天然氣凈化項目設(shè)計階段降本增效措施探討

陳運(yùn)強(qiáng)

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 引言

在確保質(zhì)量的前提下，降低成本進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)永恒的追求,在低油價的情況下,更是石油企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵。對于天然氣凈化項目,降本增效涉及項目的全生命周期,即項目的設(shè)計、采購、施工、運(yùn)行維護(hù)等階段,需要系統(tǒng)地考慮,不能只局限在某一個環(huán)節(jié)。但工程設(shè)計是天然氣凈化項目降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié),包括降低工程投資和運(yùn)行成本兩部分,而天然氣凈化項目的主要成本是能耗,因此,在工程設(shè)計階段天然氣凈化項目降本增效的主要途徑是降低工程投資和節(jié)能降耗。天然氣凈化主要包括脫硫、脫水、硫黃回收及尾氣處理等工藝過程,本文擬圍繞這些主要工藝過程探索天然氣凈化項目在工程設(shè)計階段降本增效的具體途徑。

1 優(yōu)化設(shè)計降低投資

1.1 優(yōu)化全廠整體工藝方案

優(yōu)化全廠整體工藝方案是降本增效的關(guān)鍵,工廠的總體處理規(guī)模和單列工藝裝置的處理規(guī)模對工廠的投資影響非常大。由于各個氣田的天然氣組成差異大,H2S、CO2的含量差異大,現(xiàn)新建的天然氣凈化廠一般都是針對某一個氣田的天然氣氣質(zhì)設(shè)計的,相互能夠經(jīng)濟(jì)通用的比較少,而單個氣田的穩(wěn)產(chǎn)期是有限的,超過10年的比較少,因此,在確定工廠總處理規(guī)模時,一定要地上地下統(tǒng)一考慮,需要確定這個氣田的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)規(guī)模,即對不同的采氣速度進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較,選擇一個經(jīng)濟(jì)效益最佳的采氣速度。在工廠的總處理規(guī)模確定后,若規(guī)模較大,還需確定單列工藝裝置的處理規(guī)模,單列工藝裝置處理規(guī)模越大則項目投資越少?，F(xiàn)在我國輸氣管網(wǎng)已基本互聯(lián)互通,管網(wǎng)之間可以互相調(diào)氣,某列工藝裝置停產(chǎn)已基本不影響向用戶供氣,因此,在滿足設(shè)備運(yùn)輸及制造能力的情況下,單列工藝裝置的處理規(guī)模應(yīng)盡可能大[1-2]。而且,我國目前的技術(shù)水平完全有能力把單列裝置的處理規(guī)模做大,中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司在分析9種工況條件下(3種壓力和3種含硫量的組合)脫硫裝置、脫水裝置、硫黃回收裝置及尾氣處理裝置4個主體裝置關(guān)鍵受限設(shè)備的最大尺寸的基礎(chǔ)上,通過工藝模擬優(yōu)化確定了單列裝置的最大處理能力,進(jìn)而確定了相應(yīng)工況下整個天然氣凈化廠單列最大處理能力,具體結(jié)果詳見表1。對于運(yùn)輸超限的設(shè)備(主要是塔類),可在制造廠內(nèi)分段或分片預(yù)制,現(xiàn)場組焊,需要整體或局部熱處理的則在現(xiàn)場進(jìn)行整體或局部熱處理。中國石油工程建設(shè)有限公司已在讓納若爾油田第三油氣處理廠工程成功實(shí)施過此種方式,該項目有三列天然氣處理裝置,其中第一列裝置的脫硫塔,塔內(nèi)徑3.8 m,壁厚約130 mm,塔高約40 m,采用“在國內(nèi)制造廠分片預(yù)制、現(xiàn)場組焊并整體熱處理”的制造方式,其余5座塔(2座脫硫吸收塔、3座脫硫再生塔)采用“國內(nèi)分段預(yù)制、現(xiàn)場組焊并局部熱處理”的制造方式,至今已安全運(yùn)行超過10年。

表1 9種工況條件下天然氣凈化廠單列裝置最大處理能力

工況設(shè)計壓力/MPa含硫量?x㊣/()脫硫裝置A最大處理能力/(104 m3·d-1)脫水裝置B最大處理能力/(104 m3·d-1)TEG分子篩硫黃回收及尾氣處理裝置C最大處理能力/(t·d-1)多套最大規(guī)模組合方案最大處理能力/(104 m3·d-1)110.50.653 3003 1001 400×11 6043 100/3 300210.54.501 4003 1001 400×11 9871 400310.510.001 1003 1001 400×11 9411 10048.80.654 6004 7002 255×11 6044 60058.84.502 2004 7002 255×11 9872 20068.810.001 6004 7002 255×11 9411 35676.60.657 4007 1001 750×11 6047 100/7 40086.64.502 8007 1001 750×11 9872 80096.610.001 7007 1001 750×11 9411 356

