積聚增多，進(jìn)入冬季后造成管線凍堵；另一方面，春冬、秋冬交替季節(jié)再生氣空冷器冷卻溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，也會(huì)造成外輸氣露點(diǎn)高于埋地處土壤溫度，發(fā)生管線凍堵問題。

綜合以上分析，再生氣熱吹過程中所含的飽和水分進(jìn)入外輸氣導(dǎo)致總外輸氣露點(diǎn)升高是造成冬季管道凍堵的主要原因，并且深冷裝置外輸氣露點(diǎn)不合格主要發(fā)生在夏季及春冬、秋冬交替季節(jié)。

2 降低外輸氣水露點(diǎn)改造方案

為有效避免再生氣攜帶的飽和水進(jìn)入外輸管網(wǎng)，造成冬季外輸管網(wǎng)凍堵，從降低再生氣的含水量的角度考慮，提出以下3個(gè)脫水方案：分子篩吸附器三塔脫水，再生氣三甘醇脫水，再生氣乙二醇低溫脫水。

2.1 分子篩吸附器三塔脫水

本方案主要是降低再生氣流量，從而減少帶入外輸干氣的水量。在原兩塔的基礎(chǔ)上增加一臺(tái)同規(guī)格的分子篩吸附塔，將兩塔流程改為三塔流程[2]。

工藝流程：在原兩塔流程基礎(chǔ)上增加一臺(tái)吸附器，再生氣/冷卻氣流量可比兩塔流程減少一半左右，新建三塔改造流程見圖2。分子篩三塔流程單塔循環(huán)過程與雙塔流程相同。三塔流程改變了循環(huán)周期，降低了再生氣流量。

圖2 深冷三塔脫水改造流程

根據(jù)三塔流程的再生氣量，計(jì)算熱吹階段不同再生氣冷卻溫度條件下總外輸氣水露點(diǎn)理論值，結(jié)果見表2。由表2可以看出，總外輸干氣露點(diǎn)可比兩塔流程降低8～9℃。

夏季空冷器出口溫度達(dá)到40℃的條件下，埋地管線中外輸氣水露點(diǎn)可滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求。大慶地區(qū)冬季最低氣溫可達(dá)-30℃以下，在再生氣空冷器按最低冷卻溫度20℃操作的條件下，計(jì)算外輸干氣出口露點(diǎn)為-16.1℃?？紤]到管線施工時(shí)土壤回填質(zhì)量不易保證，容易存在土酥松、縫隙等問題，冬季地面以下1.5～2 m處土壤溫度往往低于0℃，對(duì)于埋地管線，環(huán)境溫度按-5℃考慮，埋地管線外輸氣水露點(diǎn)仍可滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求。

表2 三塔脫水方案外輸天然氣水露點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)℃

2.2 再生氣三甘醇脫水

在再生氣出口設(shè)三甘醇脫水橇，對(duì)冷卻分離后的含殘余飽和水的熱吹階段再生氣進(jìn)行脫水，再生氣脫水后再摻入外輸干氣管線，實(shí)現(xiàn)降低總外輸干氣水露點(diǎn)的目的[3]。

工藝流程：來自分子篩脫水系統(tǒng)再生氣分水罐的再生氣，溫度為20℃(冬季)～40℃(夏季)，進(jìn)入三甘醇脫水橇，脫水后進(jìn)入外輸管網(wǎng)，脫水流程見圖3。三甘醇脫水橇主要設(shè)備包括填料吸收塔1座、天然氣-三甘醇貧液換熱器1臺(tái)、三甘醇閃蒸罐1臺(tái)、三甘醇再生組合裝置1套。

圖3 再生氣三甘醇脫水流程

根據(jù)不同再生氣冷卻溫度，計(jì)算熱吹階段總外輸氣水露點(diǎn)理論值，結(jié)果見表3。再生氣經(jīng)三甘醇脫水后水露點(diǎn)可降低30℃左右，總外輸干氣露點(diǎn)可比原再生氣直接摻入干氣流程降低20～30℃，各個(gè)季節(jié)均可滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求，并且在冬季外輸氣出口露點(diǎn)溫度為-30.7℃，地面管線也不易凍堵，因此可從根本上解決外輸氣含水的問題。

