高含硫天然氣凈化裝置低處理量工況下運(yùn)行模式創(chuàng)新應(yīng)用

王曉宗* 王擁軍 徐政雄 韓鵬

（中國(guó)石化達(dá)州天然氣凈化有限公司）

0 引言

普光氣田是我國(guó)已投產(chǎn)的規(guī)模最大、豐產(chǎn)最高的特大型海相整裝氣田。集輸系統(tǒng)采用加熱節(jié)流、全濕氣保溫混輸工藝。井口天然氣經(jīng)集氣支線進(jìn)入集氣干線，匯聚至集氣末站，經(jīng)分水后輸送至天然氣凈化廠。集輸管道采用緩蝕劑批處理預(yù)膜技術(shù)進(jìn)行防腐，期間輸送氣量降低，會(huì)打破天然氣凈化廠蒸汽系統(tǒng)平衡，影響全廠平穩(wěn)運(yùn)行，給天然氣凈化廠的高效生產(chǎn)組織帶來挑戰(zhàn)。通過開展“凈化裝置低處理量工況下運(yùn)行模式創(chuàng)新”項(xiàng)目，解決了批處理等處理量大幅下降工況下蒸汽不足的問題，避免了聯(lián)合裝置頻繁停運(yùn)、復(fù)產(chǎn)，大幅提高了生產(chǎn)效率，降本增效效果顯著。

1 凈化廠聯(lián)合裝置工藝

普光天然氣凈化廠（簡(jiǎn)稱凈化廠）主要工藝裝置為6套聯(lián)合裝置，每套聯(lián)合裝置分為兩個(gè)系列。一系列包括MDEA（甲基二乙醇胺）脫硫、TEG（三甘醇）脫水、二級(jí)克勞斯硫磺回收、斯科特加氫還原尾氣處理及酸水汽提五個(gè)單元［1］，二系列脫水及酸水汽提兩個(gè)單元與一系列共用，其余部分與一系列相同，兩列間設(shè)有酸氣連通線。單列處理規(guī)模為300×104m3/d。

高含硫原料氣（H2S含量13%～18%，CO2含量8%～10%）進(jìn)入脫硫單元一、二級(jí)主吸收塔，利用MDEA溶液在吸收塔內(nèi)與原料氣逆流接觸［2］，脫除其中H2S和CO2，使其含量分別低于6 mg/m3和3%。凈化天然氣經(jīng)三甘醇脫水后外輸。MDEA溶液經(jīng)胺液再生塔再生后循環(huán)利用［3］，產(chǎn)生的酸氣（H2S含量58.0%～60.5%）進(jìn)入硫磺回收單元。酸氣與一定比例的空氣在克勞斯?fàn)t中燃燒，保持過程氣中H2S與SO2摩爾比為2：1，在克勞斯?fàn)t及一、二級(jí)反應(yīng)器中，H2S與SO2反應(yīng)生成單質(zhì)硫。尾氣處理單元燃燒器內(nèi)，燃料氣與不足量的空氣燃燒生成H2和CO，與克勞斯尾氣混合后進(jìn)入加氫反應(yīng)器，將尾氣中SO2、COS還原為H2S，經(jīng)尾氣吸收塔吸收凈化后，進(jìn)尾氣焚燒爐。聯(lián)合裝置簡(jiǎn)要工藝如圖1所示。

圖1 聯(lián)合裝置工藝原理流程圖

2 聯(lián)合裝置運(yùn)行模式創(chuàng)新的必要性

普光氣田集輸管道批處理預(yù)膜周期為每1～3個(gè)月1次。2018年1月至11月間，大型管道批處理6次，單次持續(xù)8～14 h，期間輸送氣量降幅達(dá)600×104～750×104m3/d。上游批處理作業(yè)呈現(xiàn)“周期性、頻率高、時(shí)間短”的實(shí)際特點(diǎn)。