1.2 優(yōu)化工藝裝置工藝方案

1)工藝優(yōu)化的原則是既要考慮投資,還要考慮運(yùn)行費(fèi)用,綜合成本最低,效益最優(yōu)。

2)脫硫裝置要根據(jù)原料氣組成和產(chǎn)品質(zhì)量要求合理選擇溶劑,原料氣CO2含量低時,要選擇選擇性好的溶劑,盡量少脫除CO2;原料氣CO2含量高時,可選擇配方溶劑,提高溶液的CO2脫除能力,以降低溶液循環(huán)量。原料氣含有機(jī)硫時,要選擇配方溶劑,盡可能將H2S與有機(jī)硫一起脫除。

3)硫黃回收和尾氣處理裝置要統(tǒng)籌考慮投資和運(yùn)行費(fèi)用,尾氣處理可采用串級SCOT工藝或CANSOLV工藝,若業(yè)主能接受,還可采用投資更低的SOP制酸技術(shù)與雙堿法尾氣處理技術(shù)。

1.3 優(yōu)化簡化工藝流程

1)與油氣集輸充分結(jié)合,合理設(shè)置分離設(shè)備以避免重復(fù)設(shè)置;上下游統(tǒng)一考慮放空設(shè)施,避免各自為政。

2)原料過濾分離器若有備用就可以不設(shè)旁通,若沒有備用就可以設(shè)旁通。

3)脫硫貧液增壓泵可以設(shè)兩級也可以采用一級,建議溶液循環(huán)量小于100 m3/h時可采用一級增壓,溶液循環(huán)量大于100 m3/h時可采用兩級增壓。

4)脫硫溶液再生重沸器的蒸汽凝結(jié)水排放現(xiàn)在基本都采用凝結(jié)水罐+調(diào)節(jié)閥方案;而早期引進(jìn)的裝置直接采用疏水器排水方案(蒸汽用量約15 t/h,采用進(jìn)口疏水器),使用效果也非常好。建議單臺重沸器蒸汽用量小于10 t/h時,可采用疏水器排水方案,若擔(dān)心國產(chǎn)蒸汽疏水閥蒸汽泄漏量大,可采用進(jìn)口疏水器;單臺重沸器蒸汽用量大于10 t/h時,采用凝結(jié)水罐+調(diào)節(jié)閥方案。

5)脫硫溶液的存儲,目前大量采用的是各個裝置各自儲存,每套裝置都有2個溶液儲罐,只有少部分凈化廠采用全廠統(tǒng)一配制與儲存。建議有2列及以上工藝裝置的凈化廠采用全廠統(tǒng)一配制、儲存方案,可以簡化流程、減少設(shè)備數(shù)量、降低投資。

6)調(diào)節(jié)閥組的標(biāo)準(zhǔn)配置是調(diào)節(jié)閥前后有截斷閥和旁通閥,長期以來大家都這樣設(shè)計,而在現(xiàn)場實(shí)際使用過程中,很多截斷閥和旁通閥都沒有用過,因此到底有沒有必要配置截斷閥和旁通閥值得深思。建議今后設(shè)計中,對每個調(diào)節(jié)閥進(jìn)行認(rèn)真分析,若該調(diào)節(jié)閥故障停用,用旁通閥操作能否滿足要求,若不能就不設(shè)旁通閥;在不設(shè)旁通閥的情況下,調(diào)節(jié)閥停用檢修時,裝置就已停產(chǎn),若此時有無截斷閥對檢修的隔斷都無影響,此時就可以不設(shè)截斷閥。由此,建議高壓差的調(diào)壓放空閥,脫硫、脫水的吸收塔的液位調(diào)節(jié)閥,硫黃回收的空氣、酸氣調(diào)節(jié)閥,再熱爐的燃料氣、空氣調(diào)節(jié)閥等不設(shè)旁通閥。建議硫黃回收的空氣調(diào)節(jié)閥、再熱爐的空氣調(diào)節(jié)閥等不設(shè)截斷閥。

