高含硫天然氣凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)研究

譚召明

（中國石化達(dá)州天然氣凈化有限公司，四川達(dá)州 635300）

中國石化達(dá)州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠（以下簡稱普光天然氣凈化廠）是中國石化建設(shè)的首個高含硫天然氣凈化廠，設(shè)計處理能力為1.2×1010m3/a，共有6套聯(lián)合12列凈化裝置。2015年，隨著天然氣量遞減，普光天然氣凈化廠逐漸減少凈化裝置的運行數(shù)量，部分凈化裝置需要停工。為了避免停工期間設(shè)備腐蝕速度加快及能耗過大，裝置停工保護(hù)成為必然。

1 天然氣凈化裝置

天然氣集氣末站來的高含硫天然氣先進(jìn)入天然氣脫硫單元脫除幾乎所有的H2S、部分有機(jī)硫及CO2，然后進(jìn)入天然氣脫水單元進(jìn)行脫水處理，脫水后的合格凈化天然氣（產(chǎn)品氣）經(jīng)調(diào)壓、分配廠內(nèi)自用燃料氣后，至天然氣輸氣首站外輸。普光天然氣凈化廠天然氣脫硫及硫磺回收工藝流程見圖1。

圖1 普光天然氣凈化廠天然氣脫硫及硫磺回收工藝流程

天然氣脫硫單元脫硫溶劑再生產(chǎn)生的含H2S酸性氣體送至硫磺回收單元回收酸性氣中的硫元素，生產(chǎn)的液體硫磺送至硫磺成型單元固化成型，送至硫磺儲存?zhèn)}庫堆放并外銷。硫磺回收單元的尾氣送至尾氣處理單元凈化處理后，送至尾氣焚燒爐焚燒，滿足國家環(huán)保要求的煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。尾氣處理單元生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性水送至酸性水汽提單元，汽提出的酸性氣體送至尾氣處理單元凈化處理，酸性水汽提單元處理后的合格凈化水送至循環(huán)水廠循環(huán)使用。

隨著原料氣處理量的逐步降低，部分凈化裝置依次停運。停工裝置硫回收系統(tǒng)中介質(zhì)多樣，環(huán)境復(fù)雜，存在設(shè)備腐蝕、溶劑降解等問題。另外，普光氣田上下游無中間緩沖存儲裝置，天然氣凈化廠負(fù)荷調(diào)整頻繁，為實現(xiàn)高效提產(chǎn)、降產(chǎn)，部分短期停工的裝置過度保護(hù)，耗能過大。

2 凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)

高含硫天然氣凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括停工保護(hù)工藝方式的優(yōu)選和工藝參數(shù)的優(yōu)化兩方面[1]。結(jié)合實際需求以及技術(shù)開發(fā)潛力，研究對象選定為雙脫單元（脫硫、脫水）、硫磺回收單元、蒸汽系統(tǒng)以及鍋爐汽包。

2.1 雙脫單元

雙脫單元分多個區(qū)域進(jìn)行密封保護(hù)，需對相應(yīng)區(qū)域的保壓范圍作出科學(xué)設(shè)定，保證系統(tǒng)得到有效的密封，防止系統(tǒng)內(nèi)的胺液和三甘醇氧化變質(zhì)，同時避免停工保護(hù)期間氮氣過量消耗。為得到最佳的保護(hù)效果，同時降低氮氣消耗量，選取多組保壓范圍進(jìn)行保壓期間氮氣消耗量、充壓間隔時間和風(fēng)險分析的試驗，結(jié)果見表1。

表1 雙脫單元高壓區(qū)不同保壓范圍內(nèi)氮氣消耗統(tǒng)計表

對表1分析可知：雙脫單元高壓區(qū)選取的保壓上限值對氮氣消耗無明顯影響，但能延長充壓間隔時間，降低充壓頻率。因此確定該部分最高效節(jié)能的保護(hù)壓力上限值為0.6 MPa。

2.2 硫磺回收單元

2.2.1 停工期間主要危害

水是一種很好的溶劑，溶解能力極強，溶于水中的物質(zhì)可以進(jìn)行多種化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)。純凈水對設(shè)備的腐蝕性很小，但是硫磺回收單元存在催化劑、FeS、S、SO2、CO2、H2O等介質(zhì)，系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時會產(chǎn)生少量硫酸鹽及亞硫酸鹽等腐蝕產(chǎn)物，這些鹽類溶于水中形成酸性環(huán)境，加快了其對設(shè)備的腐蝕速度。

2.2.2 硫磺回收單元停工保護(hù)