由于凈化廠主要采用聯(lián)合裝置余熱產(chǎn)生蒸汽，通過動(dòng)力站鍋爐調(diào)峰，原料氣量的降低直接影響全廠中壓蒸汽產(chǎn)量。據(jù)推算，若全廠處理量下降幅度大于600×104m3/d，動(dòng)力站鍋爐供應(yīng)能力將無法彌補(bǔ)蒸汽量的下降。打破原有蒸汽平衡，必須停運(yùn)聯(lián)合裝置，重新建立平衡，否則可能引起汽驅(qū)停機(jī)甚至全廠停工［4］。凈化廠蒸汽平衡情況見圖2。

圖2 凈化廠蒸汽平衡圖

大型天然氣凈化裝置的停工模式主要有：兩列各50%負(fù)荷運(yùn)行模式、單列“悶爐”模式、單列“停工”模式和“一拖二”模式，不同停工模式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。近年來，隨著聯(lián)合裝置運(yùn)行年限的增加，設(shè)備腐蝕問題形勢(shì)日益嚴(yán)峻，頻繁開停工會(huì)對(duì)聯(lián)合裝置造成嚴(yán)重危害，溫度、壓力的大幅變化加速設(shè)備腐蝕，“維持全廠蒸汽平衡”與“減少開停機(jī)次數(shù)”之間的矛盾日益突出。同時(shí)，國(guó)家對(duì)環(huán)保提出了更高的要求，凈化廠對(duì)廢氣、廢水的產(chǎn)生有了更加嚴(yán)格的控制。在這些形勢(shì)下，迫切需要進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行模式的創(chuàng)新，改變聯(lián)合裝置低處理量下被動(dòng)停機(jī)的局面。

表1 聯(lián)合裝置不同停工模式對(duì)比

3 聯(lián)合裝置“休眠”運(yùn)行模式的創(chuàng)新與應(yīng)用

3.1 “休眠”運(yùn)行模式簡(jiǎn)介

減少蒸汽消耗量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)產(chǎn)是聯(lián)合裝置“休眠”運(yùn)行模式的核心任務(wù)。當(dāng)原料氣量大幅降低時(shí)，實(shí)施“休眠”的系列脫硫單元停進(jìn)原料氣，維持MDEA循環(huán)再生，降低胺液再生塔重沸器蒸汽用量在25 t/h以下（正常工況用量約55 t/h），實(shí)現(xiàn)減少蒸汽消耗的目的；通過酸氣連通線，引入另一系列酸氣，維持克勞斯?fàn)t正常燃燒；尾氣處理單元正常運(yùn)行，確保煙氣達(dá)標(biāo)排放；尾氣吸收塔內(nèi)的富胺液輸送至脫硫單元胺液再生塔進(jìn)行再生，實(shí)現(xiàn)酸氣的回收利用。該運(yùn)行模式下，單列可減少蒸汽用量20～30 t/h，能夠有效應(yīng)對(duì)處理量降低時(shí)蒸汽平衡缺口，并實(shí)現(xiàn)快速停機(jī)、復(fù)產(chǎn)。聯(lián)合裝置“休眠”運(yùn)行模式示意圖見圖3。

圖3 聯(lián)合裝置“休眠”運(yùn)行模式示意圖

3.2 “休眠”運(yùn)行模式下蒸汽平衡分析

通過對(duì)單列裝置不同運(yùn)行模式下蒸汽平衡的分析可知，較單列裝置50%負(fù)荷運(yùn)行模式，“休眠”模式中壓蒸汽需求量基本不變，僅增加了0.43 t/h，低壓蒸汽總需求量減少了23.81 t/h，合計(jì)節(jié)約中低壓蒸汽總量23.38 t/h；停工模式中壓蒸汽需求量減少了5.65 t/h，低壓蒸汽需求量減少了21.50 t/h，合計(jì)節(jié)約中低壓蒸汽總量27.15 t/h。