7)硫黃回收裝置酸氣、空氣蒸汽加熱預(yù)熱器可以取消蒸汽入口管道上的調(diào)節(jié)閥。預(yù)熱一般采用飽和蒸汽,壓力在2.5～4.0 MPa,對應(yīng)溫度220～250 ℃,需要蒸汽預(yù)熱時,酸氣濃度較低,都希望預(yù)熱后溫度越高越好。溫度高,酸氣就可以多進(jìn)燃燒器,可以提高硫黃回收率。因此,不需要精確控制酸氣、空氣預(yù)熱后的溫度,不需要調(diào)節(jié)閥。

8)硫黃回收裝置產(chǎn)生相同壓力蒸汽、換熱管長度差異不太大的過程氣冷凝冷卻器可以多級合并為一臺,這樣可以減少鍋爐給水管道及控制系統(tǒng)。

1.4 合理選用設(shè)備、閥門

1)脫硫吸收塔壓力高,一般壁厚都比較厚,塔直徑對塔的投資影響很大。采用高效塔盤可以減小塔直徑,雖然高效塔盤價格較貴,但有時還是可以明顯降低投資,需要根據(jù)具體項目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比。因此,建議對于壓力較高、直徑較大的脫硫吸收塔,應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比以確定是否采用高效塔盤。

2)脫硫或尾氣處理的貧富液換熱器以前都是選用管殼式換熱器,10多年前,在引進(jìn)工藝包時,外方提出采用板式換熱器。板式換熱器具有體積小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn),最初在小型裝置上使用,效果比較好,富液進(jìn)再生塔的溫度提高3 ℃左右。后來在大型裝置上使用,多個項目出現(xiàn)板式換熱器大法蘭面泄漏、振動或管口撕裂泄漏等問題,由于板式換熱器板片之間的間隙小,容易堵塞,進(jìn)口都需設(shè)過濾器,并設(shè)置備用換熱器,可以輪換清洗,以滿足長周期運(yùn)行的需要,由此造成采用板式換熱器的投資遠(yuǎn)大于采用管殼式換熱器的投資,而管殼式換熱器的故障率非常低。因此,建議貧富液換熱器選用管殼式換熱器[3]。

3)脫硫貧液泵可以采用進(jìn)口泵,也可以采用國產(chǎn)泵。進(jìn)口泵質(zhì)量及性能較好,但價格昂貴,配件采購成本高且周期長。而國產(chǎn)泵價格便宜,也可以按API 610生產(chǎn),性能基本能滿足要求,配件易得且便宜,但質(zhì)量參差不齊。從現(xiàn)場操作人員反饋的信息來看,在滿足使用要求的情況下,操作人員更愿意使用國產(chǎn)泵。因此,建議排量低于200 m3/h的貧液泵采用國產(chǎn)泵,排量高于200 m3/h或帶水力透平的貧液泵可采用進(jìn)口泵。

4)分子篩脫水的切換閥以前常用進(jìn)口軌道球閥,近幾年開始采用國產(chǎn)球閥,從使用效果看,國產(chǎn)球閥目前尚未發(fā)現(xiàn)有問題,而進(jìn)口軌道球閥的價格是國產(chǎn)球閥的幾倍。因此,建議分子篩脫水的切換閥盡可能采用國產(chǎn)球閥,以節(jié)約投資。

5)硫回收主風(fēng)機(jī)是硫黃回收裝置的關(guān)鍵設(shè)備,其性能的好壞決定了硫黃回收裝置操作的可靠性和穩(wěn)定性。目前大量裝置采用的是進(jìn)口風(fēng)機(jī),僅少量小規(guī)模的裝置采用國產(chǎn)風(fēng)機(jī),國產(chǎn)風(fēng)機(jī)基本是為污水處理設(shè)計的,可靠性相對較差。因此,建議規(guī)模小于50 t/d的硫黃回收裝置可以采用國產(chǎn)風(fēng)機(jī),規(guī)模大于50 t/d的硫黃回收裝置采用進(jìn)口或國外品牌風(fēng)機(jī)。

1.5 施工圖采用多專業(yè)協(xié)同三維設(shè)計

多專業(yè)協(xié)同三維設(shè)計,各專業(yè)在同一平臺下工作,設(shè)計內(nèi)容實(shí)時同步更新,使專業(yè)之間銜接更加緊密,可保證模型的準(zhǔn)確性;通過三維空間碰撞檢查,可以避免各專業(yè)互相碰撞,以保證設(shè)計成果的正確性,通過自動統(tǒng)料,保證開列材料數(shù)量的準(zhǔn)確性;可以獲取大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化移交,可形成智能油氣田大數(shù)據(jù)基礎(chǔ),為智能油氣田建設(shè)提供強(qiáng)大的信息數(shù)據(jù)支持[4-5]。

