天然氣制甲醇裝置飽和塔汽提效率低問題分析與解決

何 鋒

（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

1 飽和塔系統(tǒng)簡(jiǎn)況

某800kt／a天然氣制甲醇裝置2010年10月投產(chǎn)，采用的是英國DPT公司的甲醇工藝技術(shù)，以高CO2、高N2含量的天然氣為原料，通過預(yù)轉(zhuǎn)化爐和傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)合成氣［1］。在合成氣的生產(chǎn)過程中，為促進(jìn)蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，需要向已脫硫的天然氣里加入工藝蒸汽［2］；其中一部分工藝蒸汽是由飽和塔汽提提供的——脫硫后的天然氣進(jìn)入飽和塔，與飽和塔塔底循環(huán)水直接接觸換熱產(chǎn)生蒸汽并帶出，飽和塔塔底循環(huán)水換熱器所需的熱量由合成汽包蒸汽提供?；厥绽玫碾s醇油、工藝?yán)淠汉途s回收塔塔底水在飽和塔中汽提出工藝蒸汽送至預(yù)轉(zhuǎn)化爐作為原料，通過飽和塔的汽提作用充分對(duì)工藝廢水進(jìn)行再利用，大幅減少了廢液的再處理量［3］。飽和塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 飽和塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

2 運(yùn)行問題

飽和塔是天然氣制甲醇裝置的核心設(shè)備，其作用是通過塔底循環(huán)水泵輸送循環(huán)水經(jīng)換熱器與合成汽包蒸汽換熱后，進(jìn)入飽和塔與脫硫后的天然氣直接接觸而汽提出工藝蒸汽，與天然氣混合后進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐。在轉(zhuǎn)化爐水碳比不變的情況下，提高飽和塔汽提蒸汽量可減少額外補(bǔ)充的中壓蒸汽量，并減少工藝?yán)淠旱呐欧帕?，降低能耗，即飽和塔的汽提效率直接影響著整套裝置的能耗水平。

飽和塔汽提效率為飽和塔汽提蒸汽量與合成汽包產(chǎn)汽量的比值，原始設(shè)計(jì)飽和塔汽提效率為79.5%。該天然氣制甲醇裝置投產(chǎn)以來，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)滿負(fù)荷（天然氣流量為96800m3／h）的情況下，有一段時(shí)間內(nèi)飽和塔的汽提效率是達(dá)到了設(shè)計(jì)值的，但由于設(shè)計(jì)缺陷，隨著環(huán)境溫度的升高，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)化爐的燃燒空氣量供應(yīng)不足，存在天然氣燃燒不完全的情況，為保證裝置的安全，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)不得不降負(fù)荷運(yùn)行，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷為93000m3／h（天然氣流量）的工況下，飽和塔的汽提效率一直比較低——飽和塔汽提蒸汽量約50t／h、實(shí)際汽提效率約75%，與飽和塔的設(shè)計(jì)汽提效率79.5%相差較大。2019年8月—2020年1月飽和塔的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（月均值）見表1。

表1 飽和塔的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（月均值）

3 原因分析與排查

3.1 飽和塔填料層及內(nèi)件狀況

若飽和塔填料層及內(nèi)件損壞，會(huì)造成汽提床層介質(zhì)的接觸面積變小，從而導(dǎo)致飽和塔汽提效率降低，飽和塔的汽提蒸汽量減少。查閱2018年4月飽和塔的檢修記錄，檢修期間曾打開飽和塔人孔檢查填料層及內(nèi)件情況，未發(fā)現(xiàn)飽和塔填料層和內(nèi)件損壞；同時(shí)，調(diào)取檢修前后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相同負(fù)荷下飽和塔的汽提蒸汽量進(jìn)行對(duì)比（見表2），發(fā)現(xiàn)在相同的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷（天然氣流量為93000m3／h）下，檢修前后飽和塔汽提效率變化小于2%。由此排除了飽和塔填料層及內(nèi)件狀況不良而造成飽和塔汽提效率降低的可能。

表2 檢修前后飽和塔汽提效率的對(duì)比

3.2 合成汽包蒸汽參數(shù)

合成汽包蒸汽是用來加熱飽和塔塔底循環(huán)水的，若合成汽包蒸汽壓力過低、蒸汽溫度過低、蒸汽量不足，必然會(huì)影響換熱后飽和塔塔底循環(huán)水的溫度，進(jìn)而造成飽和塔汽提效率降低。原始設(shè)計(jì)合成汽包蒸汽產(chǎn)量為40～80t／h、溫度為205～235℃、壓力為1.90～2.40MPa；查閱合成汽包實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，合成汽包蒸汽產(chǎn)量約63t／h、溫度約215℃、壓力約1.95MPa。可以看出，合成汽包蒸汽參數(shù)均在設(shè)計(jì)值范圍以內(nèi)，由此排除了合成汽包蒸汽指標(biāo)偏離設(shè)計(jì)值而造成飽和塔汽提效率降低的可能。

