三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)

葛濤，劉子兵，韓萬龍，陳平

（1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田生產(chǎn)運(yùn)行處，陜西西安710018）

三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)

葛濤1，劉子兵1，韓萬龍1，陳平2

（1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田生產(chǎn)運(yùn)行處，陜西西安710018）

本文通過分析典型天然氣三甘醇脫水裝置工藝流程，得出能耗偏高的原因，提出采用開米爾能量循環(huán)泵替代電泵充分利用高壓三甘醇的壓力能；用板式換熱器替代管殼式換熱器，提高貧液進(jìn)重沸器溫度，降低重沸器負(fù)荷；并通過UniSim軟件模擬計(jì)算了節(jié)約的能耗。通過對典型天然氣三甘醇脫水裝置工藝流程的分析，得出能耗偏高的原因，提出三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)，并通過工藝模擬計(jì)算了節(jié)約的能耗。

三甘醇脫水；能耗；開米爾能量循環(huán)泵；板式換熱器；節(jié)能；設(shè)計(jì)

三甘醇具有熱穩(wěn)定性好、易于再生、蒸汽壓低、攜帶損失量小，相比其他溶液能獲得更大的露點(diǎn)降的特點(diǎn)。我國天然氣脫水普遍采用三甘醇脫水工藝。但是，三甘醇脫水裝置能耗偏高[1，2]。

1 能耗分析與節(jié)能措施

1.1 工藝流程

典型的天然氣三甘醇脫水工藝流程（見圖1）。

站場來濕天然氣經(jīng)過濾分離器脫除游離水和固體雜質(zhì)，進(jìn)入吸收塔塔底自下而上流動，與自上而下流動的貧三甘醇溶液逆流接觸進(jìn)行天然氣脫水，脫水后的干氣經(jīng)氣體-貧液換熱器換熱后出裝置。吸收塔底部排出的三甘醇富液與再生塔頂部的氣體換熱升溫，進(jìn)入再生塔精餾柱升溫后，進(jìn)閃蒸罐，閃蒸出富液中的烴類、CO2及H2S等氣體，閃蒸氣體進(jìn)入灼燒爐摻入燃料氣燃燒后放空。閃蒸罐罐底的富液經(jīng)機(jī)械預(yù)過濾器、活性炭過濾器、機(jī)械后過濾器過濾出機(jī)械雜質(zhì)和重?zé)N類物質(zhì)。富液進(jìn)入再生塔底部的三甘醇緩沖罐的換熱盤管，與貧液換熱，升溫后進(jìn)入再生塔再生。再生后的三甘醇貧液進(jìn)入三甘醇緩沖罐與盤管內(nèi)的富液換熱，再經(jīng)三甘醇冷卻器冷卻，由三甘醇循環(huán)泵增壓，進(jìn)氣-貧液換熱器降溫后，進(jìn)入三甘醇吸收塔，實(shí)現(xiàn)三甘醇的循環(huán)利用。

1.2 能耗分析

1.2.1 三甘醇循環(huán)泵在我國，三甘醇脫水裝置的三甘醇循環(huán)泵通常采用柱塞式計(jì)量泵或隔膜式計(jì)量泵，未充分利用高壓富三甘醇溶液的壓力能，導(dǎo)致機(jī)泵耗電量較大。

1.2.2 三甘醇重沸器貧、富液在三甘醇緩沖罐內(nèi)進(jìn)行換熱，換熱面積有限，高溫貧三甘醇溶液的熱能未能充分回收利用，導(dǎo)致三甘醇重沸器熱負(fù)荷較大。同時(shí)，換熱后的三甘醇貧液溫度仍較高，為了防止進(jìn)泵溫度過高損壞三甘醇循環(huán)泵，需設(shè)甘醇冷卻器對貧甘醇溶液降溫，增加了循環(huán)冷卻水能耗。

1.2.3 灼燒爐灼燒爐的主要作用是焚燒閃蒸罐閃蒸出的烴類、CO2、H2S等氣體及再生尾氣，閃蒸氣主要成分為天然氣，可以作為燃料氣，去灼燒爐焚燒掉造成了浪費(fèi)。因此，在濕天然氣H2S含量低時(shí)，應(yīng)取消焚燒爐，再生塔塔頂再生尾氣直接就地排放，同時(shí)，將閃蒸氣作為燃料氣進(jìn)行充分利用。但是，由于閃蒸氣熱值低，不能直接燃燒，需進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)與燃料氣摻混后，再作為燃料氣燃燒。

