天然氣凈化中影響裝置能耗工藝參數(shù)的分析

白 聰

(1 天津市大和勞務(wù)服務(wù)有限責(zé)任公司，天津 300457； 2 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津 300457)

長(zhǎng)慶氣田第三凈化廠于2003年建成天然氣凈化裝置一套，目的是脫除天然氣中的CO2和H2S，其中凈化裝置采用傳統(tǒng)的吸收再生工藝，設(shè)計(jì)能力300×104Nm3/d，設(shè)計(jì)采用美國(guó)DOW化學(xué)公司生產(chǎn)的50%(wt)的配方溶液進(jìn)行脫硫和脫碳。

長(zhǎng)慶氣田第三凈化廠凈化裝置工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)慶氣田第三凈化廠凈化裝置工藝流程示意圖(優(yōu)化后)

目前因上游氣質(zhì)及產(chǎn)量的變化，原料天然氣中CO2和H2S含量及處理量均有一定程度上的波動(dòng)，裝置能耗較大，為降低裝置能耗，確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，并找出影響裝置能耗最大的關(guān)鍵參數(shù)。

1 裝置主要運(yùn)行參數(shù)分析

該裝置處理量為300×104Nm3/d，操作彈性為80%～120%，進(jìn)料氣壓力為5500 kPa，溫度為30 ℃，年開(kāi)工天數(shù)為330天。進(jìn)料氣組成如表1所示。

表1 進(jìn)料氣組成

在滿足凈化效果的工藝要求的前提下，需要對(duì)影響裝置能耗的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，而裝置的能耗包括再沸器、泵、冷凝器、冷卻器四個(gè)設(shè)備的能耗，影響能耗的參數(shù)有吸收塔和再生塔的理論塔板數(shù)、再生塔壓力、再生塔回流比、胺液循環(huán)量以及胺液中DEA和MDEA的比例、原料氣入塔溫度和壓力等。對(duì)于給定的凈化工藝系統(tǒng)，吸收塔和再生塔的物質(zhì)交換能力是給定的，即吸收塔和再生塔的塔板數(shù)是一定的。因此本論文選擇這幾個(gè)分析目標(biāo)是在滿足凈化要求的條件下，在實(shí)際生產(chǎn)能夠在節(jié)能降耗得到一定的指導(dǎo)。

通過(guò)對(duì)流程分析，裝置中可調(diào)整優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量有:胺液循環(huán)量、胺液配比、原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、回流比、節(jié)流閥出口壓力。其表2列出了對(duì)脫酸單元能耗有影響的變量。

表2 可調(diào)變量表

為明確流程中工藝參數(shù)對(duì)裝置能耗的影響，進(jìn)而找到優(yōu)化變量，現(xiàn)對(duì)可調(diào)變量對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響進(jìn)行分析。

1.1 胺液配比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在生產(chǎn)工藝中確定混合胺液的MDEA和DEA配比時(shí)，需要考慮裝置的腐蝕程度裝置的腐蝕程度，DEA腐蝕性比MDEA強(qiáng)。因此本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[1]取得以下五種胺液配比來(lái)分析對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響，從中確定一組較優(yōu)的配比，如表3所示。

表3 胺液DEA與MDEA的配比

在滿足凈化要求的條件下，根據(jù)以上胺液配比作出對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響的變化關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 不同胺液配比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的變化曲線圖

由圖2可以看出，泵、冷凝器和冷卻器的能耗隨著DEA量的減少，MDEA量的增加變化趨勢(shì)不大，趨于直線。而再沸器的能耗則是在DEA量從25%到21%是直線下降的趨勢(shì)，從1024577073 kJ/h降低到59086801.6 kJ/h，減少了965490271.4 kJ/h，折合成功耗為2.703×105kW。從21%到17%有小幅度降低，從59086801.6 kJ/h降低到28168600.7 kJ/h，減少了30918200.9 kJ/h，折合成功耗為8657 kW；從17%以下基本上為直線。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，DEA的含量一般控制在10%～13%，因此可取DEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，MDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的混合胺液作為吸收劑。以下因素分析是基于該配比進(jìn)行。

1.2 貧胺液循環(huán)量對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設(shè)定貧液循環(huán)量的初值為2000 kmol/h，以100 kmol/h為步長(zhǎng)，在2000～3800 kmol/h范圍內(nèi)變化，研究貧液循環(huán)量對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進(jìn)行分析，其變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 貧胺液循環(huán)量對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的變化曲線圖

