三甘醇脫水工藝問題分析及對策

李治鵬，楊洋，谷卓然，朱超，李長春，向春林，張文

(中國石化西南油氣分公司 廣元天然氣凈化公司，四川 廣元 628000)

中石化廣元天然氣凈化有限公司2014年底建成投產(chǎn)[1]，以高壓、高含硫天然氣為原料，2019年全年累計處理4.08×109m3原料天然氣(簡稱原料氣)。該公司有4套含硫天然氣凈化聯(lián)合裝置，每套裝置由脫硫、脫水、硫磺回收等單元構(gòu)成[2]。單套聯(lián)合裝置設計處理量為3×106m3/d，硫磺回收量達80 kt/a[3]。若天然氣中含水量太大會造成管網(wǎng)腐蝕和降低管道壓力等異常情況，從而影響天然氣長距離輸送的安全[4]。因此對天然氣中的含水量，即水露點有嚴格要求，夏季天然氣水露點不高于-10 ℃，冬季水露點不高于-15 ℃，所以經(jīng)過脫硫后的濕凈化氣需要進一步深度脫水以滿足長距離輸送需要[5]。根據(jù)物料特性和工藝對比，該公司選擇三甘醇(TEG)工藝為天然氣的脫水工藝。

1 天然氣脫水工藝簡述

目前，國內(nèi)外使用的天然氣脫水工藝主要有冷凍分離法、分子篩吸附法、懸離分離法[6]和TEG溶劑吸收法[7-8]，而TEG溶劑吸收法由于工藝成熟，安全高效、易再生等優(yōu)勢，已成為世界上普遍采用的天然氣脫水工藝[9]。TEG脫水工藝流程如圖1所示，自脫硫單元來的濕凈化氣從底部進入脫水塔，與TEG逆流接觸，TEG吸收濕凈化氣中的水分，脫水后的天然氣即可輸送至銷售管網(wǎng)。為實現(xiàn)TEG的循環(huán)使用，將吸水后TEG的富液通過換熱升溫到約175 ℃后進入溶劑再生塔，再經(jīng)過汽提塔后汽提氣進一步汽提純化，最終得到質(zhì)量分數(shù)大于99.5%的貧TEG液體。脫水單元通過DCS實現(xiàn)對塔器等設備的液位、壓力、溫度等[10]參數(shù)的控制，通過SIS實現(xiàn)緊急停車和安全聯(lián)鎖保護。

2 脫水單元控制措施

該公司脫水單元DCS主要由控制站、操作站、工程師站以及輔助機柜等組成，是該公司自動化生產(chǎn)的核心。脫水塔操作壓力約為5.7 MPa，閃蒸罐和TEG再生系統(tǒng)的操作壓力約為0.4 MPa，為防止高壓竄低壓，脫水塔的液位須嚴格控制。由脫水塔液位控制器LIC-101和控制閥LV-101組成脫水塔液位調(diào)節(jié)回路控制。當脫水塔液位超出或低于正常值時，液位控制器LIC-101輸出信號，LV-101閥位開度增大或調(diào)小，控制TEG富液流量達到控制液位的目的。為了避免脫水塔液位過低，發(fā)生高壓天然氣竄入閃蒸罐，在脫水塔富液出口管線液位控制閥LV-101前設置了緊急切斷閥XV-101，一旦脫水塔液位過低，XV-101閥直接關斷。

圖1 三甘醇脫水工藝流程示意

脫水單元系統(tǒng)壓力也需要嚴格控制，防止壓力過高，造成憋壓，進而影響聯(lián)合裝置的安全平穩(wěn)運行。由控制器PIC-702和控制閥PV-702組成的控制回路來控制壓力。正常生產(chǎn)時PV-701關閉，PV-702打開時，產(chǎn)品氣直接輸出聯(lián)合裝置，進入輸氣管網(wǎng)。異常情況時裝置系統(tǒng)壓力超高報警，關閉PV-702閥，開啟控制閥PV-701，將產(chǎn)品氣泄壓至高壓火炬放空，保證脫水系統(tǒng)壓力平穩(wěn)。

