渤海某海上平臺(tái)三甘醇尾氣處理系統(tǒng)優(yōu)化

王鑫

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459）

目前，海上平臺(tái)普遍采用的天然氣凈化工藝為三甘醇脫水工藝。三甘醇具有吸水能力很強(qiáng)，在天然氣中的溶解度低，而且沸點(diǎn)較高、再生容易等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛引用。三甘醇再生階段常引入汽提氣提高再生效果，降低貧液含水，提高脫水效率，降低干氣水露點(diǎn)。但是汽提法會(huì)產(chǎn)生再生尾氣，且伴隨甘醇損失、污染環(huán)境等問題。

三甘醇再生尾氣若直接排至大氣中，會(huì)污染環(huán)境、設(shè)備，使生產(chǎn)區(qū)產(chǎn)生異味，影響作業(yè)安全和員工的身心健康。因此需要經(jīng)過充分處理后進(jìn)行排放。

1 尾氣處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀

三甘醇再生系統(tǒng)的尾氣主要成分為天然氣和水蒸氣，經(jīng)過簡(jiǎn)單的尾氣處理后，通過冷放空排至大氣中，而且其中還含有一定量的烴類等化合物。三甘醇再生系統(tǒng)投產(chǎn)后，放空頭出口放空氣冷凝形成大量液滴，對(duì)設(shè)備及海洋環(huán)境造成污染，對(duì)平臺(tái)的設(shè)備安全和人員安全造成了威脅。這些現(xiàn)狀表明三甘醇再生尾氣處理效果很差（見表1）。

表1 尾氣處理系統(tǒng)效果不佳的現(xiàn)象與風(fēng)險(xiǎn)分析表

針對(duì)這些問題，需要通過一系列技術(shù)改進(jìn)措施，對(duì)整個(gè)尾氣流程進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到防治污染、保護(hù)設(shè)備及人員的目標(biāo)。

2 尾氣處理的流程

目前的平臺(tái)使用的三甘醇再生系統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，再生尾氣由再生塔流經(jīng)出口管線，到達(dá)U型分離器進(jìn)行快速分液后，液體進(jìn)入開排系統(tǒng)，氣體經(jīng)過冷放空頭排至大氣中（見圖1）。

圖1 冷放空流程簡(jiǎn)要示意圖

由于在U型分離中接觸時(shí)間過短，很難做到充分分液，因此導(dǎo)致放空頭處長期滴液。

2.1 工藝參數(shù)的調(diào)整

目前平臺(tái)用于三甘醇再生的汽提氣為燃料氣，現(xiàn)測(cè)試干氣做汽提氣的脫水再生系統(tǒng)運(yùn)行情況。通過HYSYS模擬干氣與燃料氣做汽提氣的運(yùn)行狀況，干氣再生的貧液濃度略高于燃料氣。模擬后我們進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)試，通過對(duì)比干氣及燃料氣做汽提氣過程中的設(shè)備參數(shù)及設(shè)備能力可以得出以下幾條結(jié)論：1)使用干氣作為汽提氣氣源時(shí)，冷凝液中雜質(zhì)較少；2)使用干氣作為汽提氣氣源時(shí)，冷凝液烴類及輕質(zhì)油較少；3)使用干氣作為汽提氣氣源時(shí)，相同條件下再生的貧液濃度略高于燃料氣，再生效率及脫水效率略高，與模擬結(jié)果基本一致。

根據(jù)上述結(jié)論，將采用干氣作為再生汽提氣。

2.2 重新確定三甘醇運(yùn)行的最佳汽提氣流量

在三甘醇再生系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間之后，設(shè)備的工況及流程的工況發(fā)生變化，因此，設(shè)備出廠的推薦參數(shù)可能不再適用，因此需要進(jìn)行重新校訂調(diào)整。

通過HYSYS對(duì)廠家提供的曲線進(jìn)行分析，計(jì)算出設(shè)備特性參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)在的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行校對(duì)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)設(shè)備推薦參數(shù)無法滿足目前運(yùn)行工況，且設(shè)備特性參數(shù)特性參數(shù)發(fā)生變化，因此需要重新測(cè)試后確定。

在測(cè)試的過程中，對(duì)尾氣處理系統(tǒng)的狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的分析：1)汽提氣流量越大，尾氣處理效果越差；2)當(dāng)汽提氣量過大，會(huì)導(dǎo)致三甘醇損失量增加；3)汽提氣流量增加，三甘醇再生的貧甘醇含水明顯降低；4)汽提氣量在最優(yōu)范圍內(nèi)應(yīng)該控制最?。?)在目前日處理量為40萬Sm3，通過曲線分析，三甘醇再生系統(tǒng)汽提氣瞬時(shí)最優(yōu)值為12Sm3/h（見圖2）。

