三甘醇脫水技術(shù)在元壩氣田凈化裝置中的應(yīng)用

楊洋 陳奇 李治鵬 谷卓然 葉世貴 李長春

1.中石化廣元天然氣凈化有限公司 2.中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司

元壩氣田中石化廣元天然氣凈化有限公司(以下簡稱凈化公司)是中石化繼普光氣田之后發(fā)現(xiàn)的又一超深、高壓、高溫、高含硫天然氣田——元壩氣田項目建設(shè)的重要組成部分，是中國石化西南石油局分公司實現(xiàn)盈利脫困和“雙百億氣田”建設(shè)目標(biāo)的重要支撐力量。凈化公司于2015年建成投產(chǎn)[1]，至2019年12月，已累計處理159×108m3原料天然氣，外輸133×108m3產(chǎn)品天然氣。凈化公司主要由4套聯(lián)合裝置組成，每套聯(lián)合裝置由脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理和酸水汽提等單元構(gòu)成[2]。單套聯(lián)合裝置設(shè)計處理量為：原料天然氣300×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa，下同)、濕凈化氣260×104m3/d、單質(zhì)硫產(chǎn)量8×104t/a[3]。由于產(chǎn)品氣要遠距離輸送至長江中下游，天然氣中的水分會造成管網(wǎng)腐蝕，降低管道壓力等，影響產(chǎn)品氣輸送的安全性[4-5]，故對產(chǎn)品氣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 ℃，冬季不高于-15 ℃，故濕凈化氣需要進一步進行深度脫水，以滿足遠距離輸送的要求[6]。凈化公司脫水單元采用三甘醇脫水工藝，以下主要討論了三甘醇脫水工藝在凈化公司運行5年后的脫水效果和高壓蒸汽作熱源等工藝優(yōu)化及效果，以期為同類裝置提供參考。

1 天然氣脫水工藝

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[7-8]和三甘醇(TEG)溶劑吸收法[9-13]，而TEG溶劑吸收法由于工藝簡單、成本較低、易再生等優(yōu)勢，已成為世界最普遍采用的天然氣脫水工藝[14]，凈化公司脫水單元采用TEG脫水工藝，濕凈化氣處理量為260×104m3/d。天然氣脫水單元主要設(shè)備包括：脫水塔(C-201)、閃蒸罐(D-201)、汽提塔(C-203)、再生塔(C-202)、緩沖罐(D-202)、重沸器(E-202)、貧富液換熱器(E-201)、貧液后冷器(E-203)等[15]。主要工藝流程如圖1所示。

(1) TEG脫水：自脫硫單元來的濕凈化氣從脫水塔(C-201)下部進入，與自上而下的TEG逆流接觸，TEG吸收濕凈化氣中的飽和水，脫水后的天然氣產(chǎn)品氣輸送至管網(wǎng)。

(2) TEG再生：TEG吸水后成為三甘醇富液，通過換熱升溫到175 ℃后進入溶劑再生塔(C-202)再生，再經(jīng)過汽提塔(C-203)進一步提純，最后得到質(zhì)量分數(shù)為99.5%以上的貧TEG溶劑。脫水單元通過分散控制系統(tǒng)(DCS)實現(xiàn)對塔器等設(shè)備的液位、壓力、溫度等參數(shù)的控制[16]，通過安全儀表系統(tǒng)(SIS)進行緊急停車和安全聯(lián)鎖保護。

2 原理分析

2.1 TEG脫水原理

TEG脫水原理主要是利用水和甲烷在TEG中溶解度的不同[17]。由于一分子TEG中含有兩分子羥基，羥基上的氧原子能與水分子的氫原子形成氫鍵(如圖2所示)。此外，TEG和水都是極性分子，根據(jù)相似相容原理，水分子更容易溶于TEG中，而甲烷呈正四面體結(jié)構(gòu)，為非極性分子，甲烷在TEG中的溶解性極低。TEG物性參數(shù)見表1。