以同樣方法比較不同運(yùn)行模式下整套聯(lián)合裝置蒸汽的產(chǎn)出、消耗情況可知，較雙列裝置各50%負(fù)荷運(yùn)行模式，單列裝置“休眠”模式中壓蒸汽產(chǎn)量不變，低壓蒸汽總需求量減少21.60 t/h，合計(jì)節(jié)約中低壓蒸汽總量21.60 t/h；單列裝置停工模式節(jié)約蒸汽量最優(yōu)，合計(jì)節(jié)約58.50 t/h。胺液再生耗時(shí)8 h。

由此得出結(jié)論：“休眠”模式可以在不影響中壓蒸汽產(chǎn)量的前提下，有效降低聯(lián)合裝置低壓蒸汽耗量。與動(dòng)力站鍋爐負(fù)荷調(diào)整相配合，可以大幅提高蒸汽系統(tǒng)的操作彈性。

單列裝置不同模式下蒸汽平衡情況見表2，表中負(fù)數(shù)代表需求量。

表2 單列裝置不同模式下蒸汽平衡情況 單位：t·h-1

3.3 “休眠”模式下酸氣量及原料氣量的確定

由于斯科特法加氫還原工藝反應(yīng)溫度要求為280～300 ℃，當(dāng)克勞斯?fàn)t酸性氣進(jìn)料量下降，尾氣量同時(shí)下降，尾氣（137 ℃）與還原性氣體（H2、CO）的混合氣體溫度上升，需降低加氫爐燃料氣用量。通過實(shí)際數(shù)據(jù)分析，克勞斯?fàn)t酸氣進(jìn)料量與加氫爐燃料氣用量趨勢(shì)高度一致，二者的比維持56.0～62.7基本恒定。由于加氫爐燃燒器維持穩(wěn)定燃燒的最小燃料氣量為290 m3/h，故對(duì)應(yīng)克勞斯?fàn)t酸氣量應(yīng)至少維持16 240 m3/h。

根據(jù)物料平衡，通過酸氣量可以推算出單列裝置“休眠”模式下，另一列裝置脫硫單元原料氣瞬時(shí)量為11.5×104m3/h，即裝置負(fù)荷率92%，滿足聯(lián)合裝置負(fù)荷率50%～110%的操作可行性要求。

3.4 “休眠”運(yùn)行模式操作關(guān)鍵

經(jīng)理論論證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，對(duì)“休眠”模式工藝參數(shù)控制指標(biāo)在合理范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的重點(diǎn)工藝參數(shù)控制指標(biāo)見表3?！靶菝摺边\(yùn)行模式下操作關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）選擇兩個(gè)系列均正常運(yùn)行的聯(lián)合裝置實(shí)施。單系列進(jìn)入“休眠”模式后，另一系列脫硫單元維持原料氣負(fù)荷率92%以上。

表3 “休眠”模式下重點(diǎn)工藝參數(shù)

（2）脫硫單元停進(jìn)原料氣后，胺液重沸器再生蒸汽用量控制在22 t/h以下，以保障全廠蒸汽平衡。胺液循環(huán)量440 t/h。

（3）利用來自尾氣吸收塔富胺液產(chǎn)生的酸氣，彌補(bǔ)酸氣不足。兩列酸性氣量均維持1.62×104m3/h以上。加氫爐燃料氣量290～400 m3/h。

（4）實(shí)時(shí)調(diào)整克勞斯?fàn)t配風(fēng)量，維持過程氣中H2S與SO2摩爾比為2∶1，確保硫磺最大轉(zhuǎn)化率。精心操作，避免過程氣中H2S、SO2組分含量的大幅波動(dòng)，保障汽提水水質(zhì)指標(biāo)合格。

3.5 實(shí)際應(yīng)用效果

該運(yùn)行模式自2018年2月25日首次應(yīng)用，至2018年11月共實(shí)施5次，均取得理想效果。

以2018年8月8日為例，當(dāng)日上游大灣采氣區(qū)進(jìn)行D401—總站段管道批處理作業(yè)，期間井口氣外輸瞬時(shí)量1 600×104m3/d，降量幅度750×104m3/d。經(jīng)蒸汽推算，全廠面臨60 t/h的蒸汽缺口。