為確保停工裝置得到有效保護(hù)，需將系統(tǒng)進(jìn)行氮氣置換，以保持系統(tǒng)干燥。硫磺回收單元為單一氣相系統(tǒng)，可作為一個整體對其進(jìn)行保護(hù)。采取氮氣微正壓保護(hù)可防止空氣漏入系統(tǒng)內(nèi)部。針對過程氣系統(tǒng)空間大、閥門通徑大的特點，選取密封保壓和持續(xù)補充兩種方式對系統(tǒng)密封效果進(jìn)行測試，結(jié)果見圖2和圖3[2]。

圖2 系統(tǒng)壓力隨保壓時間的變化趨勢

由圖2和圖3可以看出：采取密封保壓方式，系統(tǒng)壓力下降很快，起不到保護(hù)作用；采取低流量持續(xù)補充低壓氮氣的方式可維持系統(tǒng)處于15～20kPa微正壓狀態(tài)，能有效避免發(fā)生超壓及漏氧的風(fēng)險，同時達(dá)到低能耗、高效率的目的。

圖3 系統(tǒng)壓力隨低壓氮氣流量的變化趨勢

2.3 蒸汽系統(tǒng)

2.3.1 停工期間主要危害

1）水擊。停工期間，聯(lián)合裝置所有低壓蒸汽用戶點均關(guān)閉，管網(wǎng)內(nèi)蒸汽處于停滯狀態(tài)，管網(wǎng)蒸汽溫度逐漸降低，極易發(fā)生嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象，對蒸汽管網(wǎng)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2）管線腐蝕。管網(wǎng)內(nèi)蒸汽溫度降低后，管網(wǎng)壓力下降，空氣中的氧可能從管網(wǎng)中的放空安全閥、人孔和法蘭密封面和閥門盤根等密封點處漏入管網(wǎng)中與管網(wǎng)中冷凝的液態(tài)水相互作用，對管網(wǎng)造成嚴(yán)重的腐蝕，生成大量腐蝕產(chǎn)物，對開工時的蒸汽質(zhì)量、安全運行造成極大隱患。

3）疏水閥老化。由于停工期間管網(wǎng)內(nèi)部蒸汽流動性低，位于疏水閥前管線盲區(qū)因流動性差而造成此處部分蒸汽冷凝，導(dǎo)致疏水閥頻繁開關(guān)，大大縮短疏水閥的使用壽命。

2.3.2 選定保護(hù)方式

為防止停工期間發(fā)生上述問題，經(jīng)過技術(shù)討論分析，提出兩種保護(hù)方式：

1）用氮氣置換管網(wǎng)中的蒸汽后，采取氮氣正壓保護(hù)。

2）維持蒸汽管網(wǎng)的溫度高于露點溫度，采取蒸汽正壓保護(hù)。

氮氣正壓保護(hù)和蒸汽正壓保護(hù)的優(yōu)缺點對比見表2。

由表2可見：若使用氮氣保護(hù)，在開工準(zhǔn)備時將耗費大量的時間、蒸汽與勞動量。另外，在蒸汽管網(wǎng)正常運行時，會在管線內(nèi)壁產(chǎn)生不同程度的結(jié)垢，當(dāng)管網(wǎng)采用氮氣保護(hù)后，內(nèi)部溫度降低，垢下殘留未被置換的蒸汽將會冷凝，對管線造成一定的腐蝕；若使用蒸汽正壓保護(hù)，在開工準(zhǔn)備時無需置換，只需對停工裝置加強蒸汽管路的疏水，減少蒸汽含水量，同時控制蒸汽中的不凝氣(φ)為5%以下。雖然蒸汽正壓保護(hù)成本高于氮氣正壓保護(hù)，且無法徹底避免水擊，但從開工準(zhǔn)備成本和管路垢下腐蝕等方面考慮，普光天然氣凈化廠凈化裝置蒸汽系統(tǒng)停工期間選取蒸汽正壓保護(hù)方式。

表2 不同保護(hù)方式優(yōu)缺點對比

2.3.3 確定保護(hù)期間蒸汽流量

蒸汽流量決定了停工保護(hù)期間蒸汽管網(wǎng)的壓力與溫度，是影響蒸汽消耗量和勞動量大小的關(guān)鍵參數(shù)。

根據(jù)實際情況，在確保蒸汽品質(zhì)的條件下，通過改變蒸汽流量、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)溫度、疏水和凝結(jié)水排液間隔時間，對中壓蒸汽管網(wǎng)和低壓蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行不同界區(qū)閥位下的停工保護(hù)試驗，結(jié)果見表3～4。

表3 中壓蒸汽管網(wǎng)保護(hù)試驗數(shù)據(jù)