3.3 循環(huán)水換熱器換熱效率

循環(huán)水換熱器換熱效率直接影響換熱后飽和塔塔底循環(huán)水的溫度，進(jìn)而影響飽和塔的汽提效率。而一般影響換熱器換熱效率的因素主要有換熱器結(jié)垢、換熱器泄漏、換熱器中存在不凝氣等。其中，換熱器結(jié)垢和換熱器中存在不凝氣，會(huì)減少換熱器的有效換熱面積，導(dǎo)致?lián)Q熱后的飽和塔塔底循環(huán)水溫度過低；換熱器泄漏，會(huì)造成熱量的損失，同樣會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱后的飽和塔塔底循環(huán)水溫度過低。

排查發(fā)現(xiàn)，2018年4月飽和塔系統(tǒng)檢修時(shí)，對(duì)循環(huán)水換熱器進(jìn)行過清洗，對(duì)比循環(huán)水換熱器清洗前后的數(shù)據(jù)（見表2），相同負(fù)荷下飽和塔汽提蒸汽量變化不大，由此可排除循環(huán)水換熱器結(jié)垢造成飽和塔汽提效率降低的可能；現(xiàn)場(chǎng)巡檢并未發(fā)現(xiàn)循環(huán)水換熱器有泄漏現(xiàn)象，由此可排除循環(huán)水換熱器泄漏造成飽和塔汽提效率降低的可能；現(xiàn)場(chǎng)打開飽和塔循環(huán)水換熱器立管頂部的排氣導(dǎo)淋進(jìn)行充分排氣，排完氣后對(duì)比排氣前后飽和塔汽提蒸汽量，發(fā)現(xiàn)變化不大，確定循環(huán)水換熱器中應(yīng)該沒有積存不凝氣，也就排除了循環(huán)水換熱器因存在不凝氣而造成飽和塔汽提效率降低的可能。簡(jiǎn)言之，循環(huán)水換熱器換熱效率正常，其不是飽和塔汽提效率低的原因。

3.4 飽和塔系統(tǒng)保溫情況

飽和塔系統(tǒng)保溫層若有損壞，會(huì)造成飽和塔系統(tǒng)熱量損失，進(jìn)而導(dǎo)致飽和塔汽提效率降低。現(xiàn)場(chǎng)人員仔細(xì)檢查，并用熱成像儀進(jìn)行檢測(cè)，證實(shí)飽和塔系統(tǒng)保溫層完好，由此可排除系統(tǒng)保溫層損壞而造成飽和塔汽提效率降低的可能。

3.5 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度過低可能會(huì)造成飽和塔系統(tǒng)熱量損失增加，進(jìn)而造成飽和塔汽提效率降低。該800 kt／a甲醇裝置地處海南省，全年平均氣溫較高（最高溫度在38℃左右、最低溫度在10℃左右），查閱飽和塔系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在相同的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷（天然氣流量為93000m3／h）下，環(huán)境溫度分別為10℃、19℃、31℃、38℃時(shí)飽和塔的汽提蒸汽量分別為50.1t／h、49.8t／h、50.7t／h、50.5t／h?？梢钥闯觯煌沫h(huán)境溫度下飽和塔汽提蒸汽量變化并不大，即飽和塔汽提蒸汽量基本上不受環(huán)境溫度變化的影響，由此可排除環(huán)境溫度變化而造成飽和塔汽提效率降低的可能。

3.6 飽和塔的操作參數(shù)

原始設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)滿負(fù)荷工況下天然氣流量為96800m3／h，飽和塔入口最大天然氣流量為96800m3／h、入口天然氣溫度為56～80℃、操作壓力為2.1～2.4MPa。若飽和塔入口天然氣溫度過低，會(huì)增加飽和塔汽提過程中的熱量消耗，降低飽和塔的汽提效率；若飽和塔負(fù)荷或操作壓力過高，會(huì)增加飽和塔內(nèi)的阻力，降低飽和塔的汽提效率。查閱飽和塔的實(shí)際操作參數(shù)，其入口天然氣流量為93000m3／h、入口天然氣溫度為74℃、操作壓力為2.228MPa。可以看出，飽和塔的實(shí)際操作參數(shù)均在設(shè)計(jì)值范圍以內(nèi)，由此可排除飽和塔操作參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值而造成飽和塔汽提效率降低的可能。

