工藝安全改造后對MDEA脫碳效果的提升

徐小虎，郭 偉，馬振華，林湧濤

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

南海某氣田所開采的天然氣含有H2S、CO2等酸性氣體，酸性氣體在天然氣處理、使用過程中，對人、設(shè)備、環(huán)境等均存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，必須脫除天然氣中的酸性氣體后才能保障用戶的安全使用[1]。目前通常使用的天然氣脫碳脫硫方法是使用MDEA 溶液吸收法[2]，對天然氣進(jìn)行凈化以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。某海上氣田天然氣終端處理廠配置A、B 兩套脫碳裝置，可獨(dú)立運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理原料天然氣CO2含量為4.7 %，單套脫碳裝置規(guī)模為處理能力25×108m3/a（標(biāo)況），設(shè)計(jì)適應(yīng)波動范圍為15×108m3/a～33×108m3/a。該脫碳裝置主要由吸收塔、閃蒸塔、再生塔、再生塔塔底重沸器、活性炭過濾器、貧液提升泵、溶液換熱器、貧液冷卻器等設(shè)備組成[3]，工作原理是吸收塔中從上而下的MDEA 貧液，與從吸收塔底部向上流的天然氣逆流接觸，MDEA 貧液吸收天然氣中的CO2氣體。處理后的凈化氣與部分未經(jīng)脫碳的天然氣混合，增壓后外輸至下游用戶。

1 工藝簡介及存在問題

1.1 工藝簡介

MDEA（氮-甲基二乙醇胺）分子式為CH3-N（CH2CH2OH）2，常溫常壓下為無色黏稠狀液體。相比MEA 和DEA，MDEA 分子中沒有活潑的氫原子，化學(xué)穩(wěn)定性好，與CO2接觸后不易降解變質(zhì)[4]，且腐蝕性較小。MDEA 溶液的濃度一般采用較高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（40%～50 %），這有利于減小吸收溶劑循環(huán)量，從而降低處理裝置的綜合能耗[5]。

圖1 脫碳單元工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of decarbonization unit

該天然氣終端處理廠的脫碳裝置接收海底管道大部分來氣，通過氣-氣換熱器換熱至46 ℃后進(jìn)入吸收塔下部，與MDEA 貧液接觸，MDEA 吸收原料氣中的CO2。從吸收塔底部流出的MDEA 富液經(jīng)貧液透平泵回收能量后進(jìn)入閃蒸塔，閃蒸出部分溶解的烴類氣體，經(jīng)冷卻后作為燃料氣或進(jìn)入放空系統(tǒng)。從閃蒸塔底部流出的MDEA 富液經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入再生塔上段進(jìn)行閃蒸解析，脫除部分CO2后去溶液換熱器與再生塔塔底貧液換熱升溫，經(jīng)再生塔底重沸器加熱，進(jìn)一步脫除富液中的CO2氣體后成為MDEA 貧液。熱MDEA 貧液自塔底引出，經(jīng)溶液換熱器回收熱量、貧液提升泵增壓、冷卻器冷卻后，再經(jīng)貧液泵增壓送至吸收塔上部循環(huán)使用。

再生塔頂?shù)腃O2氣體經(jīng)再生塔頂冷卻器冷卻后進(jìn)入CO2分液罐，分離出的氣相去塔頂放空或CO2回收利用裝置，液相由再生塔頂回流泵送至再生塔頂部作回流，調(diào)整再生塔頂溫度以減少M(fèi)DEA 損失[6]。流程簡圖（見圖1）。

1.2 存在問題

該脫碳系統(tǒng)MDEA 再生流程中再生塔底重沸器采用蒸汽加熱，重沸器殼程為塔底MDEA 溶液，管程為蒸汽流，蒸汽流量通過調(diào)節(jié)閥控制（流程圖見圖2）。跟蹤投用兩年后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況逐漸惡化，MDEA 再生溫度不滿足設(shè)計(jì)要求，MDEA 再生溫度平均只有95 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)105 ℃要求，在不做任何工藝參數(shù)設(shè)定調(diào)整情況下，出現(xiàn)蒸汽流量不穩(wěn)定、重沸器溫度變化大、脫碳系統(tǒng)處理效率下降、管線劇烈振動等不安全問題。