表3 三甘醇脫水方案外輸天然氣水露點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)℃

2.3 再生氣乙二醇低溫脫水

充分利用環(huán)境溫度，通過新建空冷器對(duì)再生氣進(jìn)行低溫脫水，低溫脫水過程中注入乙二醇防凍劑。乙二醇脫水裝置冬季運(yùn)行，夏季不運(yùn)行。

工藝流程：來自分子篩脫水系統(tǒng)再生氣分水罐的再生氣溫度為20℃，進(jìn)入空冷器進(jìn)一步利用環(huán)境溫度冷卻，同時(shí)在空冷器進(jìn)口注入質(zhì)量濃度為80%的乙二醇水溶液，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，空冷器可將再生氣冷卻至-20～10℃，脫水流程見圖4。冷卻后再生氣進(jìn)入分離器進(jìn)行兩相分離，氣相進(jìn)入干氣外輸管網(wǎng)。乙二醇在常壓下再生。

外輸氣水露點(diǎn)降低效果分析：冬季運(yùn)行時(shí)分子篩脫水系統(tǒng)再生氣來氣溫度可達(dá)20℃，依據(jù)環(huán)境溫度的不同，新設(shè)空冷器冷卻溫度也不同，根據(jù)不同的冷卻溫度，計(jì)算熱吹階段總外輸氣水露點(diǎn)理論值，結(jié)果見表4。

由表4可見，冬季再生氣經(jīng)乙二醇低溫脫水后水露點(diǎn)降低較多，環(huán)境溫度越低，水露點(diǎn)降低越多，外輸干氣出口水露點(diǎn)比環(huán)境溫度低10～20℃以上，埋地管線和地上管線中外輸氣水露點(diǎn)均可滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求。在夏季乙二醇脫水流程不運(yùn)行時(shí)，依據(jù)分子篩脫水系統(tǒng)再生氣冷卻分離溫度的不同，外輸干氣出口水露點(diǎn)達(dá)到-7.8～16.3℃，地上管線的水露點(diǎn)滿足比最低輸送環(huán)境溫度低5℃的要求。

圖4 再生氣乙二醇低溫脫水流程

2.4 方案的確定及實(shí)施效果

根據(jù)表5方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比可以看出，分子篩三塔脫水方案不能從根本上解決外輸氣管線中外輸氣露點(diǎn)高引起管線凍堵的問題，并且流程復(fù)雜，投資高；再生氣乙二醇低溫脫水方案設(shè)備多；再生氣三甘醇脫水方案改造工程量小，投資低，目前已有多套深冷裝置增設(shè)三甘醇脫水橇，有效解決了外輸氣水露點(diǎn)高的問題。

表4 乙二醇脫水方案外輸天然氣水露點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)℃

表5 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 結(jié)論

（1）深冷裝置再生氣熱吹過程中所含的飽和水分進(jìn)入外輸氣導(dǎo)致總外輸氣露點(diǎn)升高，是造成冬季輸氣管道凍堵的主要原因，并且深冷裝置外輸氣露點(diǎn)不合格主要發(fā)生在夏季及春冬、秋冬交替季節(jié)。

（2）從再生氣三甘醇脫水實(shí)際運(yùn)行效果可以看出，該工藝流程簡單、節(jié)省投資，適于同類裝置使用。

[1]朱利凱．天然氣處理與加工[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1999：10.

[2]葉帆，徐久龍．分子篩三塔高壓脫水工藝改造應(yīng)用[J]．天然氣與石油，2009，27（1）：41-43.

[3]何策，張曉東．國內(nèi)外天然氣脫水設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．石油機(jī)械，2008，36（1）：69-73.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.014

范印帥：碩士研究生，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè)，主要從事油氣加工工程設(shè)計(jì)工作。

2015-08-05

15945920668、fanyinshuai@petrochina.com.cn