3.7 飽和塔塔底循環(huán)水流量

飽和塔塔底循環(huán)水流量設(shè)計(jì)值為590t／h。飽和塔塔底循環(huán)水流量過高，會(huì)造成換熱器后飽和塔塔底循環(huán)水溫度過低，影響飽和塔的汽提效率。同時(shí)，飽和塔在回收利用精餾回收塔塔底水和雜醇油后，大量的石蠟在飽和塔中積累，極易堵塞飽和塔塔底循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)，造成泵汽蝕［4］，而泵發(fā)生汽蝕后塔底循環(huán)水流量逐漸下降，當(dāng)?shù)椭?19t／h時(shí)會(huì)觸發(fā)流量低低聯(lián)鎖，為防止這種情況的發(fā)生，操作中會(huì)人為加大飽和塔塔底循環(huán)水流量，以保持足夠的裕量。查閱實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，飽和塔塔底循環(huán)水量實(shí)際為688 t／h，比設(shè)計(jì)值590t／h高出了許多。由此可以斷定，飽和塔塔底循環(huán)水流流量過高是造成飽和塔汽提效率降低的主要原因。

4 優(yōu)化調(diào)整措施

針對(duì)飽和塔汽提效率低的問題，基于可能原因的分析與排查，在保證甲醇裝置安全運(yùn)行的前提下，制定了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施，并于2020年7月中旬開始予以實(shí)施：①在保證不觸發(fā)聯(lián)鎖的前提下，逐步將飽和塔塔底循環(huán)水流量降至590t／h左右，降流量過程采取少量多次的原則，避免因操作幅度過大造成系統(tǒng)聯(lián)鎖跳車；②為了能夠在飽和塔塔底循環(huán)水流量變化后及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整，在FCS操作系統(tǒng)中對(duì)飽和塔塔底循環(huán)水流量設(shè)置高低報(bào)警，以便及時(shí)作出反應(yīng)；③在企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)廠控指標(biāo)中增設(shè)飽和塔塔底循環(huán)水流量控制指標(biāo)，操作人員加強(qiáng)對(duì)飽和塔塔底循環(huán)水流量的精確控制；④為防止飽和塔塔底循環(huán)水泵汽蝕造成循環(huán)水流量下降，定期打開泵體排氣導(dǎo)淋排氣；⑤定期對(duì)飽和塔塔底循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)進(jìn)行清洗，在甲醇合成系統(tǒng)進(jìn)行在線煮蠟作業(yè)后增加此濾網(wǎng)的清洗頻次。

5 優(yōu)化效果

采取相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施后，調(diào)取調(diào)整前后相同的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷（天然氣流量93000m3／h）下飽和塔系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體見表3。可以看出：在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，隨著飽和塔塔底循環(huán)水量的下降，循環(huán)水換熱器出口溫度逐漸升高，飽和塔汽提蒸汽量逐漸增加——較調(diào)整前增加約3t／h，飽和塔實(shí)際汽提效率也逐漸提升直至達(dá)到設(shè)計(jì)值。

表3 優(yōu)化調(diào)整前后飽和塔系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

采取相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施后，飽和塔汽提蒸汽量增加約3t／h，在維持轉(zhuǎn)化反應(yīng)總水碳比不變的情況下，經(jīng)測(cè)算，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)每年可節(jié)約中壓蒸汽用量約24000t；隨著汽提蒸汽量的增加，回收利用的工藝?yán)淠阂灿兴黾?，相?yīng)減少工藝?yán)淠号欧偶s3t／h，每年可減少約24000t工藝?yán)淠号欧?，可有效降低甲醇生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行效益的提升。

6 結(jié)束語

針對(duì)某800kt／a甲醇裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷93000m3／h（天然氣流量）工況下飽和塔汽提效率低的問題，通過分析與排查，最終確認(rèn)是飽和塔塔底循環(huán)水流量過高而造成換熱器后循環(huán)水溫度過低，影響了飽和塔的汽提效率。實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施后，飽和塔的汽提效率達(dá)到設(shè)計(jì)值，飽和塔汽提蒸汽量提高3t／h左右，減少了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中壓蒸汽的消耗量和工藝?yán)淠旱呐欧帕?，從而有效降低了甲醇生產(chǎn)成本，提升了裝置的運(yùn)行效益。本次飽和塔汽提效率低問題，究其原因，在于操作中顧此失彼，對(duì)全系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮不周；實(shí)踐表明，優(yōu)化工藝操作，進(jìn)行精細(xì)化管控，可增大系統(tǒng)的操作彈性及安全性，并提升系統(tǒng)的運(yùn)行效能。