天然氣深冷裝置再生氣冬季凍堵分析及解決方案

2015-01-03 03:15:13范印帥大慶油田工程有限公司

油氣田地面工程 2015年9期

范印帥大慶油田工程有限公司

范印帥大慶油田工程有限公司

大慶油田已建深冷裝置均采用分子篩吸附脫水，其再生過程中再生氣攜帶出大量水分，經冷卻分離后呈飽和含水狀態摻入外輸氣管線，對外輸氣水露點影響較大，冬季經常發生管道凍堵事故，影響下游用戶安全用氣。針對再生氣含水量高對外輸氣露點的影響，從降低再生氣摻入外輸氣的水量角度考慮，對再生氣流程和存在問題深入分析。深冷裝置再生氣熱吹過程中所含的飽和水分進入外輸氣導致總外輸氣露點升高，是造成冬季輸氣管道凍堵的主要原因。提出幾種降低外輸氣水露點改造方案，經過對比確定采用再生氣三甘醇脫水方案。

深冷裝置；分子篩脫水；凍堵；再生氣；水露點；三甘醇脫水

大慶油田天然氣深冷處理裝置均為深度回收輕烴裝置，采用分子篩吸附脫水工藝對原料氣進行脫水處理。采用兩塔脫水流程，一塔吸附，一塔再生和冷卻。兩塔交替循環使用達到連續干燥的目的，分子篩吸水飽和后通入再生氣/冷卻氣對其進行再生、冷卻處理，達到分子篩的反復利用[1]。由于大慶地區冬季嚴寒，含水再生氣會摻入外輸管網，冬季運行時經常發生下游用戶管網凍堵情況。因此，如何解決深冷裝置外輸氣含水高的問題，對于天然氣管網冬季運行的安全性與穩定性，保證下游用戶用氣安全具有重要意義。

1 外輸氣存在的問題及分析

經壓縮、冷卻、分離后的原料氣，進入分子篩進行變溫、變壓吸附脫水。脫水后分子篩再生的再生氣和冷卻氣摻入到外輸氣管道中。通過對深冷裝置水露點化驗，分子篩熱吹階段外輸干氣出口處露點升高至-16.3℃，換算為管輸工況壓力下露點為5.5℃（理論計算值為4.8℃），這是導致冬季發生凍堵事故的主要原因。

分子篩吸附器在8 h的再生/冷卻周期中，熱吹和冷吹時間各為4 h。熱吹時間里，再生氣首先給分子篩床層加熱升溫，床層溫度逐漸升高，此時分子篩吸附水分脫除量較小；當溫度升高到一定拐點后，床層溫度保持一段時間的基本恒定，此階段是分子篩吸附水分被蒸發而隨再生氣大量帶出的過程，出塔再生氣經冷卻分離后含有飽和水，進入外輸干氣造成外輸氣露點迅速升高。由圖1溫度變化曲線可見，再生氣進入外輸干氣帶入大量飽和水的過程，是在熱吹起始階段和分子篩吸附水分蒸發階段的一段時間內。

圖1 再生氣出吸附器溫度變化曲線

表1為熱吹階段不同再生氣冷卻溫度條件下總外輸氣水露點的計算值。由表1可以看出，熱吹階段含水的再生氣摻入外輸干氣對露點影響較大，再生氣冷卻溫度越高，外輸氣露點越高。再生氣空冷器在冬季可充分利用環境溫度，在保證管束不凍的前期條件下盡量將含水再生氣冷卻至較低溫度（實際操作最低可冷卻至15℃），從而減少帶入外輸干氣的飽和水量，降低外輸氣出口的水露點溫度。

表1 深冷裝置外輸天然氣水露點計算數據℃

在11月至次年6月期間，大慶地區地面以下1.5～2 m處土壤溫度為0℃左右；7月至10月埋深處土壤溫度較高，可達5～12℃。冬季裝置運行時，分子篩熱吹階段外輸氣露點理論計算值為-7.8℃，可滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求。夏季裝置運行時，由于再生氣空冷器冷卻溫度較高，分子篩熱吹階段將有大量水分進入外輸干氣，導致外輸氣露點升高。一方面，較熱季節外輸氣露點高于埋地處土壤溫度，會有水冷凝下來，在管道中逐漸積聚增多，進入冬季后造成管線凍堵；另一方面，春冬、秋冬交替季節再生氣空冷器冷卻溫度達不到設計要求，也會造成外輸氣露點高于埋地處土壤溫度，發生管線凍堵問題。