2.2 三甘醇脫水工藝控制原理

凈化公司脫水單元采用艾默生公司生產(chǎn)的DCS控制系統(tǒng)，主要由控制站、操作站、工程師站以及輔助機柜等組成。由于脫水塔(C-201)的操作壓力(G，下同)一般為5.7 MPa，而閃蒸罐(D-201)和TEG再生系統(tǒng)的操作壓力為0.4 MPa，為防止高壓竄低壓，脫水塔的液位需通過調(diào)節(jié)閥(LV-20201)與脫水塔液位控制器(LIC-20201)組成的調(diào)節(jié)回路嚴格控制。為了避免脫水塔液位過低，在脫水塔塔底TEG出口管線上的液位調(diào)節(jié)閥(LV-20201)前設(shè)置了緊急關(guān)斷閥(XV-20101)，一旦脫水塔液位過低而發(fā)生竄壓，緊急關(guān)斷閥閥位輸出信號為0，直接關(guān)斷，保證脫水塔與閃蒸罐之間的安全聯(lián)鎖關(guān)斷，控制原理如圖3所示。

表1 TEG物性參數(shù)名稱溶解性外觀沸點/℃分子量冰點/℃密度(20 ℃)/(kg·m-3)黏度/cpTEG與水、乙醇等混溶無色無臭有吸濕性黏稠液體287.4150.2-7.21 12447.8

除了脫水塔液位，脫水單元系統(tǒng)壓力也需嚴格控制，防止系統(tǒng)壓力過高而憋壓,進而影響聯(lián)合裝置的安全平穩(wěn)運行。DCS系統(tǒng)通過由控制器PIC-20701、調(diào)節(jié)閥PV-20702和PV-20701組成的控制回路進行壓力控制。一旦發(fā)生異常情況導(dǎo)致裝置系統(tǒng)壓力超高，調(diào)節(jié)閥PV-20701開啟，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 脫水效果及工藝優(yōu)化

3.1 脫水效果

脫水單元運行5年后(含一次大檢修)，對第二聯(lián)合裝置脫水效果進行測試，濕凈化氣流量控制在9.6×104～10.6×104m3/h，TEG循環(huán)量控制在2.90～3.1 t/h。

表2 濕凈化氣和產(chǎn)品氣各項指標(biāo)對比表常檢測項y(CO2)/%ρ(H2S)/(mg·m-3)ρ(COS)/(mg·m-3)ρ(甲硫醇)/(mg·m-3)ρ(乙硫醇)/(mg·m-3)ρ(丙硫醇)/(mg·m-3)y(H2O)/%y(CH4)/%實際值濕凈化天然氣0.190.832.73.6<0.1<0.10.0999.30產(chǎn)品天然氣0.15<0.130.13.0<0.1<0.1水露點:-19 ℃99.55設(shè)計值2.006.0水露點:夏季-10 ℃,冬季-15 ℃97.86

從表2中可以看出，采用三甘醇脫水工藝能有效脫除濕凈化氣中的水分，產(chǎn)品氣水露點為-19 ℃，遠低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。此外，天然氣中的甲硫醇、乙硫醇等有機硫含量也有所下降，表明三甘醇對有機硫也有一定的吸收作用[18]。

3.2 工藝優(yōu)化

凈化公司在設(shè)計脫水單元時，對工藝設(shè)備進行了優(yōu)化，優(yōu)化方案包括：①以自產(chǎn)中壓蒸汽為TEG再生塔重沸器熱源；②富液未經(jīng)加熱直接閃蒸；③TEG貧液后冷器改為板式換熱器。以下對3種工藝優(yōu)化方案的應(yīng)用效果進行分析。

3.2.1中壓蒸汽做熱源

大部分天然氣凈化廠TEG再生系統(tǒng)的熱源是火管式重沸器，用燃料氣直接加熱富TEG?；鸸苁街胤衅鞔嬖跍囟瓤刂齐y度大、單火嘴模式向多火嘴模式切換時容易導(dǎo)致在燃火嘴熄滅等問題[19]。此外，一旦天然氣過濾器的過濾性能降低，原料氣與TEG貧液接觸脫水后，天然氣攜帶的無機鹽等物質(zhì)進入再生系統(tǒng)并附著在火管表面，造成火管表面結(jié)垢，降低火管傳熱效率，發(fā)生火管受熱不均和腐蝕穿孔現(xiàn)象。重慶沙坪氣田曾因火管結(jié)垢嚴重而發(fā)生受熱不均和腐蝕穿孔現(xiàn)象[20]。為了避免以上問題，凈化公司采用硫磺回收和尾氣處理單元自產(chǎn)3.8 MPa的中壓蒸汽為熱源，自產(chǎn)蒸汽為熱源具有能量利用率高、溫度受控良好、不會出現(xiàn)局部過熱、調(diào)節(jié)簡便等優(yōu)點。凈化公司中壓蒸汽式TEG重沸器主要參數(shù)如表3所列，中壓蒸汽走管程，富TEG走殼程，實現(xiàn)能量交換。