1.6 多方聯(lián)合審查三維模型

1.7 推廣模塊化設(shè)計

模塊化建設(shè)模式是根據(jù)工程的工藝特點(diǎn)和功能要求,將整個工程分割成若干個模塊進(jìn)行設(shè)計,在制造廠進(jìn)行模塊制造、預(yù)組裝及初步調(diào)試,再將模塊運(yùn)送到項目現(xiàn)場進(jìn)行安裝、調(diào)試并投產(chǎn)運(yùn)行。模塊的制造可在某個地區(qū)某個制造廠進(jìn)行,也可在不同國家或地區(qū)的多個制造廠實(shí)施。模塊化建設(shè)是新興的建設(shè)模式,由于優(yōu)點(diǎn)突出,給工程建設(shè)帶來了許多好處,是目前國際工程上較常采用的建設(shè)模式。模塊化建造技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的工程技術(shù),具有下列優(yōu)勢[6-9]:

1)提高施工效率。模塊化建設(shè)是一種工廠預(yù)制最大化、現(xiàn)場施工最小化的方法。項目實(shí)施的過程,把大量的工程建造放在制造廠內(nèi)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)工廠化的批量作業(yè),提高了焊接的速度和效率,縮短了工程建設(shè)周期。

模塊在建造過程中,設(shè)備、管道、鋼結(jié)構(gòu)的焊接和預(yù)制以及模塊的預(yù)組裝,均在室內(nèi)進(jìn)行,避免施工過程受到天氣影響;且室內(nèi)施工條件較舒適,也提高了工人的工作效率。

3)降低安全風(fēng)險。模塊建造的結(jié)構(gòu)和管道的預(yù)制工作基本都在地面進(jìn)行,最大程度地減少了高空作業(yè),減少了安裝工人高空作業(yè)量和高空作業(yè)時間,也減少了現(xiàn)場大量交叉作業(yè),這樣就降低了高空作業(yè)風(fēng)險,簡化了現(xiàn)場的安全管理工作,降低了安全風(fēng)險。

表2 廠站模塊化建設(shè)取得效果統(tǒng)計

項目名稱模塊數(shù)量/個預(yù)制率/()減少占地面積/()縮短施工周期/()磨溪龍王廟天然氣凈化廠542854143萬州凈化廠硫黃回收裝置40852030巴基斯坦NAIMAT PHASE 5A & 5B56802520坦桑尼亞Mnazi Bay和Songo Songo氣田開發(fā)項目81831515哈薩克斯坦奇姆肯特硫黃回收項目19902025山西大同LNG項目44702520

2 優(yōu)化設(shè)計降低能耗

2.1 脫硫裝置

2)貧/富液換熱器中富液的換熱終溫可適當(dāng)取高值,以增加換熱量,減少重沸器的蒸汽耗量[10]。

3)將脫硫裝置的閃蒸汽回收用作燃料氣,以降低燃料氣消耗[10]。

4)盡量使用空冷,減少循環(huán)水用量。一般采用空冷+水冷的能耗是只采用空冷的能耗的1.5倍左右;因此,貧液冷卻器和酸氣冷卻器宜優(yōu)先采用空氣冷卻器。為減少在氣溫低或負(fù)荷減少時的能耗,宜采用停開部分空氣冷卻器風(fēng)機(jī)或采用變頻調(diào)節(jié)的措施[10-12]。

5)設(shè)置胺液凈化設(shè)施。

6)回收脫硫裝置大修時設(shè)備首次清洗水用作MDEA溶液循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)充水,可有效減少凝結(jié)水的消耗及污水量,降低能耗[10]。

2.2 脫水裝置

1)當(dāng)有中壓蒸汽可利用時,脫水富甘醇再生可采用蒸汽加熱[10]。

2)甘醇吸收法脫水工藝中,若氣提氣用量較大,可將含水氣提氣回收利用[10]。

3)脫水裝置在貧液循環(huán)泵前設(shè)置貧/富液換熱器,可有效回收部分熱量,減少貧液冷卻的循環(huán)冷卻水用量和富液再生的燃料氣耗量,降低能耗[10]。