選擇132系列、152系列實(shí)施“休眠”模式，成功彌補(bǔ)了蒸汽不足，保障了中壓蒸汽管網(wǎng)壓力在3.4 MPa以上、低壓蒸汽管網(wǎng)壓力在0.4 MPa以上。上游批處理結(jié)束后，152、132系列依次引原料氣開機(jī)，分別用時(shí)42 min、37 min恢復(fù)正常生產(chǎn)。全程酸水汽提單元汽提水水質(zhì)合格，排放煙氣中SO2濃度低于400 mg/m3。

4 優(yōu)點(diǎn)與效益分析

一是有利于裝置的保護(hù)。

“休眠”模式在停進(jìn)原料氣進(jìn)料的基礎(chǔ)上，最大限度地保持了聯(lián)合裝置各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)，避免了壓力、溫度等參數(shù)的大幅變化，減少了熱應(yīng)力沖擊、壓力波動(dòng)、腐蝕等因素對(duì)設(shè)備的損害。

二是簡(jiǎn)化了操作步驟，大幅度減少了提前降量造成的效益損失。

簡(jiǎn)化停機(jī)、復(fù)產(chǎn)步驟，去掉了“胺液再生、克勞斯?fàn)t吹硫、加氫系統(tǒng)停運(yùn)、建立胺液熱循環(huán)、克勞斯?fàn)t引酸氣、加氫系統(tǒng)啟運(yùn)”等6項(xiàng)中間環(huán)節(jié)。全廠提前降量時(shí)間由8 h（胺液再生合格）縮減為50 min；復(fù)產(chǎn)時(shí)間由3 h縮減為40 min，較原有模式累計(jì)減少9 h，對(duì)應(yīng)原料氣處理量108×104m3，減少效益損失94.5×104元/次。

三是節(jié)約停機(jī)、復(fù)產(chǎn)成本。

避免了停工期間克勞斯?fàn)t、尾爐等燃料氣的無效燃燒，節(jié)約自耗氣量3 000 m3/h；節(jié)約停機(jī)、復(fù)產(chǎn)期間吹掃、保護(hù)氮?dú)庥昧? 000 m3/h；節(jié)約電能消耗2 500 kW·h。節(jié)約停工用料成本6.525×104元/次，年累計(jì)降本增效606.15×104元（“休眠”模式運(yùn)用以每年6次計(jì)）。

四是環(huán)保意義深遠(yuǎn)。

實(shí)現(xiàn)了酸性氣零放空，避免了火炬系統(tǒng)SO2、氮氧化物等有害物質(zhì)的排放；減少產(chǎn)生不合格汽提水30 t/h，并間接節(jié)約了后續(xù)污水處理成本；尾氣經(jīng)斯科特法加氫還原工藝處理，確保硫回收率達(dá)99.8%，排放煙氣中SO2濃度在400 mg/m3以下，完全滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5 結(jié)論

在無需追加投資的情況下，基于蒸汽平衡推算理論分析，優(yōu)化聯(lián)合裝置運(yùn)行模式，固化形成了一套獨(dú)立的應(yīng)對(duì)方法，解決了批處理等處理量大幅下降期間蒸汽不足的突出問題，避免了聯(lián)合裝置的頻繁停運(yùn)、復(fù)產(chǎn)，大幅提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)，減少了污水及SO2排放量，環(huán)保意義深遠(yuǎn)。實(shí)際應(yīng)用證明，“休眠”運(yùn)行模式安全、環(huán)保、節(jié)能，對(duì)于天然氣凈化廠及同類企業(yè)應(yīng)對(duì)處理量大幅下降時(shí)的生產(chǎn)組織具有借鑒意義。