為了保證富TEG在重沸器中再生合格和防止高溫降解，TEG重沸器的溫度必須嚴格控制在190～200 ℃，故需對蒸汽流量進行監(jiān)控。凈化公司裝置蒸汽流量對TEG重沸器溫度的影響見圖4。

表3 中壓蒸汽式TEG重沸器設(shè)計參數(shù)一覽表名稱位號操作介質(zhì)溫度/℃管程殼程管程(表壓3.8 MPa)殼程進出進出材質(zhì)TEG重沸器E-202蒸汽富TEG234234158204Q245R

隨著凈化設(shè)備的逐漸老化，換熱效果降低，TEG重沸器蒸汽用量的設(shè)計值不能滿足實際生產(chǎn)需要，故在目前裝置的實際情況下，研究了蒸汽用量與TEG重沸器溫度之間的關(guān)系，并利用軟件Origin8.5擬合了蒸汽用量對TEG重沸器溫度的影響曲線，得到了Y=-1 040+4.45X-0.004X2的曲線方程，可幫助員工在裝置負荷大幅下降或增加的情況下，提前預(yù)判蒸汽用量，保證TEG再生系統(tǒng)運行平穩(wěn)。根據(jù)方程Y=-1 040+4.45X-0.004X2，可以得到當(dāng)TEG重沸器溫度為190～200 ℃、TEG循環(huán)量約3 t/h時，嚴格控制蒸汽用量為529～549 kg/h，即可滿足裝置再生要求。

3.2.2直接閃蒸工藝

在傳統(tǒng)天然氣凈化工藝中，天然氣脫硫工藝精度低，使得天然氣中含有少量H2S和CO2等酸性氣，天然氣脫水時酸性氣將被帶入TEG中，為了防止H2S進入并腐蝕TEG再生塔等設(shè)備和導(dǎo)致TEG發(fā)泡等，富TEG需先經(jīng)過閃蒸除去H2S等酸性氣后進行溶劑再生。因為H2S和CO2等酸性氣較CH4、C2H6的組分重，沸點高，為了提高富TEG的閃蒸效果，TEG需經(jīng)過再生塔塔頂加熱后進行閃蒸，有效去除H2S、CO2等重組分。凈化公司的天然氣首先經(jīng)過脫硫，脫硫后的天然氣中H2S質(zhì)量濃度小于0.1 mg/m3，富TEG幾乎不含H2S，而CH4、C2H6等為輕組分，沸點低，故凈化公司采用未加熱直接閃蒸工藝除去富TEG中的CH4、C2H6等，在一定程度上降低了能耗。TEG循環(huán)量約為3 t/h，閃蒸氣組成見表4，TEG再生前后質(zhì)量分數(shù)見表5。

表4 閃蒸氣組成閃蒸氣組分y/%閃蒸氣流量/(m3·h-1)甲烷90.50乙烷0.14氮氣8.72二氧化碳0.64221

表5 TEG再生前后質(zhì)量分數(shù)項目TEG質(zhì)量分數(shù)/%水質(zhì)量分數(shù)/%富TEG96.93.1貧TEG99.70.3貧TEG設(shè)計值≥99.5≤0.5

從表4可以看出，富TEG經(jīng)過閃蒸工藝(系統(tǒng)壓力從5.7 MPa迅速降至0.4 MPa，大量富TEG中的大量甲烷、乙烷等氣體被閃蒸出來，為TEG再生系統(tǒng)減負。由表5可知，閃蒸后的富TEG經(jīng)過溫度為190～204 ℃的再生系統(tǒng)，TEG質(zhì)量分數(shù)從96.9%提升至99.7%，滿足不低于99.5%的設(shè)計值要求，表明直接閃蒸工藝簡化后，脫水效果仍然良好。

