撬裝式液化天然氣脫水裝置

王少梅，鄭東振，任苗苗

（1.山東豪邁化工技術(shù)有限公司 山東 青島，266042；2.海工英派爾工程有限公司 山東 青島，266042）

前 言

撬裝化設(shè)備是歐美國家在20世紀(jì)50年代提出的一種設(shè)計概念和設(shè)計方法，多用于海上石油平臺中，我國首次在油氣田中使用該技術(shù)是20世紀(jì)90年代左右[1]。近年來，該技術(shù)的優(yōu)越性逐漸被認(rèn)可，并推廣應(yīng)用于石化裝置中。天然氣脫水是天然氣輸送過程中極其重要的一個環(huán)節(jié)，其目的是盡可能地除去輸氣管道中天然氣中的水蒸氣，從而避免在壓降點發(fā)生水合物的結(jié)晶而堵塞管道。

1 撬裝化設(shè)計

撬裝有兩個不同的含義：其一指可以通過杠桿撬動起來的裝置，其二指整體的撬裝設(shè)備。整體的撬裝設(shè)備是將設(shè)備、管道、閥門儀表等按照工藝流程進行合理布局和組裝，并通過螺栓、焊接等方式固定在鋼結(jié)構(gòu)底座上，從而實現(xiàn)不同功能的裝置。

撬裝設(shè)備與一般裝置不同之處在于它將一整套裝置分幾個或十幾個撬進行分塊組裝，并將每個撬內(nèi)的設(shè)備、管線、儀表和電氣等組裝起來，如圖1所示。在撬裝設(shè)備的設(shè)計中充分考慮了撬體在可能的陸運、海運、港口設(shè)施、鐵路設(shè)施及現(xiàn)場吊裝中可能遇到的動靜載荷或力。

撬裝裝置通過對各種工藝設(shè)備的集成，使得每個撬塊都有獨立的功能，同時能夠?qū)崿F(xiàn)機電一體化，可以進行整體的搬遷運移和吊裝。因此，撬裝化設(shè)備具有集成度高、占地面積小、控制系統(tǒng)先進、設(shè)備噪聲小、運行可靠等優(yōu)點。同時撬裝化設(shè)備在很大程度上解決了施工現(xiàn)場的一些技術(shù)難題。

2 天然氣脫水方法

天然氣脫水的方法按照原理分為溶劑吸收法、固體吸附法、低溫分離法以及膜分離法等。在實際生產(chǎn)中可根據(jù)天然氣脫水深度的要求選擇適當(dāng)?shù)拿撍椒ā?/p>

2.1 溶劑吸收法

溶劑吸收法是現(xiàn)階段應(yīng)用最為普遍的一種天然氣脫水方法，該法是利用天然氣、烴類等物質(zhì)在溶劑中的溶解度低，而水和水蒸氣在溶劑中的溶解度高的特點，溶解并吸收天然氣中的液態(tài)水及水蒸氣，隨后再對天然氣和含水溶劑進行分離的方法。溶劑經(jīng)再生后可循環(huán)使用。可用的溶劑多為醇類物質(zhì)，如乙二醇、二甘醇、三甘醇等[2，3]。其中三甘醇（TEG）脫水是目前應(yīng)用最廣泛的天然氣脫水技術(shù)。

2.2 固體吸附法

該法是指氣體采用固體吸附劑進行脫水。固體吸附劑多采用分子篩、硅膠、活性氧化鋁等，其中分子篩能夠在較苛刻的條件下使用，脫水的同時能夠有效脫除H2S和硫醇，因此得到廣泛使用[2]。

2.3 低溫分離法

天然氣中飽和水蒸汽的含量通常隨著壓力的不斷升高、溫度的不斷降低而減少。因此，對于含有一定量水分的天然氣，如果降低天然氣溫度，一部分水和凝析油就會凝析成液態(tài)，此時再使用常規(guī)分離器進行脫水即可[4,5]。低溫分離法流程簡單，成本低，被廣泛地應(yīng)用在高壓天然氣脫水上[9]。

2.4 膜分離法

該法是近幾年來發(fā)展起來的天然氣“干法”凈化技術(shù)，是當(dāng)代具有代表性的高新技術(shù)之一[6～9]。膜分離法具有高效、節(jié)能、工件簡單、污染小、成本低等優(yōu)點，可脫除天然氣中的CO2、H2S和水分。

