儲氣庫三甘醇脫水裝置大型化技術(shù)研究

劉巖

大慶油田有限責(zé)任公司大興安嶺分公司

受季節(jié)用氣峰谷差、用戶種類和用量等因素影響，天然氣的消耗量存在很大的不均衡性，需要對天然氣的供需平衡進行調(diào)節(jié)。地下儲氣庫作為一種儲存天然氣的方法，主要用于調(diào)節(jié)下游用戶用氣過程中的不均衡性，以保證用氣高峰的用氣量，緩解氣荒，具有庫容大、安全系數(shù)高、經(jīng)濟效益好等諸多優(yōu)點[1-2]。

儲氣庫采出天然氣含有一定的游離水或飽和水。當(dāng)采出氣體溫度低于其露點溫度時，會有水合物生成，引起管道、閥門堵塞，影響平穩(wěn)供氣。因此儲氣庫集注站需控制天然氣水露點，需在集注站內(nèi)配套天然氣脫水裝置以保證天然氣長輸管道系統(tǒng)安全供氣。

目前，天然氣脫水凈化技術(shù)一般包括制冷分離法、溶劑吸收法、固體吸附劑吸附法、化學(xué)反應(yīng)法和膜分離法等[3-4]。溶劑吸收法中常采用甘醇類物質(zhì)作為吸收劑，在甘醇的分子結(jié)構(gòu)中含有醚鍵和羥基，上述集團均能與水分子形成氫鍵，對水的親和力極強，具有很好的脫水效果[5]。甘醇脫水過程一般都是連續(xù)的，其典型的工藝流程是三甘醇脫水。

三甘醇脫水工藝主要包括天然氣脫水和三甘醇溶液再生兩大部分。濕天然氣經(jīng)分離器后進入吸收塔底部，與塔頂注入的貧三甘醇溶液逆流接觸而脫除水分，脫水后的天然氣由塔頂排出。吸收塔底部排出的富三甘醇溶液經(jīng)換熱器升溫后進入閃蒸罐，盡可能閃蒸出其中所溶的烴類，閃蒸氣可以用作燃料氣。閃蒸后的富液進入再生塔，再生好的貧液經(jīng)冷卻后返回吸收塔[6]。

三甘醇脫水成套設(shè)備主要是由脫水系統(tǒng)和再生系統(tǒng)構(gòu)成，脫水過程的核心設(shè)備是吸收塔。天然氣脫水發(fā)生在吸收塔內(nèi)，三甘醇富液的再生在再生塔內(nèi)完成[7-8]。

隨著大庫容儲氣庫項目的不斷建設(shè)，注采氣量不斷攀升，對采出氣天然氣脫水設(shè)備大型化的需求越來越多。使用大型化的單元設(shè)備與較小的單元設(shè)備相比，由于制造成本、占地面積、管線閥門等諸多因素的影響具有明顯的綜合經(jīng)濟效益。本文通過對國內(nèi)某儲氣庫三甘醇脫水裝置大型化設(shè)計的方案對比，探討大型地下儲氣庫采出天然氣三甘醇脫水技術(shù)。

1 大型三甘醇脫水裝置的建設(shè)情況

隨著設(shè)備大型化的不斷深入，三甘醇脫水裝置的吸收塔塔徑和壁厚不斷增加，主材供應(yīng)、卷板、焊接、無損檢測、熱處理和運輸?shù)碾y度增加；另外，裝置規(guī)模的增加也導(dǎo)致三甘醇再生系統(tǒng)負荷不斷增加，對采用直火加熱三甘醇的再生方式影響較大。

目前，國內(nèi)投產(chǎn)三甘醇脫水裝置的設(shè)計壓力普遍在10 MPa 及以下，高壓設(shè)備僅有中海油某作業(yè)區(qū)的1 套脫水裝置，處理規(guī)模為570×104m3/d，設(shè)計壓力為15.5 MPa。三甘醇脫水裝置的處理規(guī)模普遍在600×104m3/d及以下，僅有華北某儲氣庫建設(shè)了1 000×104m3/d的三甘醇脫水裝置，設(shè)計壓力為10.5 MPa。另外，土耳其某儲氣庫也投產(chǎn)了1 800×104m3/d三甘醇脫水裝置，設(shè)計壓力8.6 MPa。目前國內(nèi)外典型三甘醇脫水裝置的建設(shè)情況見表1。