由圖3可以看出，泵和塔頂冷凝器的能耗隨著循環(huán)量的增加變化不大。而再沸器和貧液冷卻器的能耗有明顯的變化趨勢(shì)。當(dāng)貧液循環(huán)量由2000 kmol/h變化到3800 kmol/h時(shí)，其他設(shè)備的能耗變化如表4所示。

表4 貧胺液循環(huán)量對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

可見(jiàn)在研究的范圍內(nèi)，相較于對(duì)泵和塔頂冷凝器能耗的影響，循環(huán)量對(duì)再沸器和貧液冷卻器的能耗影響非常大。

1.3 原料氣入塔溫度對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設(shè)定原料氣入塔溫度的初值為25 ℃，以1 ℃為步長(zhǎng)，在25～40 ℃范圍內(nèi)變化，研究原料氣入塔溫度對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進(jìn)行分析，其變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 原料氣入塔溫度對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖4可以看出，泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗隨著原料氣入塔溫度的增加變化不大，循環(huán)冷卻器的能耗僅有一定的變化。具體變化情況如表5所示，在研究的范圍內(nèi)，原料氣入塔溫度對(duì)泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗影響很小，可以忽略。對(duì)循環(huán)冷卻器的能耗的影響也不大，僅為895.90 kW。

表5 原料氣入塔溫度對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.4 原料氣入塔壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設(shè)定原料氣入塔溫度的初值為5500 kPa，以50 kPa為步長(zhǎng)，在5500～6000 kPa范圍內(nèi)變化，研究原料氣入塔壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進(jìn)行分析，其變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 原料氣入塔壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖5可以看出，泵、塔頂冷凝器、再沸器以及循環(huán)冷卻器的能耗隨著原料氣入塔溫度的增加變化不大，從以表6實(shí)際數(shù)據(jù)可知，在研究的范圍內(nèi)，原料氣入塔壓力對(duì)泵、塔頂冷凝器、再沸器以及冷卻器的能耗影響很小，可以忽略。

表6 原料氣入塔壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.5 再生塔回流比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設(shè)定再生塔回流比的初值為0.3，以0.1為步長(zhǎng)，在0.3～0.8范圍內(nèi)變化，研究再生塔回流比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進(jìn)行分析，其變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 再生塔回流比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖6可以看出，泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗隨著再生塔回流比的增加變化不大，循環(huán)冷卻器的能耗僅有一定的變化。具體變化情況如表7所示，在研究的范圍內(nèi)，再生塔回流比對(duì)泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗影響很小，可以忽略。而對(duì)循環(huán)冷卻器的能耗的影響也不大，僅為895.90 kW。

表7 再生塔回流比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.6 節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設(shè)定節(jié)流閥出口壓力的初值為200 kPa，在200～300 kPa變化范圍，以10 kPa為步長(zhǎng)；在300～600 kPa變化范圍，以50 kPa為步長(zhǎng)，研究節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進(jìn)行分析，其變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖7 節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在分析節(jié)流閥出口壓力對(duì)能耗分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以300 kPa為節(jié)點(diǎn)，300 kPa以上的出口壓力，尤其是600 kPa以上對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響差別不大，特別是對(duì)冷凝器和泵的影響的變化趨勢(shì)幾乎為直線。因此本文下限取值為600 kPa。而在300 kPa以下的節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響較為顯著，隨著出口壓力的增加，再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗逐漸增加，表現(xiàn)突出的是對(duì)再沸器和冷卻器能耗的影響。如由圖7所示，具體變化情況如表8所示，在研究的范圍內(nèi)，節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器和冷卻器的能耗影響較大，分別為1264.71 kW和1249.61 kW。對(duì)塔頂冷凝器以及泵的能耗影響很小，可以忽略。

表8 節(jié)流閥出口壓力對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

2 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)于混合胺溶液來(lái)說(shuō)，不同的胺液配比的醇胺液作為吸收劑時(shí)，對(duì)再生塔的功耗影響很大，勢(shì)必要控制DEA的含量在10%～13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

(2)在確定的胺液配比的條件下，通過(guò)對(duì)貧液循環(huán)量、原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、節(jié)流閥出口壓力以及回流比對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響進(jìn)行分析，得出貧液循環(huán)量是對(duì)再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響最大的因素，因此在要實(shí)際操作中，一定要控制貧液循環(huán)量。其次是節(jié)流閥出口壓力和再生塔回流比。