圖2 汽提氣流量對(duì)冷凝液量的影響關(guān)系圖

2.3 流程改造

2.3.1 增加尾氣冷卻器

由于三甘醇再生尾氣溫度較高，管線保溫較好，在尾氣處理及放空的過程中無法完成冷卻降溫，造成尾氣外排后大量冷凝，形成污染。

在U型分離器處設(shè)計(jì)增加一個(gè)冷卻裝置，對(duì)尾氣進(jìn)行降溫，增加氣液分離效率。平臺(tái)空間有限，難以增加新的設(shè)備撬塊，因此利用原有管線改造為空氣冷卻器，利用HTRI衡算熱量后，根據(jù)冷卻負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。

2.3.2 增加集液器

尾氣系統(tǒng)流程較短，流速較快，一旦工況變化依然存在尾氣處理不充分的可能。為了杜絕這一類情況出現(xiàn)，通過在冷放空口安裝集液槽回收此處的冷凝水和輕烴，做到最大程度的防止尾氣污染。

2.4 技術(shù)手段效果評(píng)價(jià)

在三甘醇脫水再生系統(tǒng)負(fù)荷保持穩(wěn)定，在其他運(yùn)行參數(shù)保持穩(wěn)定的情況下，保持40萬Sm3的處理工況，對(duì)于不同技術(shù)手段的實(shí)施前后的尾氣處理系統(tǒng)回收冷凝液量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和對(duì)比（見表2）。

表2 改造方案與冷凝液變化匯總表

增加尾氣冷卻器、增加集液槽效果明顯，但是施工較復(fù)雜。參數(shù)調(diào)整對(duì)尾氣中冷凝液回收影響提升較小，但是幾乎不增加其他成本。因此，這四種技術(shù)手段全部采納。

實(shí)施后，尾氣處理系統(tǒng)每日回收冷凝液量為282.5L，尾氣處理效率提升89.6%。

3 尾氣處理效果評(píng)價(jià)

三甘醇再生系統(tǒng)尾氣處理中主要為天然氣和水蒸氣，水蒸氣為回收物質(zhì)，因此將水蒸氣回收率作為評(píng)價(jià)尾氣處理效果的指標(biāo)。

根據(jù)物質(zhì)分子守恒定律可知水分子的物理形態(tài)變化圖（見圖3）。

圖3 水分子的物理形態(tài)變化圖

因此，天然氣中脫去的水就是冷凝液的最大值：

V冷凝液MAX=每天天然氣中脫水的體積。

根據(jù)物質(zhì)量守恒定律計(jì)算：

最大值計(jì)算表

公式1：天然氣中脫去的水蒸汽的體積：

注：V——天然氣中脫去的水蒸氣的體積；Q——三甘醇系統(tǒng)天然氣處理量Sm3/D；A進(jìn)——脫水塔入口的天然氣含水（1042ppm）；A出——脫水塔出口的天然氣含水（72ppm）。

公式2：天然氣中脫去的液態(tài)水的體積：

注：V冷凝液MAX——冷凝液的最大值；Vmol水——水摩爾體積（22.4L/mol）；M——水摩爾質(zhì)量（18g/mol）；ρ——水的質(zhì)量密度（1mL/g）；

結(jié)果計(jì)算：V冷凝液MAX=291L；

尾氣系統(tǒng)冷凝液回收率=282.5÷V冷凝液MAX=97.1%

4 能耗控制

由于尾氣系統(tǒng)需要對(duì)再生尾氣進(jìn)行降溫，因此對(duì)整個(gè)尾氣處理流程進(jìn)行重新分析后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及管線伴熱進(jìn)行調(diào)整，每年節(jié)電4320kWh。

5 總結(jié)

經(jīng)過本次優(yōu)化，尾氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果得到了很大的提升。在此次優(yōu)化分析的過程中，我們可以得到以下幾條結(jié)論：1）對(duì)汽提氣種類和流量進(jìn)行分析和優(yōu)化對(duì)尾氣處理系統(tǒng)回收的冷凝液量提升并不明顯；2）對(duì)流程進(jìn)行改造后，相同負(fù)荷情況下，其他參數(shù)保持穩(wěn)定工況下，尾氣處理系統(tǒng)回收的冷凝液量提升非常明顯；3）同時(shí)采用改造手段和調(diào)整參數(shù)手段后，三甘醇尾氣處理系統(tǒng)處理效率提高了89.6%，尾氣處理效果得到了極大的提升；4）通過物質(zhì)衡算，尾氣系統(tǒng)冷凝液回收率達(dá)到97.1%，三甘醇脫水塔脫出的游離水在尾氣處理系統(tǒng)基本全部回收。5）通過對(duì)設(shè)備及管線伴熱調(diào)整，每年節(jié)電4320kWh，提升尾氣系統(tǒng)處理效率的同時(shí)，降低了設(shè)備能耗，節(jié)約了能源。