為具體分析原因，采用工藝運(yùn)行測試方案，在其他系統(tǒng)穩(wěn)定，蒸汽供給的鍋爐系統(tǒng)設(shè)定值保持680 kPaG不變，以及脫碳裝置工藝參數(shù)保持不變等條件下，鎖定熱蒸汽流量閥FV-A/B1688 開度90 %不變，大約半小時(shí)后，出現(xiàn)蒸汽流量緩慢降低（小于19 t/h），再生塔底重沸器溫度降低（95 ℃以下），再運(yùn)行約1 h 后，蒸汽流量驟增（大于30 t/h，甚至可以到達(dá)40 t/h 以上），再生塔底重沸器溫度升高，現(xiàn)場可明顯聽見蒸汽流動聲音，并且伴隨管線振動劇烈。重復(fù)鎖定FV-A/B1688 調(diào)整85 %～95 %，保持工況一定時(shí)間，均會出現(xiàn)上述不穩(wěn)定情況。相反，鎖定FV-A/B1688 開度輸出55 %，理論上因開度減小，則進(jìn)入重沸器的蒸汽流量也對應(yīng)減小，但實(shí)際蒸汽流量卻大于正常工況（25 t/h 以上）。蒸汽量的不穩(wěn)定導(dǎo)致脫碳系統(tǒng)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)增加（見表1）。

2 問題分析、優(yōu)化改造及成果

2.1 問題分析

重沸器蒸汽流量主要是由流通面積、蒸汽供給壓力與凝結(jié)水分離器的壓力差決定，從工藝現(xiàn)象分析，在原有工藝條件下，控制閥效果顯著降低，蒸汽供給壓力與凝結(jié)水分離器的壓力差對再生塔底重沸器換熱能力影響顯著?，F(xiàn)場嘗試調(diào)整凝結(jié)水分離器頂部補(bǔ)氣閥，調(diào)整蒸汽供給壓力與凝結(jié)水分離器的壓力差，尋找該壓力差和再生塔底重沸器（MDEA 再生溫度）的關(guān)系[7]，最終摸索出壓力差增加10 kPa 左右可使蒸汽流量顯著增加，同時(shí)提升再生塔底重沸器中MDEA 的再生溫度，并保持穩(wěn)定。

2.2 優(yōu)化改造

經(jīng)過對上述問題初步分析和處理，為穩(wěn)定蒸汽供給壓力與凝結(jié)水分離器的壓力差，決定通過對其中一套脫碳單元凝結(jié)水分離器處的管線進(jìn)行改造，達(dá)到提升再生塔底重沸器中MDEA 再生溫度的效果。初步分析計(jì)算，增加再生塔底重沸器與凝結(jié)水分離器高度差0.5 m～1 m，可實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水分離器壓力比改造前的壓力低5 kPa～10 kPa，從而可實(shí)現(xiàn)壓力差調(diào)整達(dá)到重沸器蒸汽流量穩(wěn)定，MDEA 再生溫度在合適范圍內(nèi)的目標(biāo)。

圖2 蒸汽流程簡圖Fig.2 Steam process diagram

表1 重沸器蒸汽流量閥不同開度測試記錄表Tab.1 Test record table for different openings of steam flow valves in reboilers

圖3 蒸汽回收系統(tǒng)整改簡圖Fig.3 Brief diagram of steam recovery system modification

具體改造過程中，首先按照ALARP 原則開展風(fēng)險(xiǎn)辨識和控制，制定施工方案[8]。將A 套脫碳系統(tǒng)原凝結(jié)水分離器液相進(jìn)口管線斷開（與凝結(jié)水分離器相連的接口用盲板連接），并將該進(jìn)口管線標(biāo)高位置下沉2 350 mm，通過三通與凝結(jié)水分離器出口管線連接在一起。原凝結(jié)水分離器的液位變送器下沉至比凝結(jié)水分離器出口管線低1 800 mm 的位置（見圖3）。

2.3 改造成果

2.3.1 脫碳系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定 凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造后，凈化裝置入口天然氣中CO2含量為4.7 %，A 套脫碳單元天然氣流量為22×104m3/h～24×104m3/h，MDEA 循環(huán)量為510 m3/h 的工況下，再生塔底重沸器溫度升至110 ℃，蒸汽流量穩(wěn)定在32 t/h；B 套脫碳單元天然氣流量為25×104m3/h，MDEA 循環(huán)量為510 m3/h的工況下，蒸汽流量波動小，效果（見表2）。