1.3 三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)

三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)采取的主要措施：（1）采用開米爾能量循環(huán)泵作為三甘醇循環(huán)泵。開米爾能量循環(huán)泵將來自三甘醇吸收塔的高壓富三甘醇溶液的壓力能周期性傳輸給三甘醇泵的動力氣缸，動力氣缸以相同的周期驅(qū)動貧甘醇進(jìn)入三甘醇吸收塔。少量進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵的高壓天然氣提供了克服泵機(jī)械損耗和連接管路水力摩阻的壓力能。采用開米爾能量循環(huán)泵作為三甘醇循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)了利用高壓富三甘醇溶液的壓力能作為動力源，不需要輔助電源，節(jié)約了電能。

圖1 典型天然氣三甘醇脫水工藝流程

（2）取消三甘醇緩沖罐內(nèi)換熱盤管、三甘醇冷卻器。增設(shè)高效板式換熱器對貧、富液進(jìn)行換熱，提高貧液進(jìn)重沸器溫度，降低三甘醇再生熱負(fù)荷。板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器，各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進(jìn)行熱量交換，具有換熱效率高、熱損失小的特點(diǎn)，在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比管式換熱器高3～5倍。富三甘醇進(jìn)再生塔精餾柱溫度由100℃升高至140℃，貧三甘醇進(jìn)吸收塔（吸收塔還是再生塔？應(yīng)明確說明）溫度由90℃降溫至60℃。

（3）利用富液閃蒸工藝回收天然氣作為燃料氣，避免了閃蒸氣直接放空燃燒造成的浪費(fèi)，降低了天然氣的損耗。三甘醇富液再生過程中，三甘醇富液和少量天然氣出三甘醇吸收塔后進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵，經(jīng)三甘醇再生塔精餾柱內(nèi)盤管加熱后進(jìn)入富液閃蒸罐。隨富液進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵的天然氣及閃蒸氣在閃蒸罐分液中與富液分離，進(jìn)入燃料氣罐，為三甘醇再生塔重沸器提供燃料。

三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)工藝流程（見圖2）。

圖2 三甘醇脫水裝置節(jié)能設(shè)計(jì)工藝流程

站場來濕天然氣經(jīng)過濾分離器脫除游離水和固體雜質(zhì)，進(jìn)入吸收塔塔底自下而上流動，與自上而下流動的貧三甘醇溶液逆流接觸進(jìn)行天然氣脫水，脫水后的干氣經(jīng)氣體-貧液換熱器換熱后出裝置。吸收塔底部排出的三甘醇富液與再生塔頂部的氣體換熱升溫，進(jìn)入再生塔精餾柱升溫后35℃～60℃，進(jìn)閃蒸罐，閃蒸出富液中的烴類、CO2及H2S等氣體，閃蒸壓力控制在0.4 MPa～0.5 MPa后，進(jìn)入三甘醇脫水裝置（或站場）燃料氣系統(tǒng)。富三甘醇溶液由閃蒸罐下部流出，依次進(jìn)入機(jī)械過濾器、活性炭過濾器。除去機(jī)械雜質(zhì)和重?zé)N類物質(zhì)。經(jīng)過濾后富三甘醇進(jìn)入板式貧富液換熱器，與由再生重沸器下部三甘醇緩沖罐流出的熱貧甘醇換熱升溫至140℃～150℃，進(jìn)入再生塔再生，再生后的三甘醇貧液進(jìn)入板式貧富液換熱器換熱降溫。降溫后由開米爾能量循環(huán)泵增壓，進(jìn)氣-貧液換熱器，最后進(jìn)入三甘醇吸收塔，實(shí)現(xiàn)三甘醇的循環(huán)利用。

2 典型裝置節(jié)能效果

以處理量為150×104m3/d，天然氣參數(shù)（進(jìn)氣壓力5.5 MPa，進(jìn)氣溫度40℃，H2S含量20 mg/m3。）的三甘醇脫水裝置（包括圖2中的所有設(shè)備）為例，節(jié)能效果分析如下：