3 脫水單元效果評價

脫水單元采用流量和壓力控制措施后，濕凈化氣入口的流量控制在(9.6～10.6)×104m3/h，TEG循環(huán)量控制在2.9～3.1 t/h，聯(lián)合裝置脫水檢測效果見表1所列。

表1 濕凈化氣和產(chǎn)品氣各項指標對比

從表1中可以看出，TEG脫水工藝能有效地脫出濕凈化氣中的游離水，使得天然氣甲烷質(zhì)量分數(shù)為99.4%，水露點為-19 ℃，滿足設計要求。

4 存在問題分析及解決措施

由于該公司聯(lián)合裝置長時間高負荷運行，脫水單元出現(xiàn)因TEG重沸器溫度不達標導致TEG再生不合格，污染物引起TEG發(fā)泡等問題，針對以上問題進行分析并施以優(yōu)化措施。

4.1 TEG再生不合格

TEG再生不合格主要原因有再生溫度低和汽提氣用量不夠兩個方面。再生溫度低的主要原因是脫硫溶劑與TEG反應生成大量污垢，并堆積在TEG重沸器中，使TEG重沸器因大量污垢堆積而換熱效果變差，進而使TEG再生溫度達不到要求。

4.1.1脫硫溶劑的影響

正常情況下，TEG經(jīng)閃蒸后，蒸發(fā)掉大部分甲烷、乙烷等氣體，TEG富液通過再生塔頂部盤管和貧富液換熱器升溫至175 ℃，再進入TEG再生塔，通過溫度為180～204 ℃，壓力為3.8 MPa的高壓蒸汽加熱，脫除TEG中的水分和烴類。TEG富液與再生塔換熱時，冷卻再生塔頂氣態(tài)TEG以減少TEG消耗。由于裝置長時間高負荷運行及操作和設備本身等原因，脫硫單元會發(fā)生沖塔等異常情況，脫硫溶劑直接沿著濕凈化氣管路進入脫水單元與TEG混合，從而污染了TEG，特別是脫硫溶劑與TEG反應生成大量污垢粘附在管線和換熱器璧面，在重沸器中堆積大量污垢，該類物質(zhì)長時間不能排除脫水系統(tǒng)，導致TEG重沸器結(jié)垢嚴重而降低換熱效果[11-12]。重沸器中TEG溫度遠小于180 ℃，通過DCS將TEG循環(huán)量降低到2.5～2.8 t/h，再生溫度仍然處于167～170 ℃，使得TEG的質(zhì)量分數(shù)小于設計值99.5%，再生不合格，從而使產(chǎn)品氣的水露點不達標。

重沸器溫度與TEG貧液質(zhì)量分數(shù)和產(chǎn)品氣水露點之間的關系如圖2所示，研究了重沸器溫度對TEG再生效果的影響。

圖2 重沸器溫度對TEG貧液質(zhì)量分數(shù)和產(chǎn)品氣水露點的影響曲線示意

從圖2中可以看出，隨著重沸器溫度的升高，wTEG呈逐漸升高趨勢，產(chǎn)品氣水露點呈逐漸降低趨勢。這是因為TEG再生過程是一個吸熱過程，高溫有利于TEG中水分和烴類與TEG在散堆填料表面進行傳質(zhì)、傳熱反應而再生，再生效果越好，wTEG就越高，進而對濕凈化氣的脫水效果就越好，從而使得產(chǎn)品氣的水露點越低。通過DCS將溫度從166 ℃升高到168 ℃時，wTEG提升最明顯，從97.5%增加到98.75%左右。當溫度為180 ℃時，wTEG達到99.8%左右。但操作溫度不應超過TEG的降解溫度204 ℃，根據(jù)實際工況需要和能耗，該公司脫水重沸器溫度一般控制在180～204 ℃內(nèi)。

