長慶靖邊氣田脫硫脫碳裝置研究與設計

李永生　楊建東　董艷國

西安長慶科技工程有限責任公司,　陜西　西安　710018

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長慶靖邊氣田脫硫脫碳裝置研究與設計

李永生楊建東董艷國

西安長慶科技工程有限責任公司,陜西西安710018

摘要：為了徹底脫除高碳硫比天然氣中的酸性組分,實現脫硫脫碳裝置的作用,從脫硫脫碳的工藝入手,明確高含CO2、低含H2S工況下脫硫脫碳工藝參數的確定步驟、降低裝置能耗的主要途徑、裝置合理選材應注意的問題、裝置的關鍵功能結構等。在此基礎上,進行高碳硫比天然氣工況下的工藝改進,優(yōu)化設備結構、完善內件,優(yōu)選配方溶液等,實現脫硫脫碳裝置的低耗高效和安全運行。

關鍵詞：脫硫脫碳裝置；高碳硫比；研究；安全

0前言

天然氣脫硫脫碳工藝有很多種[4],目前的主導工藝是胺法及砜胺法,此外還有膜分離法、生化脫硫法、變壓吸附(PSA)法等。

脫硫脫碳工藝及裝置的選擇應根據天然氣的來氣壓力、溫度、組分、處理量、有害介質含量，有機硫含量，外輸要求，及技術、經濟條件等綜合確定。合理的工藝不僅要保證外輸天然氣的質量,更需要考慮一次性投資和后期運行、維護、更新等經濟費用。

長慶油田已建成8套不同規(guī)模的脫硫脫碳裝置,由于多種原因,裝置均為外來設計或整套引進,不僅建設成本高,部分裝置也存在“水土不服”現象,有些問題始終無法得到解決,影響正常生產。同時,由于未全面掌握相關技術細節(jié),在裝置后期的維護或改造中也面臨諸多困境,難以滿足氣田長遠發(fā)展的要求。

為解決上述問題,我們結合長慶靖邊氣田新建的凈化廠項目,開展了脫硫脫碳裝置的相關研究。目的是在吸收長慶油田現有脫硫脫碳裝置運行經驗的基礎上,考慮長慶靖邊氣田各區(qū)塊有害介質含量高低的實際,根據氣質組分,上下游配套裝置的銜接問題,廢氣、廢液及廢料的處理,能耗及物料消耗費用,投資費用等確定適合工藝,最終設計完成一套適合長慶靖邊氣田要求的脫硫脫碳裝置。該裝置需在滿足功能的基礎上,進一步優(yōu)化工藝流程,改進設備結構,以達到適應冬夏季氣量變化、節(jié)能減排和降低裝置整體投資等要求。

1裝置設計特點

常規(guī)脫硫脫碳裝置工藝流程見圖1。該裝置包括脫硫吸收塔、脫硫再生塔、酸氣分離器、濕凈化氣分離器、貧/富液機械過濾器、貧/富液換熱器、重沸器、升壓泵、醇胺溶液泵等上百臺(套)動/靜設備及閥門儀表,設備種類多、規(guī)模大,工況及工藝流程復雜,加之長慶靖邊氣田天然氣中有害組分含量高,氣質多為高碳硫比(CO2和H2S之比)天然氣，該類天然氣的處理對脫硫脫碳裝置的要求更高，因此長慶靖邊氣田天然氣脫硫脫碳裝置研究存在諸多難題。