由表3可見：當(dāng)界區(qū)暖管線角閥閥位為5%時，蒸汽管網(wǎng)壓力為1.04 MPa，溫度為202 ℃。查水蒸氣在不同壓力下的飽和蒸汽溫度表可知，此時蒸汽過熱度為11%，發(fā)生水擊的風(fēng)險低，可滿足停工期間蒸汽管網(wǎng)保護(hù)的要求。通過對表3數(shù)據(jù)的計算，推算出此狀態(tài)下中壓蒸汽管網(wǎng)保護(hù)蒸汽流量約為 1～2 t/h。

表4 低壓蒸汽管網(wǎng)保護(hù)試驗數(shù)據(jù)

由表4可見：由于低壓蒸汽界區(qū)壓力副調(diào)節(jié)閥通徑過大，無法起到停工期間調(diào)節(jié)低壓蒸汽流量、管網(wǎng)壓力和溫度的作用。

為了準(zhǔn)確控制低壓蒸汽管網(wǎng)保護(hù)蒸汽的流量，進(jìn)行了不同閥位開度的試驗，數(shù)據(jù)見表5。

表5 蒸汽管網(wǎng)保護(hù)期間凝結(jié)水排放量試驗數(shù)據(jù)

由表5可見：不同閥位下的蒸汽消耗量和凝結(jié)水排液量相同。出于安全因素考慮，選取暖管線角閥和PV-70101B閥位的開度都為20%，可保證管網(wǎng)蒸汽具有一定的過熱度，同時防止發(fā)生水擊。通過對表5數(shù)據(jù)的計算，推算出此狀態(tài)下低壓蒸汽管網(wǎng)保護(hù)蒸汽流量約為1 t/h。

2.4 鍋爐汽包

2.4.1 停工期間主要危害

鍋爐汽包停工期間，若不采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，進(jìn)入鍋爐的氧氣會使潮濕的金屬表面產(chǎn)生氧腐蝕，給設(shè)備和管線帶來隱患和損壞。

2.4.2 解決方法

2.4.2.1 選定低壓氮氣充壓點

各中、低壓汽包均無低壓氮氣接入點，需臨時加裝低壓氮氣管線。由于各中、低壓汽包相對獨立，若單獨進(jìn)行保護(hù)需加裝5根低壓氮氣管線，存在停工期間日常管理難度大、充壓操作繁瑣、發(fā)生臨時管線脫落的風(fēng)險高等問題。

結(jié)合現(xiàn)場實際，普光天然氣凈化廠優(yōu)選充壓點，創(chuàng)新性地提出“連通式保護(hù)法”，即通過鍋爐給水管網(wǎng)，將所有中、低壓鍋爐汽包連成兩個相對獨立的系統(tǒng)：低壓鍋爐保護(hù)系統(tǒng)和中壓鍋爐保護(hù)系統(tǒng)，如此只需分別在中、低壓鍋爐給水管網(wǎng)界區(qū)各加裝1根臨時低壓氮氣管線，利用低壓氮氣置換凈化裝置鍋爐給水管網(wǎng)的鍋爐水，通過各汽包給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氮氣流量，控制其保護(hù)壓力。

2.4.2.2 設(shè)定密封保護(hù)壓力范圍

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合凈化裝置中、低壓鍋爐設(shè)計參數(shù)，設(shè)定鍋爐汽包密封保護(hù)壓力見表6。

表6 鍋爐汽包保護(hù)壓力范圍

3 凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果

在凈化裝置停工期間，每月按30 d計，停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前、后主要能耗和節(jié)省的月度運行費用見表7。

由表7可見：停工期間凈化裝置整體能耗相比于停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前大幅降低，取得了良好的節(jié)能效果，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，每月可節(jié)省運行費用199.7萬元。

表7 凈化裝置停工保護(hù)期間主要能耗和運行費用

為了避免凈化裝置停工保護(hù)期間出現(xiàn)異常情況，操作人員對采用停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)的裝置參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)控與記錄，從監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，各凈化裝置的腐蝕速率遠(yuǎn)低于設(shè)計要求0.076 mm/a。

4 結(jié)論

普光天然氣凈化廠通過對大型天然氣凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用，制定了一系列停工保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，完善了工藝卡片，有效控制了停工期間凈化裝置的能耗與腐蝕速率，取得了良好的保護(hù)效果，實現(xiàn)了凈化裝置停工高效節(jié)能保護(hù)的目標(biāo)。該凈化裝置停工保護(hù)節(jié)能技術(shù)，填補了大型天然氣凈化裝置停工保護(hù)技術(shù)的空白，可推廣至其他相同工藝設(shè)計的凈化裝置，為以后的停工保護(hù)提供有效的技術(shù)支持。