海上天然氣脫水系統(tǒng)深度處理研究

馬書楠

[中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450]

國(guó)內(nèi)大多數(shù)天然氣凈化廠脫水裝置都采用溶劑吸收法中最常用的三甘醇脫水工藝來降低產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)，使水露點(diǎn)達(dá)到外輸氣指標(biāo)。三甘醇以其吸水力強(qiáng)、在天然氣中溶解度低、沸點(diǎn)高、易再生、投資小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。三甘醇脫水裝置主要分為吸收和再生兩部分，是天然氣在進(jìn)入吸收部分的過濾分離器，除去游離液體和固體雜質(zhì)，隨后進(jìn)入到吸收塔的底部，由下朝上與貧三甘醇溶液逆向接觸，使得氣體中的水蒸氣被三甘醇溶液所吸收而離開吸收塔頂部的干氣流經(jīng)過氣體已冷卻油再生部分進(jìn)入吸收塔的三甘醇貧液，經(jīng)過換熱器冷卻后的貧三甘醇溶液再進(jìn)入到吸收塔頂部。吸收了天然氣中的水蒸氣以后，三甘醇富液從吸收塔底部流入到再生部分。三甘醇超重力機(jī)，通過三甘醇循環(huán)泵的貧甘醇與天然氣反應(yīng)，富甘醇進(jìn)去三甘醇再生系統(tǒng)精餾柱，天然氣攜帶的甘醇通過聚結(jié)器與新增聚結(jié)器回收部分甘醇，再進(jìn)入三甘醇再生系統(tǒng)的精餾柱，從而實(shí)現(xiàn)三甘醇的循環(huán)。某海上油田原有天然氣脫水設(shè)備三甘醇接觸塔及其配套的三甘醇再生系統(tǒng)，后新增一套三甘醇超重力機(jī)設(shè)備，通過兩個(gè)設(shè)備對(duì)天然氣進(jìn)行處理，未來計(jì)劃處理超處理量20萬(wàn)t/d。油田天然氣脫水及三甘醇再生流程如圖1所示。

圖1 油田天然氣脫水及三甘醇再生流程

1 現(xiàn)狀分析

以當(dāng)前處理氣量達(dá)到設(shè)計(jì)處理量，三甘醇循環(huán)量1.5m3/h，超重力機(jī)停運(yùn)，單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)三甘醇接觸塔。但是隨著后期氣量的增加，三甘醇損耗量較之前增大，現(xiàn)存的接觸塔處理不了現(xiàn)在流程中的天然氣，單獨(dú)的接觸塔不能夠?qū)μ烊粴膺M(jìn)行處理，所以接觸塔天然氣路旁通有開度，但是由于旁通的開度，可能導(dǎo)致天然氣水露點(diǎn)增加，現(xiàn)將旁通關(guān)閉，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后測(cè)定外輸氣水露點(diǎn)及三甘醇損耗量；測(cè)定結(jié)束后，單獨(dú)投運(yùn)超重力機(jī)，停運(yùn)三甘醇再生系統(tǒng)的接觸塔，繼續(xù)測(cè)定外輸氣水露點(diǎn)及三甘醇損耗量，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 參數(shù)測(cè)定表

由表1可知，無(wú)論是單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)接觸塔還是超重力機(jī)，水露點(diǎn)和三甘醇損耗量均嚴(yán)重超標(biāo)。分析認(rèn)為，接觸塔超標(biāo)的原因是處理氣量超過了其設(shè)計(jì)處理能力，而超重力機(jī)超標(biāo)的原因是其內(nèi)部傳質(zhì)效率較高，變相增加了天然氣的攜液能力，不僅導(dǎo)致三甘醇損耗量較大，還使得天然氣脫水不充分，進(jìn)而導(dǎo)致水露點(diǎn)超標(biāo)。

根據(jù)分析結(jié)果將接觸塔與超重力并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低各自的處理氣量，待運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后測(cè)定水露點(diǎn)及三甘醇損耗量，結(jié)果顯示三甘醇損耗量降至46L/d，但水露點(diǎn)仍高達(dá)5.5℃。通過進(jìn)一步分析得出，三甘醇再生系統(tǒng)原與接觸塔配套，其處理能力不滿足當(dāng)前處理需求，為了驗(yàn)證上述分析，特對(duì)三甘醇再生系統(tǒng)展開能力校核。

2 能力校核

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)，采用HYSYS 工藝模擬軟件對(duì)現(xiàn)在的流程進(jìn)行工藝模擬，在工藝模擬中依據(jù)2021年3月22日入口天然氣組分分析，通過HYSY 工藝模擬軟件模擬入口天然氣組成和水含量，氣體成分如表2所示。

表2 入口氣體成分表

入口天然氣控制在含水量為2 608mg/m3。按照此天然氣組分進(jìn)行了模擬，入口模擬的工藝條件如下：

天然氣流量為設(shè)計(jì)處理量，天然氣操作壓力5 920kPag，天然氣操作溫度55.3℃，TEG 循環(huán)量為1.5m3/h，再沸器溫度191℃。

HYSYS 工藝模擬軟件模擬結(jié)果如下：

1）再沸器電加熱器功率達(dá)到149kW，幾乎滿負(fù)荷運(yùn)行（電加熱器額定功率150kW），不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況；同時(shí)再沸器直徑過小，富甘醇處理量不能滿足，不利于三甘醇再生。