圖1　常規(guī)脫硫脫碳裝置工藝流程

高碳硫比天然氣脫硫脫碳裝置與常規(guī)天然氣凈化裝置相比,存在以下特點：

1)原料氣中CO2含量高,H2S含量相對較低,設備、管線的設計以考慮CO2腐蝕為主、H2S腐蝕為次,但仍需綜合考慮二者共存時的腐蝕性問題。

2)因CO2含量高,H2S含量相對較低,要將兩者完全脫除,需考慮MDEA與其它醇胺(如DEA)組合的合理配比,且消耗的溶液循環(huán)量較大,裝置能耗較高。

3)溶液循環(huán)量大,有害組分含量高,因此設備體積大,設備選材、制造要求更高。

4)H2S和CO2介質具有強腐蝕性,會導致設備材質化學失重腐蝕、硫化物應力開裂(SSC)和氫誘發(fā)裂紋(HIC)等。

5)裝置整體運行,危險等級高。

按相關資料,規(guī)模較大的脫硫脫碳裝置應優(yōu)先考慮應用胺法的可能性,在原料氣碳硫比較高(>6)時,優(yōu)選MDEA溶液吸收工藝。故高碳硫比天然氣脫硫脫碳裝置的設計難點在于如何確定工藝參數,實現脫除大量CO2的同時脫除少量H2S,且保證溶液循環(huán)量最小,達到最佳節(jié)能效果。由于CO2與H2S腐蝕共存,恰當的選材可延長裝置使用壽命,提高經濟合理性。同時,脫硫脫碳裝置設備種類多、工作壓力高、結構復雜,合理的結構設計是保證裝置安全和降低投資的重要因素。

2工藝參數的確定

考慮長慶靖邊氣田天然氣中碳硫比高達153,屬于典型的高含CO2、低含H2S天然氣,既要深度脫H2S,又要大量脫除CO2,才能滿足商品氣要求。因此結合國內其它氣田脫硫脫碳裝置和長慶油田已建凈化廠相關裝置的運行經驗(表1),擬選用化學溶劑法——MDEA+DEA溶液法的脫硫脫碳工藝,溶液循環(huán)量通過工藝計算與現場應用經驗相對照的方法確定,以達到節(jié)能效果。

表1國內相關脫硫脫碳裝置的相關參數

裝置位置參數處理量/(104m3·d-1)原料氣中H2S體積分數/(%)原料氣中CO2體積分數/(%)溶液質量濃度/(%)氣液比/(m3·m-3)吸收壓力/MPa吸收塔板數/個原料氣溫度/℃貧液溫度/℃凈化氣中H2S濃度/(mg·m-3)酸氣中H2S體積分數/(%)重慶天然氣凈化總廠渠縣4050.4841.6347.344404.214及919326.2443.85長壽404.040.2181.8839.444894.3815326.936.3川中油氣田磨溪天然氣凈化廠引進44.261.950.144518444.020104210.7494基地80.351.950.144018604.02010401.5494長慶氣區(qū)靖邊烏審旗氣田一廠204.40.035.194556784.6413628.64.614.78二廠373.60.06435.6124028125.011412440.382.33

3降低能耗的主要途徑

溶液循環(huán)量還與天然氣處理量，酸性組分含量(CO2、H2S)以及脫硫溶液本身性質、組成及濃度等有很大關系。

確定溶液循環(huán)量最準確的方法是根據實驗數據和實際運行數據確定,其次是根據CO2、H2S在醇胺溶液的有效熱力學平衡溶解度數據應用理論模型中進行計算得出。

4裝置合理選材研究

高碳硫比天然氣脫硫脫碳裝置采用胺法脫硫脫碳工藝。胺法脫硫脫碳裝置運行一般比較平穩(wěn),但經常遇到溶劑降解、設備腐蝕和溶液起泡等問題。因此,在設計時就應采取措施盡量預防這些問題的發(fā)生。

胺溶液本身對碳鋼并無腐蝕性,只是酸氣進入溶液后才會產生腐蝕。

胺法脫硫脫碳裝置存在均勻腐蝕(全面腐蝕)、電化學腐蝕、縫隙腐蝕、坑點腐蝕(坑蝕,點蝕)、晶間腐蝕(常見于不銹鋼)、選擇性腐蝕(從金屬合金中選擇性浸析出某種元素)、磨損腐蝕(包括沖蝕和氣蝕)、應力腐蝕開裂(SCC)應力定向氫致開裂(SOHIC)及氫腐蝕(氫蝕,氫脆)等。