表1 國內(nèi)外典型三甘醇脫水裝置的建設(shè)情況Tab.1 Construction status of typical triethylene glycol dehydration units at home and abroad

由于三甘醇脫水裝置大型化設(shè)計比較難，以天然氣處理量為1 100×104m3/d建設(shè)規(guī)模為例，進行三甘醇脫水裝置大型化相關(guān)的技術(shù)研究和探討，論證三甘醇脫水裝置大型化的可行性。本次設(shè)計規(guī)模為國內(nèi)最大。

2 三甘醇脫水工藝簡介

2.1 脫水流程

本次設(shè)計中，三甘醇脫水采用SY/T 0076—2008《天然氣脫水設(shè)計規(guī)范》，使脫水后的天然氣滿足干氣外輸?shù)囊?，并符合GB 17820—2018中一類氣標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

三甘醇脫水裝置的工藝流程為濕天然氣進入吸收塔下部的氣液分離腔，分離掉可能進入吸收塔中的游離液體。濕天然氣在吸收塔的上升過程中，經(jīng)過填料層，與從塔上部進入的貧三甘醇充分接觸，氣液傳質(zhì)交換，脫除掉天然氣中的水分后，經(jīng)塔頂捕霧絲網(wǎng)除去大于5 μm 的甘醇液滴后由塔頂部出塔。

干天然氣出塔后，經(jīng)過套管式氣液換熱器與進塔前熱貧甘醇換熱，降低貧三甘醇進塔溫度，換熱后經(jīng)自力式氣動薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制吸收塔運行壓力，然后至外輸氣管網(wǎng)。

貧三甘醇由塔上部進入吸收塔，由上而下經(jīng)過塔盤，吸收天然氣中的水分。吸收水分的富甘醇與部分高壓天然氣的氣液混合物經(jīng)過過濾器進入甘醇循環(huán)泵。

2.2 再生流程

富甘醇進三甘醇再生塔塔頂盤管，被塔頂蒸汽加熱至40～60 ℃后進入閃蒸罐，閃蒸出氣體后進入三甘醇再生塔，通過提餾段、精餾段、塔頂回流及塔底重沸的綜合作用，使富甘醇中的水分及很小部分烴類分離出塔。塔底重沸溫度為198 ℃，三甘醇質(zhì)量百分比濃度可達98.5%～99.0%。

2.3 尾氣回收流程

三甘醇再生塔精餾柱產(chǎn)生的尾氣先經(jīng)空冷降溫至約40 ℃后進入到分液罐分離出液態(tài)水，經(jīng)分離后的尾氣通過水泵增壓引射至3～5 kPa 進入到再生釜燃燒器與燃料氣一同燃燒，達到尾氣零排放。三甘醇脫水裝置具體流程見圖1。

3 大型儲氣庫三甘醇脫水方案

3.1 裝置的操作規(guī)模與適應(yīng)性確定

儲氣庫在運行過程中一般均需通過多個周期的注采才能達容達產(chǎn)，大型儲氣庫脫水裝置建設(shè)的難點是操作彈性范圍比較寬。在儲氣庫投產(chǎn)初期很難達容達產(chǎn)，所有裝置均需在低負荷率下運行，因此本工程選用填料塔，也可以在較低負荷下穩(wěn)定運行?？紤]到該儲氣庫最終達容的容量，天然氣處理量需要達到1 100×104m3/d，屬于大型儲氣庫的規(guī)模。針對這種情況，對建設(shè)初期的裝置規(guī)模進行了適應(yīng)性的匹配比選。

以某儲氣庫項目為例，該工程的三甘醇脫水裝置主要應(yīng)用于采氣調(diào)峰工況，操作溫度為20～30 ℃；操作壓力為8～12.7 MPa，設(shè)計壓力13.5 MPa；產(chǎn)品氣水露點要求為-15 ℃；設(shè)備操作彈性：30%～120%；尾氣處理要求：為滿足環(huán)保要求，尾氣零排放。該工程三甘醇脫水裝置處理天然氣的氣質(zhì)組成見表2。

表2 采出天然氣氣質(zhì)組成Tab.2 Gas quality composition of produced natural gas摩爾分數(shù)/%

針對方案一1 300×104m3/d三甘醇脫水裝置和方案二1 100×104m3/d三甘醇脫水裝置，在該項目一期工程每年月度運行工況進行了計算，結(jié)果見表3。