2.1 開米爾能量循環(huán)泵

若采用電泵作為三甘醇循環(huán)泵，如，三柱塞泵，流量3.0 m3/h，電機(jī)功率為15 kW，運(yùn)行時(shí)間按8 000 h/a計(jì)算，年耗電量為12×104kW。若采用開米爾能量循環(huán)泵，由于其不需要輔助電源，則可節(jié)約電量12×104kW。

2.2 板式換熱器

當(dāng)采用板式三甘醇換熱器時(shí)，富三甘醇換熱升溫至140℃時(shí)進(jìn)再生塔時(shí)，通過UniSim模擬軟件理論計(jì)算三甘醇重沸器熱負(fù)荷為155 kW。

按照常規(guī)設(shè)計(jì)，換熱盤管內(nèi)的三甘醇富液與三甘醇緩沖罐內(nèi)的三甘醇貧液換熱，升溫至約100℃時(shí)進(jìn)再生塔時(shí)，通過UniSim模擬軟件理論計(jì)算三甘醇重沸器熱負(fù)荷為232 kW·h。因此，采用板式貧富液換熱器，強(qiáng)化換熱提高了富甘醇進(jìn)再生塔溫度，三甘醇再生重沸器的負(fù)荷減少了77 kW·h，每年可節(jié)省5×104m3燃料氣。

2.3 富液閃蒸氣回收工藝

閃蒸罐罐頂出氣由來自開米爾能量循環(huán)泵的動力氣和閃蒸氣2部分組成。

（1）來自開米爾能量循環(huán)泵的動力氣。開米爾能量循環(huán)泵啟動時(shí)，天然氣和三甘醇溶液同時(shí)進(jìn)入動力腔，進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵的天然氣的體積占三甘醇循環(huán)量體積的25%。三甘醇的循環(huán)量為2 400 kg/h，三甘醇密度約為1 100 kg/m3，每小時(shí)進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵的三甘醇富液的體積為：2 400/1 100=2.182 m3，每小時(shí)進(jìn)入開米爾能量循環(huán)泵的天然氣的體積為：2.182×25%=0.545 m3。以年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，年回收天然氣量24×104m3。

由于動力氣提供了維持開米爾能量循環(huán)泵，使用電泵就不需要動力氣，動力氣雖然回收，但不屬于節(jié)約的天然氣量。

（2）閃蒸氣。通過UniSim模擬軟件計(jì)算，閃蒸氣量為10.53 m3/h，以年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，年節(jié)約天然氣量為8.4×104m3。

2.4 節(jié)能量匯總

各項(xiàng)節(jié)能措施節(jié)能效果匯總（見表1）。

表1 各項(xiàng)節(jié)能措施節(jié)能效果匯總

3 結(jié)論

（1）在三甘醇脫水裝置設(shè)計(jì)中采用開米爾能量循環(huán)泵充分利用了高壓甘醇的壓力能，節(jié)約了電能，同時(shí)采用富液閃蒸工藝流程，將閃蒸出的氣體作為燃料氣，避免了閃蒸氣直接放空燃燒造成的浪費(fèi)，節(jié)約了天然氣；使用高效板式換熱器大幅減少了三甘醇再生重沸器的負(fù)荷，節(jié)能效果顯著。

（2）一套150×104m3/d的三甘醇脫水裝置采用節(jié)能設(shè)計(jì)后，每年可節(jié)約電能1.2×104kW·h，節(jié)約天然氣13.4×104m3。電價(jià)按照0.53元/千瓦·時(shí)，氣價(jià)按照1.34元/立方米計(jì)。每年可節(jié)約生產(chǎn)成本約20萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）本文中的節(jié)能設(shè)計(jì)措施，在三甘醇脫水裝置的設(shè)計(jì)中有一定的參考意義。

［1］王遇冬.天然氣處理原理與工藝［M］.北京：中國石化出版社，2006.

［2］馮凱生，等.低壓大處理量天然氣三甘醇脫水橇裝裝置［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2006，17（4）：40-41.

TE964

A

1673-5285（2016）12-0134-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.033

2016－09-22

葛濤，男（1982-），陜西榆林人，工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事氣田地面工程設(shè)計(jì)和研究工作。