其中可能造成事故甚至是惡性事故的是局部腐蝕,特別是應力腐蝕開裂、氫腐蝕、磨損腐蝕和坑點腐蝕。根據資料[6-13],胺法脫硫脫碳裝置容易發(fā)生腐蝕的部位有再生塔頂部及其內部構件、貧/富液換熱器中的富液側、換熱后的富液管線、有游離酸氣和較高溫度的重沸器及其附屬管線等處(圖2)。

圖2　脫硫脫碳工藝中典型腐蝕及部位

針對胺法脫硫脫碳裝置腐蝕嚴重的現狀,我單位與西南石油大學協作,就長慶靖邊氣田腐蝕問題進行了系統研究。

調研發(fā)現,其腐蝕嚴重一方面是因為腐蝕介質的問題,另一方面則是因為設備的運行參數與設計參數相差較大的問題?，F場試驗監(jiān)測結果還表明,在發(fā)生輕微腐蝕的站點,加注緩蝕劑可實現較好的防護效果。

胺法脫硫脫碳裝置中存在多種腐蝕介質,故在高碳硫比天然氣脫硫脫碳裝置上必須采取綜合性的防護措施,大致可歸納為:

1)合理的設計條件?？刂聘灰簱Q熱溫度不超過105 ℃,防止酸氣提前解析,加速腐蝕。

2)嚴格的操作控制。富液流速嚴格控制在3 m/s以內,控制管線中溶液流速,減少溶液流動中的湍流和局部阻力；重沸器加熱溫度根據醇胺溶液類型設定,不超過130 ℃。

3)恰當的材料選用。對于高含腐蝕介質的裝置來說,抗腐蝕材料選擇應有針對性,腐蝕較快的部位應選擇抗CO2、H2S腐蝕合金鋼,腐蝕較慢的部位可選用一般碳鋼材料,降低投資,對碳鋼材料可通過控制化學成分、碳當量、硬度等來提高材料的抗腐蝕性。對與酸性組分接觸的碳鋼設備和管線,焊接后需進行焊后熱處理以消除應力[14-15],避免應力腐蝕開裂。對腐蝕最嚴重的脫硫再生塔采用Q 345 R+S 30403奧氏體不銹鋼復合鋼板,可有效降低腐蝕,延長設備壽命。脫硫脫碳裝置的主要設備選材及參數見表2。

4)必要的附加措施。設計時,應盡量采用全焊透接頭,避免嚴重的幾何不連續(xù)結構,提高無損檢測的要求；制造前,對主要受壓元件材料的化學成分、力學性能和沖擊韌性等進行檢驗,確保材料滿足要求；制造后,增加焊后熱處理來消除殘余應力,降低焊縫硬度。必要時,進行材料晶粒度控制、抗HIC實驗、SSC評定、焊接工藝評定等。

表2高碳硫比脫硫脫碳裝置主要設備選材及參數

設備主要選材參數要求脫硫再生塔殼體:Q345R+S30403;內件:S30403;鍛件+堆焊:Q345R+S30403設計壓力:0.30MPa;設計溫度:124℃;介質:含H2S、CO2酸氣,MDEA、DEA富液-脫硫吸收塔殼體:Q24R(N);內件:S30403;鍛件:20Ⅲ設計壓力:5.7MPa;設計溫度:110℃;介質:含H2S、CO2天然氣,MDEA、DEA、水整體消應力熱處理脫硫閃蒸塔殼體:Q24R;內件:S30408;鍛件:20Ⅱ設計壓力:0.78MPa;設計溫度:77℃;介質:H2S、CO2、閃蒸氣、MDEA、DEA富液整體消應力熱處理酸氣分離器殼體:Q245R+S30408;內件:S30408;接管:0Cr18Ni9;鍛件+堆焊:Q245R+S30408設計壓力:0.3MPa;設計溫度:80℃;介質:含H2S、CO2酸氣MDEA,DEA,水-貧胺液換熱器殼體:Q24R;管束316L設計壓力:1.2MPa;工作溫度:管程58.9/100℃;殼程128/70℃;介質:含H2S、CO2的MDEA、DEA溶液-富液機械過濾器殼體:Q24R;接管:20;內件:S30408;鍛件:20II設計壓力:0.78MPa;設計溫度:77℃;介質:MDEA、DEA富液整體消應力熱處理貧液機械過濾器殼體:Q24R;接管:20;內件:S30408;鍛件:20II設計壓力:0.78MPa;設計溫度:77℃;介質:MDEA、DEA富液整體消應力熱處理濕凈化氣分離器殼體:Q24R(N);內件:S30403;鍛件:20Ⅲ設計壓力:5.7MPa;設計溫度:65℃;介質:濕凈化天然氣整體消應力熱處理