表3 不同脫水方案運行工況Tab.3 Operating conditions of different dehydration schemes

由表3 可知，建設(shè)初期第1 年屬于建設(shè)運維調(diào)試期，除3 月以外，方案二裝置負荷率最低為27%，該年裝置平均負荷率為44%；到建設(shè)投產(chǎn)后第4年，方案二裝置平均負荷率達到68%；到建設(shè)投產(chǎn)后第5年，方案二各月裝置負荷率均在操作彈性范圍內(nèi)，且平均負荷率為83%，使儲氣庫初期建設(shè)大型裝置的適應(yīng)性更強；當(dāng)儲氣庫達容達產(chǎn)時，最終處理規(guī)模為1 100×104m3/d，裝置負荷率達到100%，從初期建設(shè)到末期達產(chǎn)裝置的負荷率均滿足操作彈性30%～120%。

方案一1 300×104m3/d三甘醇脫水裝置可適應(yīng)最小采氣量為390×104m3/d，可適應(yīng)最大采氣量為1 560×104m3/d；方案二1 100×104m3/d 三甘醇脫水裝置可適應(yīng)最小采氣量為330×104m3/d，可適應(yīng)最大采氣量為1 320×104m3/d。

根據(jù)上述對比結(jié)果，可以得出方案二與方案一相比具有明顯更高的運行負荷率和更低的能耗，且裝置負荷率低，能耗就會顯著增加。在工作氣量較小的工況下，方案二可以適應(yīng)各個年份多數(shù)月份的調(diào)峰需求，且生產(chǎn)負荷率較高。因此，本次選擇三甘醇脫水裝置規(guī)模為1 100×104m3/d。

3.2 關(guān)鍵設(shè)備選擇

3.2.1 吸收塔結(jié)構(gòu)形式

選用填料塔的形式，具體塔的結(jié)構(gòu)見圖2。塔頂設(shè)置一級管式分布器和二級槽式分布器，二級槽式分布器以下配置4 m 高效不銹鋼板波紋規(guī)整填料。填料底部分別設(shè)置升氣管隔板、絲網(wǎng)除沫器和加熱盤管。

圖2 吸收塔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of absorption tower structure

3.2.2 設(shè)備制造難點

三甘醇脫水大型成套設(shè)備壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗及驗收執(zhí)行GB/T 150—2011 《壓力容器》和TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在設(shè)備制造上，主材供應(yīng)、焊接、卷板、熱處理是大型化設(shè)備的難點，也是突破口。

在該工程中主體材料為不銹鋼-鋼復(fù)合板S31603+Q345R，B1 級，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T47002.1—2019。

焊接時，先焊接基層內(nèi)側(cè)，清根后再焊接外側(cè)，保證焊縫的致密性和全焊透，最后對基層內(nèi)側(cè)的焊縫打磨平滑，對基層內(nèi)側(cè)待堆焊面進行磁粉探傷檢測，確認待堆焊表面無任何缺陷，在按過渡層和復(fù)層選用不同的焊材堆焊內(nèi)壁不銹鋼部分，以保證殼體焊縫內(nèi)壁的耐腐蝕性能。

卷板機用預(yù)彎模會造成材料的浪費，而且多次來回滾壓會造成復(fù)層與基層的剝離、分層，甚至導(dǎo)致設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生氣包。針對上述情況，設(shè)計專用模具，采用油壓機利用專用模具進行壓頭，從而避免了剝離或分層現(xiàn)象的產(chǎn)生，更好地保證了卷板的質(zhì)量。該工程規(guī)模為1 100×104m3/d三甘醇吸收塔所需雙金屬復(fù)合板可順利完成卷板。

設(shè)備進行整體焊后熱處理。當(dāng)容器基層進行焊后熱處理時，按基層要求選擇熱處理加熱溫度，其他參數(shù)按不銹鋼復(fù)合鋼板總厚度進行計算。

通過上述可知，主要非標(biāo)設(shè)備的主材供應(yīng)、卷板、焊接、無損檢測、熱處理、運輸和涂裝工藝為可靠的技術(shù)路線，國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)力量能夠滿足制造要求。但是由于規(guī)模為1 300×104m3/d脫水裝置吸收塔塔徑及壁厚大，會顯著增加設(shè)備卷板、熱處理、焊接、無損檢測和運輸實施難度及制造風(fēng)險。

