新型高效焊接板式熱交換器在三甘醇脫水裝置中的應(yīng)用

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2. 西南油氣田分公司 重慶天然氣凈化總廠 忠縣分廠， 重慶 404300)

地層中采出的天然氣經(jīng)機(jī)械分離游離水后仍然含有一定量的飽和水。在一定條件下，當(dāng)天然氣被壓縮或冷卻時，這部分飽和水將以液態(tài)水的形式析出，并和天然氣中的烴類、酸性組分等其他物質(zhì)一起形成水合物，由此增加了長輸管道的壓降。此外，輸送含有酸性組分(如H2S、CO2等)的含水天然氣也會對長輸管道的管壁、閥件產(chǎn)生腐蝕，縮短管道的使用壽命。因此，天然氣在進(jìn)入輸氣干線前，必須經(jīng)過脫水處理[1]。

常用的天然氣脫水工藝有膜法、變壓吸附、節(jié)流制冷和物理吸收4種[2]。20世紀(jì)80年代，天然氣膜法脫水分離技術(shù)在美國、加拿大和日本等國開始工業(yè)應(yīng)用，我國于1994年研制出了中空纖維脫水裝置，但膜法脫水分離技術(shù)仍存在較多難題需要攻克，工業(yè)推廣受限。物理吸收脫水常采用三甘醇脫水，截至1999年，國外天然氣凈化就已應(yīng)用此脫水裝置數(shù)百套，而我國在最近20 a才逐漸推廣應(yīng)用[3]。膜法、變壓吸附、節(jié)流制冷等工藝壓力損失較大，廣泛應(yīng)用受到限制。目前，天然氣脫水應(yīng)用最廣的技術(shù)仍然是三甘醇脫水工藝。

1 三甘醇脫水裝置簡介

三甘醇又稱三縮乙二醇，常溫下是一種無色、無臭有吸濕性的透明黏稠液體。物性參數(shù)為相對密度1.127 4，折射率1.457 8(15 ℃)，沸點(diǎn)285 ℃，凝固點(diǎn)-7.2 ℃，具有溶于水和乙醇，不溶于苯、甲苯和汽油的特性。

三甘醇法脫水既適用于壓力較低的人工煤氣脫水，也適用于天然氣脫水，工藝流程見圖1。

圖1 三甘醇法脫水工藝流程

三甘醇脫水工藝主要由甘醇吸收和再生兩部分組成，圖1中虛線框所示區(qū)域?yàn)樵偕b置，左側(cè)為甘醇吸收裝置。從圖1可知含水的天然氣先進(jìn)入分離器，以脫除夾帶的液體和固體雜質(zhì)，然后從塔下部進(jìn)入吸收塔。凈化氣通過各層塔板自下而上流動，與向下流動的貧甘醇溶液逆流接觸，其中水分被吸收后從塔頂逸出。吸收了水分的富甘醇自塔底流出，再通過蒸餾塔的冷凝器盤管換熱后進(jìn)入閃蒸罐閃蒸，閃蒸氣可作為燃料氣至相關(guān)用戶，然后富甘醇流入過濾器、貧-富甘醇熱交換器，進(jìn)入脫水單元的再生器部分(蒸餾塔)，通過加熱將甘醇吸收的水分在常壓下脫除。再生的甘醇借助重力流至緩沖槽內(nèi)，經(jīng)過貧-富甘醇熱交換器冷卻后，用貧甘醇泵送回吸收塔循環(huán)使用。

多年以來，貧-富甘醇熱交換器均采用管殼式的結(jié)構(gòu)形式。由于其傳熱系數(shù)低，各熱交換器的換熱面積相對較大，因而裝置占地面積以及冷卻水耗量均較大，從而使得設(shè)備投資及能耗指標(biāo)較高。如何提高裝置換熱效率、減小占地面積、降低能耗以及節(jié)省投資成為近年來天然氣三甘醇脫水熱門研究課題之一[4-6]。

2 常用貧-富甘醇熱交換器

貧-富甘醇熱交換器作為三甘醇天然氣脫水工藝再生裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，從出版的文獻(xiàn)資料分析，21世紀(jì)初我國各大天然氣凈化廠就采用了各種形式的貧-富甘醇熱交換器。

