土庫曼斯坦某工程分子篩脫水裝置優化及應用

宋東輝 汪 貴 祁亞玲 胡 玲 董麗萍 杜通林

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年來完成的多項包含分子篩脫水裝置的項目，從現場操作運行來看，存在著流程不優化、設備本體損壞、設備能耗高等問題。本文對工藝流程和設備的結構設計等方面做了改進和優化，并將其應用于土庫曼斯坦某天然氣處理廠工程的設計中。

1 流程優化

1.1 再生氣H2S積累問題

由于H2S分子極性較強，分子篩在吸附脫水的同時吸附了天然氣中的部分H2S，造成H2S在分子篩中積累，再生初期的短時間內大量H2S進入再生系統中。若該股再生氣經增壓后返回到脫水裝置進口，則再生氣長期在分子篩脫水裝置中循環，會造成出裝置的產品天然氣中H2S含量超標，不能滿足相關的規范要求。同時，出分子篩脫水塔的富再生氣經再生氣冷卻器冷卻后溫度降低， H2S對設備及管線腐蝕加劇，長期運行會導致嚴重的后果[1]。存在潛在風險的部位見圖1。

1.2 解決方案

1.2.1 H2S積累問題的解決方案

為解決H2S積累問題，對富再生氣的工藝流程進行了優化：

a) 當再生氣中的H2S含量超標時（即再生初期），富再生氣經再生氣壓縮機增壓后返回至上游脫硫脫碳裝置的進口，脫除富再生氣中的H2S。

b) 當再生氣中H2S含量正常時，富再生氣返回至脫水裝置進口。從以往工程改造情況看，通過此優化，既解決了干氣中H2S含量超標的問題，又減輕了H2S含量正常時脫硫脫碳裝置的負荷。

具體優化情況見圖2。

1.2.2 設備及管線腐蝕問題的解決方案

富再生氣中H2S在再生初期含量較高，經過再生氣冷卻器后，其含量及溫度均滿足H2S腐蝕條件。為此，在設備及管線的選材方面做了相應的研究和比較[2-3]：

a) 再生氣冷卻器后的管線選用20 G，抗HIC材料。

b) 再生氣分離器采用Q245R（正火板）。

圖1 存在潛在風險的部位示意圖

圖2 分子篩脫水裝置流程優化示意圖

c) 再生氣壓縮機的進氣條件中明確了H2S含量，供貨商根據條件選擇能夠滿足該氣質條件的材料。

通過以上選材措施能夠很好地避免H2S在富再生氣中的腐蝕問題。

2 設備優化

2.1 防腐蝕優化

再生氣分離器為易腐蝕設備。為避免或盡量減少富再生氣對其腐蝕，結構設計做了一定的優化，其進口設計為彎管結構，并在封頭處設置了防沖擋板[4-5]，具體結構見圖3。

圖3 再生氣分離器防腐蝕設計細節圖

2.2 節能優化

節能優化的設備主要為再生氣加熱爐。

2.2.1 常規加熱爐（純輻射式）

純輻射式加熱爐采用燃料氣直接對爐管加熱，火焰在爐膛中的輻射熱將再生氣加熱達到要求的再生溫度。該類型的加熱爐由于僅僅利用了火焰直接加熱的熱量，排煙溫度較高，效率較低，燃料氣用量大，能耗較高。同時，純輻射式加熱爐的體積較大，增加了施工的難度。

2.2.2 加熱爐結構的優化

除純輻射式加熱爐外，通常采用另外一種形式的加熱爐即輻射式+對流式加熱爐。輻射式+對流式加熱爐利用了高溫的煙氣。進入加熱爐的再生氣首先進入對流段通過煙氣對其預熱，對流段所承擔的負荷約為總負荷的30%，然后再進入輻射段完成加熱。對流室的增加，降低了排煙溫度，減少了熱損失，將加熱爐的效率從69%提高到78.3%，減小了爐子的尺寸和投資。有利于降低設備的長期運行成本，實現節能環保的目的。設備結構對比見圖4。

圖4 加熱爐結構對比圖

2.3 承重強度優化

以往工程中出現過分子篩脫水塔底部支撐垮塌的情況。本項目對分子篩脫水塔的支撐結構設計綜合考慮了塔內件、分子篩及瓷球等填充物的重量因素，并考慮了極端情況的天然氣吸附壓降，經過強度計算后優化了支撐結構形式，增加了十字支撐結構，保證在極端工況時分子篩脫水塔不受損傷，為裝置的平穩運行起到了積極作用。結構優化前后對比見圖5～6。

圖5 優化前塔底結構圖

圖6 優化后塔底結構圖

3 結論

通過對以前工程中出現的問題進行研究，在新的工程中著重對裝置的工藝流程和設備選型進行優化，使裝置的操作運行平穩，并大大降低裝置的能耗，達到節能環保的目的。

[1]王遇冬. 天然氣處理原理與工藝（第二版）[M]. 北京：中國石油出版社，2011. 223-224.Wang Yudong. Natural Gas Processing Theory and Technology (2nd Edition)[M]. Beijing: China Petroleum Press, 2011. 223-224.

[2]王 澎. H2S 對天然氣處理設備的腐蝕及相應對策[J].天然氣與石油，2010, 28(2): 34-36.Wang Peng. H2S Corrosion on Natural Gas Processing Equipment and the Corresponding Countermeasures[J].Natural Gas and Oil, 2010, 28(2): 34-36.

[3]倪進方. 化工過程設計[M]. 北京：化學工業出版社，1999. 294-296.Ni Jinfang. Chemical Process Design[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 1999. 294-296.

[4]李 明，盧任務，冼祥發.某脫水裝置分子篩吸附塔設置數量的選擇[J]. 天然氣與石油，2006, 24(6): 46-50.Li Ming, Lu Renwu, Xian Xiangfa. Determination of Quantity of Molecular Sieve Absorbers in Certain Dehydration Unit[J]. Natural Gas and Oil, 2006, 24(6):46-5

[5]SY/T 0011-2007，天然氣凈化廠設計規范[S].SY/T 0011-2007, Natural Gas Purifying Plant Design Standards[S].