兩種脫水規(guī)模主要設(shè)備參數(shù)對比情況見表4。

表4 脫水方案主要設(shè)備參數(shù)對比Tab.4 Comparison of main equipment parameters for dehydration schemes

3.3 再生加熱方案

三甘醇脫水大型裝置加熱負荷比較高的再生系統(tǒng)通常采用導(dǎo)熱油的加熱方式，加熱均勻可避免再生系統(tǒng)結(jié)焦[9-10]；加熱負荷比較低的再生系統(tǒng)通常采用火筒直接加熱的方式，結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小。采用導(dǎo)熱油加熱方案會導(dǎo)致三甘醇脫水裝置占地面積加大（需獨立成橇），項目投資明顯增加。采用火筒直接加熱方式，工藝簡單、成熟可靠、集成化程度高、項目投資低。

經(jīng)核算，方案一1 300×104m3/d三甘醇脫水裝置的再生系統(tǒng)配置加熱總負荷為1.2 MW，方案二1 100×104m3/d 三甘醇脫水裝置的加熱負荷為0.8 MW。由于加熱負荷較大，重沸器換熱面積大，方案一再生系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油加熱的方式，不利于尾氣回收，尾氣需進入焚燒爐焚燒。再生系統(tǒng)采用釜式再沸器，管程為導(dǎo)熱油，殼程為三甘醇溶液，上部留有足夠的氣相空間，供水蒸氣和甘醇液滴實現(xiàn)氣液分離。導(dǎo)熱油爐采用正壓燃燒器，結(jié)構(gòu)形式為熱輻射式管式加熱爐，熱效率高。導(dǎo)熱油爐燃燒器根據(jù)甘醇出口溫度決定了重沸器是否啟動加熱裝置，無法連續(xù)燃燒；而重沸器不凝結(jié)的尾氣連續(xù)產(chǎn)生。因此該方案的尾氣經(jīng)分離后需要增壓至10～15 kPa 后與干燃料氣匯合，經(jīng)甘醇緩沖罐加熱后去導(dǎo)熱油橇燃燒器燃燒。采用導(dǎo)熱油加熱方案會導(dǎo)致三甘醇脫水裝置占地面積（需獨立成橇）和投資明顯增加。

考慮到整個裝置的投資，在熱負荷允許的情況下，方案二可以采用火筒直接加熱式重沸器（1.5 m×6 m），尾氣回收水引射增壓的尾氣直接進入重沸器的火管，在3～5 kPa 的壓力下直接燃燒，配風(fēng)來自燃燒器的二次風(fēng)門，工藝簡單，成熟可靠。

針對本工程所列出的工藝參數(shù)，為適應(yīng)市場調(diào)峰需求、降低前期投資、保證安全建設(shè)及生產(chǎn)，再生加熱建議采用方案二，即脫水裝置規(guī)模選用1 100×104m3/d的三甘醇脫水裝置，滿足采氣調(diào)峰需要。兩種方案的工藝流程基本相同，其中吸收和再生部分流程技術(shù)成熟可靠，尾氣回收流程裝置近年來在大慶地區(qū)有多套成功運行案例，能夠滿足工程環(huán)保要求。

4 結(jié)論

目前，三甘醇脫水工藝廣泛應(yīng)用于鹽穴型、干氣氣藏型儲氣庫地面工程中。根據(jù)上述比選得出結(jié)論：

（1）根據(jù)儲氣庫建設(shè)期間不同產(chǎn)氣量，需合理確定大型儲氣庫三甘醇脫水裝置處理規(guī)模，以確保其在不同的產(chǎn)氣量情況下裝置能夠平穩(wěn)操作。

（2）對于三甘醇脫水裝置大型關(guān)鍵設(shè)備吸收塔，合理確定塔徑及壁厚，減少在設(shè)備制造、主材供應(yīng)、卷板、焊接、無損檢測、熱處理、設(shè)備運輸方面的投資。

（3）選用成熟可靠的加熱技術(shù)，減少工程投資。

（4）在三甘醇脫水裝置大型化設(shè)計規(guī)模比選時，技術(shù)經(jīng)濟對比建議從能耗、碳排放、裝置適應(yīng)性（負荷率）幾個方面綜合進行對比。