3 撬裝式天然氣脫水裝置技術(shù)分析

3.1 三甘醇脫水原理

三甘醇吸水性強，在高溫下可再生，因此在天然氣脫水工藝中得到廣泛應(yīng)用。其分子式為：HO（CH2）2O·（CH2）2O·（CH2）2OH。表 1 列出了三甘醇的部分物理特性：

表1 三甘醇物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of triethylene glycol

3.2 撬裝式脫水分離裝置的工藝流程

如圖2所示，自集氣站來的未經(jīng)處理的天然氣首先通過預(yù)過濾器過濾掉其中攜帶的液體以及大部分的固體雜質(zhì)。過濾后的天然氣進入脫水塔中進行脫水操作，在脫水塔中，天然氣從脫水塔底進料，與自上而下噴淋的三甘醇貧液逆流接觸，從而脫除其中的水分。出塔后的干氣與進塔前的熱三甘醇貧液換熱后，再通過后續(xù)的過濾分離器分離出其中夾帶的三甘醇后，完成脫水過程進入外輸管道。

圖2 撬裝式天然氣脫水工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of skid-mounted natural gas dehydration

三甘醇的再生過程為：富液從脫水塔流出后通過自流作用進入再生塔，形成部分回流，減少三甘醇的損失，并通過塔頂?shù)睦淠P管使溫度降低，增加分離效果。隨后三甘醇與貧液再次換熱進一步降溫后進入閃蒸罐，在閃蒸罐內(nèi)閃蒸出溶解在其中的烴類。通過濾布過濾器及活性炭過濾器，過濾掉其中的三甘醇降解物質(zhì)等。過濾后的三甘醇與三甘醇貧液再次換熱，回收三甘醇貧液的余熱，三甘醇富液從塔中部進入再生塔，分離出的水分以水蒸氣的形式從塔頂排出。隨后三甘醇富液進入塔底的重沸器提濃重生，再生后的三甘醇通過汽提柱汽提后再經(jīng)過貧富甘醇換熱器兩次換熱后，溫度降低，通入緩沖罐經(jīng)泵送經(jīng)干氣—貧液換熱器后進入吸收塔頂部，完成三甘醇再生循環(huán)過程。

3.3 撬裝式脫水分離裝置的技術(shù)分析

三甘醇脫水裝置所有的設(shè)備包括脫水塔、水分餾（甘醇再生）塔、濾布過濾器及活性炭過濾器、重沸器、三甘醇泵、貧富甘醇溶液換熱器、閃蒸罐、緩沖罐等。

文章以某國外項目中的天然氣脫水裝置為例，簡述撬裝脫水分離裝置的技術(shù)問題。

3.3.1 脫水塔

脫水塔通常采用板式泡罩塔，塔板設(shè)有降液管，塔頂及升氣筒下設(shè)有捕霧器，貧液與干氣出口管線設(shè)有換熱管道。

吸收塔的工作壓力小于17MPa時，壓力不影響干氣的露點，脫水塔的工作壓力通常等于進塔的濕氣壓力。油田生產(chǎn)中，濕氣進塔壓力在6～12MPa左右，遠低于17MPa，因此，可不考慮壓力對吸收塔的影響。

脫水塔的工作溫度對出塔干氣的露點影響很大。進塔天然氣的質(zhì)量流量遠大于進塔貧液，因此脫水塔的操作溫度可近似取進塔天然氣的溫度。工業(yè)上可取30℃時貧TEG溶液從濕氣中吸收1kg水蒸氣的溶解熱為211kJ計算出塔內(nèi)的有效吸收溫度。通常脫水塔操作溫度為10～28℃，脫水塔中各點溫差不超過2℃。

3.3.2 再生塔

三甘醇與水不存在共沸，可以輕易分離，因此再生塔僅需2～3塊理論板（其中一塊為重沸器）即可。塔頂回流比可設(shè)為1∶1，為保證回流量，可在塔頂設(shè)置翅片增加散熱面積或者不保溫來使部分蒸汽冷凝回流。三甘醇富液通常在塔中部進料，為防止三甘醇因霧沫夾帶損失量過大，通常在進料口上部安裝一定厚度的破沫器或填料層。對于較小的脫水裝置，溶液再生塔安在重沸器之上，若要求有較大露點降時，采用真空再生或者汽提再生。