5裝置關鍵結構研究

5.1超大集液包結構應力仿真分析

脫硫脫碳裝置中的濕凈化氣分離器為帶超大集液包形式的臥式容器(圖3),NB/T 47041《臥式容器》[16]中只提出了對筒體結構及設備開孔補強部分的計算,不能解決集液包與設備連接處的局部應力問題。防止局部最大組合應力超標或產生較大的變形是此類設備需解決的關鍵問題。

圖3　帶超大集液包臥式容器結構

對此,我們采取了以下措施：1)通過更換材料來增大臥式容器筒體剛度；2)在集液包筒體與設備筒體連接處增加了加強圈結構,降低局部應力；3)對連接處的焊接接頭提出了嚴格的制造和檢測要求,采用全焊透結構,保證焊縫質量。經一年多的現場運行可證明該結構安全可靠。

通過對帶超大集液包臥式容器的仿真分析,我們掌握了該類設備的應力分布規(guī)律及關鍵的應力控制點,提出了解決該類設備局部應力超標的主要措施,也首次對帶超大集液包結構的臥式容器進行了整體應力分析,具體結構及技術要求見圖5,為類似設備設計提供了借鑒。

5.2焊接坡口型式改進

為保證設計的先進和節(jié)能,對壁厚大于70 mm的容器在材料采購、制造上提出了較高要求,容器的對接焊縫首次采用了Y-U組合型坡口結構,相比常規(guī)的雙U型結構[18-19](圖6),其降低了焊接材料的用量,節(jié)能降耗；減少了焊接工作量,縮短了制造工期；有利于焊縫外觀成形。

由于復合不銹鋼設備的關鍵和薄弱環(huán)節(jié)在焊縫位置,為提高質量,提出了對接焊縫、錐段筒體連接處及接管焊縫的詳細焊接要求(圖7),保證內襯里層的全面抗腐蝕性。

5.3末端絲網捕霧裝置

為提高末端絲網捕霧裝置的除霧效果,根據脫硫吸收塔的處理量進行了計算,對原有絲網捕霧結構形式進行了改進(圖8),由滿裝式改用帶內筒結構,以保證氣體流速在1.2 ～ 2 m/s,避免了液體攜帶,達到了較好的分離效果,提高了分離效率。

a)容器整體模型

b)應變圖

c)應力云圖

d)應力云圖局部放大圖圖4　帶超大集液包臥式容器結構應力仿真

a)集液包結構示意圖

b)集液包局部加強結構圖圖5　集液包結構局部加強結構及技術要求

a)Y-U組合型坡口結構

b)雙U型結構

5.4雙溢流微分浮閥塔盤的應用

a)對接焊縫

b)錐段筒體焊縫

c)接管焊縫圖7　復合不銹鋼板設備的焊接要求

a)原有絲網捕霧裝置　　　　　b)優(yōu)化后的絲網捕霧裝置圖8　末端絲網捕霧裝置結構圖

圖9　雙溢流微分浮閥塔盤圖

6結論

長慶靖邊氣田脫硫脫碳裝置的研究滿足了長慶油田的發(fā)展需求,實現了優(yōu)化工藝、提高安全性、節(jié)能減排的目的,也為同類裝置的維修改造提供了借鑒。

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收稿日期：2015-09-28

基金項目：西安長慶科技工程有限責任公司科研基金資助項目(KC 91-254)

作者簡介：李永生(1978-),男,山東茌平人,高級工程師,學士 ,主要從事油田產品科研開發(fā)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.009