2.1 盤管式熱交換器

據(jù)筆者調(diào)研，2004年前后，天然氣氣田甘醇脫水裝置用貧-富甘醇液熱交換器通常采用盤管熱交換器，文獻(xiàn)[4]介紹的盤管熱交換器貧-富甘醇換熱示意見圖2。

圖2 盤管式貧-富甘醇熱交換器

換熱盤管布置在一個封閉的U形殼體中，富液在盤管內(nèi)流動，貧液在換熱殼體內(nèi)由上至下流動。由于殼體內(nèi)各處溫度基本相同，熱交換器傳熱對數(shù)平均溫差不大，導(dǎo)致管外傳熱系數(shù)小，熱交換器總體傳熱效果差。

即使整個盤管在液面的下方，換熱后的甘醇富液溫度升至90 ℃以上仍較為困難，導(dǎo)致高溫甘醇貧液熱能未能有效利用，此外貧液冷卻時循環(huán)水的耗量也比較大。

2.2 盤管式+可拆卸板式熱交換器

可拆卸板式熱交換器只能適用于工作壓力小于1.6 MPa、工作溫度低于160 ℃的場合[7]。經(jīng)過重沸器再生塔再生后的貧液溫度達(dá)到了200 ℃，此數(shù)值超出了可拆卸板式熱交換器的溫度適用范圍。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，有部分天然氣凈化廠采用了一種將盤管式熱交換器與可拆卸板式熱交換器串聯(lián)到一起或多個管殼式換熱器串聯(lián)的方案。

此方案缺點(diǎn)：①現(xiàn)場工藝配管成本比較高，并且整套裝置占地較大。②不銹鋼板片采用的三元乙丙等橡膠墊片存在著嚴(yán)重老化的腐蝕問題，每年需更換墊片1～2次，由此增大了三甘醇再生重沸器加熱富液時的燃料氣消耗。③貧液出口溫度偏高引起三甘醇溶液循環(huán)泵維修后出現(xiàn)泄漏等故障[8]。

2.3 全焊接板式熱交換器

板式熱交換器具備較高的傳熱效率，有效地解決了甘醇脫水的高能耗問題，較盤管熱交換器節(jié)約了能耗成本，較管殼式熱交換器+可拆卸板式熱交換器的方案節(jié)省了設(shè)備投資，減少了占用場地空間。文獻(xiàn)[4]提到采用的全焊接板式熱交換器串聯(lián)的方案仍存在設(shè)備壓降大、現(xiàn)場配管工作量大、裝置占地空間大及管道連接密封面泄漏點(diǎn)多等問題。

2014年，上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司對天然氣三甘醇脫水工藝再生裝置用焊接板式貧-富甘醇熱交換器開展大量研究，旨在解決傳統(tǒng)貧-富甘醇熱交換器傳熱效率低、占地空間大、不緊湊以及配管施工量大的問題。

3 新型高效貧-富甘醇焊接板式熱交換器

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

針對貧-富甘醇熱交換器工位上存在的各種問題，上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司于2016年新開發(fā)了一種新型高效焊接板式熱交換器，專利名稱《一種模塊化全焊接板式換熱器》，發(fā)明專利號為CN201610559357.2[9]。

該貧-富甘醇熱交換器具備以下特點(diǎn)：①臥式布置、標(biāo)高低、占地空間小、壓降小，貧液自緩沖罐靠位勢壓頭即可實(shí)現(xiàn)在設(shè)備內(nèi)流動。②采用模塊化串聯(lián)設(shè)計，模塊承受的操作工況較為苛刻，若該模塊達(dá)到使用壽命，更換此模塊即可。便于設(shè)備后續(xù)及時更換模塊及降低檢維修成本。③傳熱元件豎直布置，設(shè)備間歇停工，內(nèi)部不易積液。④設(shè)備現(xiàn)場布管、儀表安裝和讀數(shù)較為方便。⑤具有較高的傳熱單元數(shù)(NTU)。

貧-富甘醇熱交換器采用兩組焊接板式熱交換器模塊串聯(lián)，外形示意圖見圖3。兩種介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)流動示意圖見圖4，圖中，貧液流動軌跡如實(shí)心箭頭所示，富液流動軌跡如虛線箭頭所示。