本項目的處理量為5000～8000kg/h，在再重沸器貧液出口處安裝貧液汽提柱完成汽提再生。汽提氣通常選擇0.3～0.6 MPa的干天然氣或三甘醇富液的閃蒸汽，用量應(yīng)控制在汽提柱發(fā)生液泛以下。

3.3.3 三甘醇溶液損耗量

對于正常運行的天然氣脫水裝置，每處理100×104m3的天然氣約損耗8～16kg的三甘醇。若實際操作中，三甘醇耗量較大時，可通過如下方式進行調(diào)整。

表2 三甘醇損耗較大的原因及對策Table 2 Reason and countermeasure of biggest loss of triethylene glycol

3.3.4 重沸器的再生能力

為了保證脫水后天然氣的露點符合要求，應(yīng)保證三甘醇貧液濃度高于99.5%，這就要求重沸器的再生溫度以及汽提量需在正常范圍內(nèi)。重沸器的再生溫度以及汽提量應(yīng)根據(jù)具體工藝來確定，該裝置中重沸器操作溫度為204℃，汽提氣用量約為0.05m3汽提氣/升甘醇液。工業(yè)中為了增加貧三甘醇的濃度，通常選擇增大汽提氣量。

4 天然氣脫水裝置的撬裝設(shè)計

撬裝裝置雖小，但涉及到管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、電氣儀表等專業(yè)，因而需要多種專業(yè)協(xié)同合作。

4.1 撬裝底盤設(shè)計

撬塊的底盤設(shè)計主要根據(jù)設(shè)備的數(shù)量、尺寸以及布置情況進行整體結(jié)構(gòu)以及受力情況的分析設(shè)計，設(shè)計步驟如下：

1）根據(jù)設(shè)備布置圖確定底盤的尺寸以及底盤內(nèi)的橫梁位置；

2）根據(jù)設(shè)備的重量以及外形尺寸確定選用鋼結(jié)構(gòu)的尺寸；

3）根據(jù)P&ID流程圖及管道布置要求確定支吊架的位置及規(guī)格；

4）整體設(shè)計完成后根據(jù)撬塊重量確定吊耳的大小及接地電極等。

圖3所示為撬裝天然氣脫水裝置的底盤模型，該底盤在設(shè)計過程中根據(jù)設(shè)備布置進行了應(yīng)力及載荷的分析，從而確定了底盤的結(jié)構(gòu)組成以及所用鋼材的型號。

圖3 撬裝式天然氣脫水裝置底盤模型Fig.3 Skid-mounted natural gas dehydration chassis model

4.2 撬裝內(nèi)管道及電氣儀表設(shè)計

撬裝內(nèi)管道的布置應(yīng)遵循工藝流程圖要求，遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，必要時還需設(shè)置臨時支吊架。另外，進行管道設(shè)計時應(yīng)充分考慮人員檢修及操作方便。圖4所示為閃蒸罐部分配管圖。裝置內(nèi)電氣儀表均采用電纜槽架空安裝在撬體上，并在現(xiàn)場敷設(shè)。

圖4 撬裝式天然氣脫水裝置閃蒸罐局部配管模型Fig．4 Partial piping model of flash tank with skid-mounted natural gas dewatering device

5結(jié) 論

在天然氣的生產(chǎn)和運輸過程中，脫水處理是極其重要的環(huán)節(jié)之一，脫水工藝設(shè)備多，控制復(fù)雜，管道及儀表閥門走向繁瑣，常規(guī)布置不僅占地面積大，而且施工麻煩。撬裝化設(shè)備由于其設(shè)備集成度高，因此能夠極大的節(jié)省空間，節(jié)省資源。然而現(xiàn)階段，受到我國撬裝式天然氣脫水裝置設(shè)計及制造水平的限制，許多技術(shù)仍依賴國外。因此，開發(fā)研究我國自主的撬裝式天然氣脫水裝置，盡快替代國外技術(shù)，已經(jīng)迫在眉睫。

［1］ 鄒豐沛．淺談石化工程中的撬裝設(shè)計［J］．山東化工,2015:101～102．

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［3］ 四川石油管理局．天然氣工程手冊（下）［M］．北京：石油工業(yè)出版社,1984:1～81．

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［8］ SCHIEVELBEIN,VEMON H．Reducing Methane Emissions from Glycol Dehydrators ［C］．SPE/EPA Exploration and Production Environmental Conference,1997．

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