圖4 重沸器溫度Fig.4 Reboiler temperature

凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造后，A 套脫碳實(shí)現(xiàn)了重沸器溫度105 ℃的目標(biāo)（見圖4），系統(tǒng)運(yùn)行狀況明顯改善，表明改造后成果明顯。

2.3.2 抑制MDEA 溶液管道腐蝕 由于CO2溶于水后生產(chǎn)碳酸，而碳酸會與MDEA 溶液管道中碳鋼材質(zhì)發(fā)生析氫反應(yīng)，造成管線腐蝕性。通過對凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造后，重沸器操作溫度提高，MDEA 溶液中再生效果明顯改善，溶液中的CO2含量減少，MDEA 溶液管道受CO2腐蝕的作用因素得到抑制[9]。經(jīng)現(xiàn)場觀察檢測，凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造后MDEA 貧液中的鐵離子濃度呈下降趨勢（見圖5）。

圖5 改造后貧液中鐵離子濃度下降趨勢圖Fig.5 Downward trend of iron ion concentration in lean liquor after modification

2.3.3 減少泵及管道振動 凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造前，由于MDEA 溶液再生效果不佳，MDEA 貧液中的CO2含量偏高，導(dǎo)致貧液在經(jīng)過泵增壓過程中，加劇了泵的氣蝕和管線振動。改造后，隨著溶液再生效果改善，MDEA 貧液中CO2減少，貧液泵的運(yùn)行狀況好轉(zhuǎn)，泵運(yùn)行聲音趨于平穩(wěn)，泵體及連接管線的振動減小，說明離心泵氣蝕的現(xiàn)象隨著介質(zhì)里的CO2減少后得到有效抑制[10]。

3 效益分析

得益于脫碳系統(tǒng)MDEA 再生溫度的提升，MDEA再生更為徹底，單位體積MDEA 貧液吸附天然氣中CO2氣體體積增加。在工況及外輸天然氣中CO2百分比不發(fā)生改變的情況下，可以降低進(jìn)入脫碳系統(tǒng)的天然氣量[11]。另外，經(jīng)過脫碳系統(tǒng)的天然氣需要與MDEA溶液接觸脫除天然氣中的CO2氣體，導(dǎo)致脫碳系統(tǒng)出口的天然氣含有飽和水；隨著進(jìn)入MDEA 脫碳系統(tǒng)天然氣量的降低，進(jìn)入下游的天然氣含水量隨著降低，使得下游脫水單元分子篩的單位時(shí)間吸附量減少，可降低分子篩的再生頻次，從而節(jié)省了分子篩再生時(shí)對其升溫的熱媒爐的燃燒負(fù)荷，節(jié)省了熱媒爐燃料氣。經(jīng)初步計(jì)算，可節(jié)約燃料氣4×104m3/a，折合人民幣12 萬元。

表2 凝結(jié)水分離器進(jìn)口管線改造后效果表Tab.2 Effect table of modified inlet pipeline of condensate water separator

脫碳系統(tǒng)MDEA 再生溫度提升之后，酸性物質(zhì)負(fù)荷降低，設(shè)備腐蝕的幾率大大降低，檢修頻次也減少。按照已經(jīng)維修過的設(shè)備數(shù)據(jù)，檢修頻次減少可節(jié)約檢修成本15 萬元/年。

4 總結(jié)

通過對脫碳單元重沸器操作溫度不穩(wěn)定產(chǎn)生一系列問題的分析，結(jié)合現(xiàn)場操作實(shí)際，制定相應(yīng)的解決措施，實(shí)施完成后取得良好效果。能夠更深入的了解脫碳單元平穩(wěn)控制的精髓，從而能夠適應(yīng)不同處理量下的運(yùn)行工況。本文所提改造在低成本投入的前提下，實(shí)現(xiàn)MDEA 溶液再生溫度提高的目標(biāo)，同時(shí)也提高了脫碳系統(tǒng)安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性[12]，對同類問題的優(yōu)化解決有較高的參考價(jià)值。