4)將脫水裝置的閃蒸氣回收用作燃料氣,以降低燃料氣消耗[10]。

2.3 硫黃回收裝置

1)當(dāng)工廠設(shè)有2.5 MPa及以上中壓蒸汽系統(tǒng)時,宜利用主燃燒爐高溫過程氣的熱量,在余熱鍋爐中發(fā)生中壓蒸汽,經(jīng)過熱后進(jìn)入全廠中壓蒸汽系統(tǒng)。中壓蒸汽先作為動力用汽,驅(qū)動主風(fēng)機(jī)或脫硫溶液循環(huán)泵,再作為加熱用汽,以提高余熱的利用效率[10]。

2)設(shè)置克勞斯?fàn)t熱啟動程序,在克勞斯?fàn)t爐溫800 ℃以上時,直接引入酸性氣,恢復(fù)硫黃回收裝置生產(chǎn),可縮短硫黃單元恢復(fù)生產(chǎn)的時間[13]。

a)合理選擇設(shè)備和管道的規(guī)格,降低裝置壓力降,在此基礎(chǔ)上正確選擇風(fēng)機(jī)類型及出口壓力,富裕量要合適。

b)用蒸汽透平驅(qū)動。

c)優(yōu)化主風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)手段,在滿足主風(fēng)機(jī)出口壓力一定的情況下,根據(jù)燃燒爐的用風(fēng)量,通過調(diào)節(jié)主風(fēng)機(jī)入口的調(diào)節(jié)閥滿足風(fēng)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行情況下,當(dāng)接近風(fēng)機(jī)的喘振點(diǎn)時,開啟風(fēng)機(jī)出口放空閥,確保風(fēng)機(jī)不進(jìn)入喘振點(diǎn)。盡量減少空氣的放空,可大大降低能量浪費(fèi)。對于采用電機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī),還可嘗試采用變頻控制。

4)當(dāng)有中壓蒸汽可利用時,硫黃回收過程氣再熱可采用蒸汽加熱。

2.4 尾氣處理裝置

2)急冷水、貧液和酸性氣的冷卻應(yīng)優(yōu)先采用空冷[12]。

4)優(yōu)化尾氣焚燒爐溫度。焚燒爐溫度一般控制在540～800 ℃。低于540 ℃時COS不能完全焚燒;高于800 ℃時對完全焚燒影響已不大,但燃料氣耗量會大大增加[14]。

5)回收尾氣焚燒余熱。設(shè)置焚燒爐余熱鍋爐及蒸汽過熱器,將煙氣溫度降到300 ℃,可最大限度地回收排放廢氣中的熱量,提高裝置的能量回收率[15]。

6)將酸水汽提后的汽提水用作循環(huán)水裝置的補(bǔ)充水,減少新鮮水用量[10]。

2.5 其它

1)根據(jù)全廠蒸汽量的平衡,中壓、低壓蒸汽宜實(shí)現(xiàn)梯級利用,合理利用裝置自產(chǎn)蒸汽,溶液循環(huán)泵、主風(fēng)機(jī)、中壓鍋爐給水泵、循環(huán)水泵可采用背壓式蒸汽透平驅(qū)動。蒸汽透平排出的背壓蒸汽經(jīng)減溫后進(jìn)入低壓蒸汽系統(tǒng),向重沸器及其他需熱點(diǎn)供熱,將大大降低電耗量[10]。

2)盡可能回收蒸汽凝結(jié)水,并采用閉式凝結(jié)水回收系統(tǒng)進(jìn)行回收,提高凝結(jié)水回收壓力,減少凝結(jié)水二次蒸發(fā)損失,提高回收率。同時提高了鍋爐給水溫度,可減少鍋爐的燃料氣消耗,增加硫黃回收裝置的蒸汽產(chǎn)量。由于凝結(jié)水壓力較高,鍋爐給水泵的電耗相應(yīng)有所減少[10,16]。

3)單臺功率在200 kW及以上的電動機(jī),宜采用高壓電動機(jī),如選用10 kV電動機(jī)[10]。

3 結(jié)論

降本增效涉及項目全生命周期,但工程設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié),可以通過優(yōu)化設(shè)計降低投資與能耗。設(shè)計質(zhì)量的好壞會極大地影響項目的經(jīng)濟(jì)效益,要嚴(yán)把設(shè)計質(zhì)量關(guān)。方案論證要有足夠的工期,充分地進(jìn)行專家論證,不能匆忙做決策。初步設(shè)計和施工圖設(shè)計也應(yīng)有合理的工期,避免因趕工期而影響設(shè)計質(zhì)量,要通過精細(xì)化設(shè)計,提高設(shè)計質(zhì)量,為項目降本增效打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。