4.1.2汽提氣流量的影響

汽提氣流量對產(chǎn)品氣水露點的影響如圖3所示。

聯(lián)合裝置脫水單元使用的汽提氣為自產(chǎn)的產(chǎn)品氣天然氣，運用對汽提氣流量與產(chǎn)品氣水露點的關系曲線，得到y(tǒng)=93.32-13.74x+0.42x2關系函數(shù)。

圖3 汽提氣流量對產(chǎn)品氣水露點的影響曲線示意

從圖3中可知，隨著汽提氣流量的增加，產(chǎn)品氣的水露點逐漸降低，通過DCS將氣體流量緩慢、平穩(wěn)地從11 m3/h增加到14 m3/h，產(chǎn)品氣的水露點降低最明顯，這是因為在該階段，汽提氣與TEG的傳質(zhì)反應隨著汽提氣流量的增加而明顯增強，當汽提氣用量大于15 m3/h時，增大汽提氣量對TEG再生的效果影響不大，對產(chǎn)品氣水露點的影響較小。根據(jù)TEG再生效果和經(jīng)濟因素，汽提氣流量控制在16 m3/h左右為準。

4.2 TEG發(fā)泡

4.2.1TEG發(fā)泡原因及現(xiàn)象

由于TEG長期循環(huán)使用和自身降解，原料氣帶來的銹渣、泥土和生成的污垢等雜質(zhì)及產(chǎn)品氣霧沫夾帶等原因，TEG可能出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在脫水塔液位波動大，TEG緩沖罐液位上漲明顯，產(chǎn)品氣水露點不達標，脫水塔壓降增大等。

4.2.2防止TEG發(fā)泡措施

防止TEG發(fā)泡所采取措施主要有以下幾點：

1)充分利用DCS控制脫水塔壓力，裝置異常情況時，將控制閥改為手動控制。適當關小脫水塔出口閥，嚴格控制濕凈化氣進口流量。

2)加強脫硫單元的原料氣過濾，防止?jié)駜艋瘹庵袔敫嚯s質(zhì)。

3)控制好TEG再生溫度，嚴禁超過204 ℃，防止TEG因再生超溫而降解。

4)控制好各塔罐等設備的氮氣保護系統(tǒng)，防止保護氮氣進入脫水單元。

5 總 結(jié)

1)在處理w水為0.11%的濕凈化氣后，TEG脫水工藝能滿足天然氣長距離輸送要求，該公司外輸產(chǎn)品氣水露點為-19 ℃左右，滿足冬季水露點不高于-15 ℃，夏季不高于-10 ℃的需要。脫水重沸器溫度控制在180～204 ℃內(nèi)，能使TEG再生質(zhì)量分數(shù)達99.5%以上。

2)TEG再生不合格及原因分析表明，脫硫溶劑進入脫水單元，與TEG反應生成大量污垢并粘附在設備壁面，嚴重影響TEG在重沸器中的再生效果。通過嚴格控制脫硫單元各設備液位、壓力等參數(shù)，適當加入消泡劑等技術手段，防止脫硫單元沖塔，進而防止脫硫溶劑進入脫水系統(tǒng)而污染TEG。

3)嚴格控制汽提氣流量，從而保證TEG在汽提塔進一步純化。

4)對于TEG發(fā)泡，操作人員嚴格關注脫水塔等設備的液位變化，通過控制好TEG再生溫度，加強原料氣過濾，防止氮氣等公用介質(zhì)進入脫水單元等措施，能有效防止TEG發(fā)泡。

6 結(jié)束語

本文闡述了脫水單元工藝流程和控制系統(tǒng)以及相關問題，優(yōu)化和改進了脫水單元工藝控制系統(tǒng)。對脫水塔塔底液位控制，增加了脫水單元運行的可靠性；通過調(diào)節(jié)蒸汽循環(huán)量、汽提氣流量的措施，解決了重沸器溫度不高問題，使TEG再生效果好，產(chǎn)品濃度提高；對于存在TEG發(fā)泡現(xiàn)象，采用加強原料氣過濾以及控制氮氣進入脫水單元而解決問題。這些優(yōu)化改進提高了脫水單元的工藝性能，為裝置的長周期運行提供了保障。