3.2 應(yīng)用示例及結(jié)果

2016-05，對某凈化廠天然氣脫水的再生裝置進(jìn)行改造，其工藝參數(shù)見表1。

圖3 新型高效貧-富甘醇焊接板式熱交換器

圖4 設(shè)備內(nèi)兩種介質(zhì)流動示圖

項(xiàng)目熱介質(zhì)冷介質(zhì)介質(zhì)名稱貧液富液熱負(fù)荷/kW744進(jìn)口溫度/℃20257出口溫度/℃70178進(jìn)口壓力/kPa30250允許壓降/kPa510

由工藝數(shù)據(jù)可知，貧甘醇液進(jìn)/出口溫度為202 ℃/70 ℃，富甘醇液進(jìn)/出口溫度為57 ℃/178 ℃，對數(shù)平均溫差Δt=17.94 ℃，傳熱單元數(shù)NTU=7.36。因此，選用貧-富甘醇熱交換器存在一定技術(shù)困難，需要采用瘦高型淺密波紋傳熱元件[11]。由于存在溫度交叉，而管殼式熱交換器在溫度交叉的場合無法使用，若采用管殼式熱交換器則需要通過多臺串聯(lián)實(shí)現(xiàn)[12]，不但壓降較大，而且占地空間及成本投入極大增加。另外，工藝要求緩沖罐貧液依靠重力自流進(jìn)熱交換器內(nèi)，這就要求熱交換器主體標(biāo)高不能過高。

根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)計確定采用1臺新型貧-富甘醇焊接板式熱交換器，熱交換器換熱面積56 m2,凈重1 050 kg,外形尺寸(長×寬×高)1 970 mm×410 mm×1 140 mm。其設(shè)計余量30%，貧液、富液計算阻力降分別為4.9 kPa、7.1 kPa。

2016-12，對設(shè)備投用一段時間后進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用情況標(biāo)定，現(xiàn)場工藝標(biāo)定參數(shù)見表2。

表2 貧-富三甘醇全焊接板式熱交換器工藝標(biāo)定參數(shù)

實(shí)際貧、富甘醇進(jìn)口溫度與表1所列設(shè)計參數(shù)略有不同，但從實(shí)際設(shè)備操作效果分析，設(shè)備阻力降及熱交換器效果均能較好滿足設(shè)計要求。

目前,國外三甘醇脫水裝置的貧-富甘醇熱交換器已廣泛應(yīng)用板式熱交換器, 國內(nèi)的中原文23 氣田、西南油氣分公司某凈化廠、重慶五寶場氣田等脫水裝置都應(yīng)用了板式熱交換器作為貧-富液熱交換器[12-14]，但各種形式的板式熱交換器性能差別較大，新開發(fā)的新型高效焊接板式熱交換器若能在上述氣田推廣應(yīng)用，必將發(fā)揮良好的節(jié)能優(yōu)勢 。

3.3 對比分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以往的全焊接板式熱交換器串聯(lián)方案，設(shè)備及管線占地空間(長×寬×高)約4 000 mm×2 000 mm×1 200 mm。若采用本方案，設(shè)備占地空間(長×寬×高)為1 970 mm×450 mm×1 140 mm，降低了配管工作量及投入成本，更符合天然氣甘醇脫水成套裝置緊湊性布局理念。

4 運(yùn)行操作注意事項(xiàng)

貧-富甘醇焊接板式熱交換器開車時，應(yīng)確保貧-富三甘醇流量緩慢增加。三甘醇在溫度低時黏度較大，如在60 ℃時動力黏度為8.5 mPa·s，20 ℃時動力黏度為49.0 mPa·s，其黏度隨溫度變化較為敏感。

設(shè)備開車前，在通入貧-富三甘醇介質(zhì)過程中，應(yīng)同時開啟設(shè)備排氣口，排氣口可與放空管道連接，待排氣口有少量液體流出時視為氣體排盡，再關(guān)閉排氣口。

5 結(jié)語

新型高效焊接板式熱交換器采用臥式布置、模塊化設(shè)計思想，滿足工藝要求，而且降低了設(shè)備現(xiàn)場配管及后續(xù)檢維修投入成本，具有應(yīng)用推廣前景。

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