2）閃蒸罐尺寸過小，導(dǎo)致三甘醇在閃蒸罐中停留時(shí)間過短，造成氣體閃蒸不充分，三甘醇中含有的烴類分離不徹底，易造成系統(tǒng)污染。

3）濾器設(shè)計(jì)處理能力為1m3/h，目前處理量為1.5m3/h，濾器的處理量不滿足要求，容易造成過濾不徹底，不能達(dá)到凈化三甘醇再生系統(tǒng)的目的。

為驗(yàn)證校核結(jié)果，特對(duì)再生后的三甘醇取樣化驗(yàn)，利用卡爾費(fèi)休試劑測(cè)定其濃度，前后測(cè)定三次，取平均值，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 三甘醇濃度測(cè)定表

為驗(yàn)證校核結(jié)果，特對(duì)氣體的露點(diǎn)用露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)試，通過露點(diǎn)儀的在線監(jiān)測(cè)，前后監(jiān)測(cè)如表4所示：

表4 貧甘醇濃度與露點(diǎn)對(duì)比表

由測(cè)定結(jié)果可知，再生后三甘醇濃度約97.4%，而正常再生濃度應(yīng)為98.5%～99.0%，不同貧甘醇濃度下的露點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)貧甘醇濃度越高，露點(diǎn)越低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，要求露點(diǎn)在-23℃以下，結(jié)合模擬校核結(jié)果，說明當(dāng)前再生系統(tǒng)處理能力已不滿足處理需求，需進(jìn)行擴(kuò)容改造。

3 增產(chǎn)校核

設(shè)定天然氣處理氣量超過設(shè)計(jì)處理量40 萬(wàn)方，設(shè)定進(jìn)口溫度為40℃，入口壓力為6 000kPaG，接觸塔與超重力機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，利用HYSYS 工藝模擬軟件對(duì)再生系統(tǒng)進(jìn)行再次校核，校核結(jié)果如下。

1）三甘醇循環(huán)量需要達(dá)到2m3/h，目前TEG 循環(huán)泵最大流量為1.6m3/h，現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)泵排量不能滿足要求，需要對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行擴(kuò)容；

2）三甘醇再沸器電加熱器功率需要達(dá)到200kW左右，再沸器內(nèi)徑約為1 100mm 左右，目前電加熱器功率為150kW，內(nèi)徑為762mm，現(xiàn)存的三甘醇再沸器在尺寸及功率上都存在缺陷，不能夠滿足再沸器的處理?xiàng)l件；

3）閃蒸罐內(nèi)徑需為1 000mm 左右，目前為762mm，閃蒸罐的尺寸不滿足要求，需要對(duì)閃蒸罐進(jìn)行擴(kuò)容，或者增加閃蒸罐；

4）貧甘醇/富甘醇換熱器功率需230kW 左右，目前為170kW，需要對(duì)貧甘醇/富甘醇換熱器擴(kuò)容，增加新的貧甘醇/富甘醇換熱器；

5）過濾器處理能力需為2m3/h，目前的設(shè)計(jì)能力為1m3/h，不能滿足三甘醇再生系統(tǒng)的凈化要求，需要對(duì)三甘醇再生系統(tǒng)的粗過濾器、細(xì)過濾器進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)容。

擴(kuò)容前后對(duì)比見表5。

通過上述分析，現(xiàn)有的三甘醇處理設(shè)備，已經(jīng)不能夠滿足未來生產(chǎn)所需，可以通過新建三甘醇再生系統(tǒng)，尺寸為：10 000mm×3 500mm×8 100mm（此尺寸為初步預(yù)估尺寸，詳設(shè)尺寸可能有變化）；但是由于海上平臺(tái)空間受限，所需空間已經(jīng)不能滿足新增加的三甘醇處理設(shè)備。因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造，結(jié)果見表6。

表6 擴(kuò)容所需容積對(duì)比

需要拆除已有的三甘醇再生撬（7 100mm×3 500mm×8 200mm）和對(duì)燃料氣撬（5 800mm×3 500mm×8 200mm）進(jìn)行改造，增加甲板空間，即可滿足新建三甘醇再生撬空間尺寸的要求。

4 結(jié)論

1）三甘醇接觸塔和超重力機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)后可將三甘醇損耗量降至正常范圍，但是由于三甘醇再生系統(tǒng)處理能力不足，再生后的三甘醇濃度不達(dá)標(biāo)，致使外輸天然氣露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)。

2）三甘醇再生系統(tǒng)需進(jìn)行擴(kuò)容改造，下步計(jì)劃新建三甘醇再生系統(tǒng)替代現(xiàn)有再生系統(tǒng)，后續(xù)新建再生系統(tǒng)投運(yùn)后，需再開展接觸塔和超重力機(jī)并聯(lián)調(diào)試，檢驗(yàn)天然氣脫水效果。

3）通過探究三甘醇再生系統(tǒng)與超重力機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試，運(yùn)用了HYSY 工藝軟件模擬研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分析了三甘醇再生系統(tǒng)的問題，為以后三甘醇系統(tǒng)的優(yōu)化提供了可參考的思路，在問題的同時(shí)提出了相應(yīng)的解決方案，為后期油田三甘醇再生系統(tǒng)擴(kuò)容提供了相應(yīng)技術(shù)支持，并提供了相應(yīng)的解決思路。