3.2.3TEG貧液后冷器采用板式換熱器

管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低等優(yōu)點[21]，故許多天然氣凈化廠將TEG貧液后冷器設(shè)計為管殼式換熱器，但是由于長期高負荷運行、負荷波動大和操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，?dǎo)致管殼式換熱器結(jié)垢嚴重、水垢難以處理、不利于傳熱等?？死?氣田曾因管殼式換熱器結(jié)垢使得換熱效果變差，貧TEG入泵溫度超標(biāo)并導(dǎo)致貧溶劑泵損壞，從而影響TEG吸水效果[20]。還有部分凈化廠直接取消TEG貧液后冷器(如重慶五寶場氣田)，導(dǎo)致貧液泵(P-201)(柱塞泵)因高溫而縮短使用年限。為了避免管殼式換熱器結(jié)垢后換熱效果變差、頻繁更換配件及損壞貧液泵等問題，充分利用板式換熱器易清洗、耐腐蝕、操作安全等優(yōu)點，將貧液后冷器更換為可拆式高效不銹鋼波紋狀板式換熱器[22]。板式貧液后冷器設(shè)計參數(shù)見表6。

表6 板式貧液后冷器設(shè)計參數(shù)名稱位號操作介質(zhì)溫度/℃熱側(cè)冷側(cè)熱側(cè)冷側(cè)進出進出材質(zhì)貧液后冷器E-203貧TEG冷卻水74.4453240316L

經(jīng)過再生后的貧TEG溫度通常為190～200 ℃，貧TEG經(jīng)過貧富液換熱器(E-201)與富TEG換熱后溫度降至70～74 ℃，再經(jīng)過貧液后冷器(E-203)降溫至45～55 ℃后，經(jīng)貧溶劑泵(P-201)升壓后送至脫水塔(C-201)，從而實現(xiàn)TEG的循環(huán)使用[23]。圖5為TEG后冷器換熱板的實體圖，貧液后冷器換熱板采用316L不銹鋼材質(zhì)的波紋式換熱板，冷熱介質(zhì)在換熱板兩側(cè)沿波紋流動并實現(xiàn)傳熱，黑色密封條嚴格密封以防止循環(huán)水及TEG的泄漏。長時間使用后，換熱板上可能存在水垢、銹渣等雜質(zhì)，影響換熱效果，通過簡單拆卸清洗后試壓、回裝即可重復(fù)使用，清洗頻次為1次/年，且運行5年來未進行過重要配件更換，大大節(jié)省了成本。此外，還可以根據(jù)換熱需求適當(dāng)增減換熱器的換熱板數(shù)，使得換熱器具有良好的操作彈性，進而穩(wěn)定地控制TEG進入貧溶劑泵的溫度，防止貧溶劑泵因溫度過高而損壞，影響TEG吸水效果，從而達到節(jié)能增效的目標(biāo)。

4 結(jié)論

分析了凈化公司TEG脫水系統(tǒng)的實際效果及工藝優(yōu)化情況，得出以下結(jié)論：

(1) 在處理水摩爾分數(shù)為0.09%的濕凈化氣時，控制TEG循環(huán)量為2.9～3.1 t/h，凈化公司產(chǎn)品氣的水露點為-19 ℃左右，滿足外輸要求。

(2) 利用自產(chǎn)3.8 MPa的中壓蒸汽做熱源，有效避免了傳統(tǒng)火管式重沸器傳熱不均等弊端，同時研究了蒸汽用量與重沸器溫度的關(guān)系，得到擬合曲線，方便計算蒸汽用量，保證裝置平穩(wěn)運行。

(3) 凈化公司根據(jù)自身進入脫水單元的天然氣不含H2S等酸性氣的特殊情況，采用了直接閃蒸工藝，減少了富液預(yù)熱過程，有效去除富TEG中大部分CH4、C2H6等輕組分，為TEG再生系統(tǒng)減負。當(dāng)TEG重沸器溫度為190～200 ℃時，TEG再生后可將TEG質(zhì)量分數(shù)從96.9%提至99.7%，在滿足產(chǎn)品要求的同時降低能耗和節(jié)約成本。

(4) 將TEG貧液后冷器由傳統(tǒng)的管殼式換熱器更換為不銹鋼板式換熱器，由于板式換熱器的波紋狀板片具有換熱面積大、易清洗、耐腐蝕、可調(diào)整板數(shù)等優(yōu)勢，避免了管殼式換熱器因結(jié)構(gòu)腐蝕而導(dǎo)致?lián)Q熱效果差的問題。