綜合以上分析，再生氣熱吹過程中所含的飽和水分進入外輸氣導致總外輸氣露點升高是造成冬季管道凍堵的主要原因，并且深冷裝置外輸氣露點不合格主要發生在夏季及春冬、秋冬交替季節。

2 降低外輸氣水露點改造方案

為有效避免再生氣攜帶的飽和水進入外輸管網，造成冬季外輸管網凍堵，從降低再生氣的含水量的角度考慮，提出以下3個脫水方案：分子篩吸附器三塔脫水，再生氣三甘醇脫水，再生氣乙二醇低溫脫水。

2.1 分子篩吸附器三塔脫水

本方案主要是降低再生氣流量，從而減少帶入外輸干氣的水量。在原兩塔的基礎上增加一臺同規格的分子篩吸附塔，將兩塔流程改為三塔流程[2]。

工藝流程：在原兩塔流程基礎上增加一臺吸附器，再生氣/冷卻氣流量可比兩塔流程減少一半左右，新建三塔改造流程見圖2。分子篩三塔流程單塔循環過程與雙塔流程相同。三塔流程改變了循環周期，降低了再生氣流量。

圖2 深冷三塔脫水改造流程

根據三塔流程的再生氣量，計算熱吹階段不同再生氣冷卻溫度條件下總外輸氣水露點理論值，結果見表2。由表2可以看出，總外輸干氣露點可比兩塔流程降低8～9℃。

夏季空冷器出口溫度達到40℃的條件下，埋地管線中外輸氣水露點可滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求。大慶地區冬季最低氣溫可達-30℃以下，在再生氣空冷器按最低冷卻溫度20℃操作的條件下，計算外輸干氣出口露點為-16.1℃。考慮到管線施工時土壤回填質量不易保證，容易存在土酥松、縫隙等問題，冬季地面以下1.5～2 m處土壤溫度往往低于0℃，對于埋地管線，環境溫度按-5℃考慮，埋地管線外輸氣水露點仍可滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求。

表2 三塔脫水方案外輸天然氣水露點計算數據℃

2.2 再生氣三甘醇脫水

在再生氣出口設三甘醇脫水橇，對冷卻分離后的含殘余飽和水的熱吹階段再生氣進行脫水，再生氣脫水后再摻入外輸干氣管線，實現降低總外輸干氣水露點的目的[3]。

工藝流程：來自分子篩脫水系統再生氣分水罐的再生氣，溫度為20℃(冬季)～40℃(夏季)，進入三甘醇脫水橇，脫水后進入外輸管網，脫水流程見圖3。三甘醇脫水橇主要設備包括填料吸收塔1座、天然氣-三甘醇貧液換熱器1臺、三甘醇閃蒸罐1臺、三甘醇再生組合裝置1套。

圖3 再生氣三甘醇脫水流程

根據不同再生氣冷卻溫度，計算熱吹階段總外輸氣水露點理論值，結果見表3。再生氣經三甘醇脫水后水露點可降低30℃左右，總外輸干氣露點可比原再生氣直接摻入干氣流程降低20～30℃，各個季節均可滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求，并且在冬季外輸氣出口露點溫度為-30.7℃，地面管線也不易凍堵，因此可從根本上解決外輸氣含水的問題。

表3 三甘醇脫水方案外輸天然氣水露點計算數據℃

2.3 再生氣乙二醇低溫脫水

充分利用環境溫度，通過新建空冷器對再生氣進行低溫脫水，低溫脫水過程中注入乙二醇防凍劑。乙二醇脫水裝置冬季運行，夏季不運行。

工藝流程：來自分子篩脫水系統再生氣分水罐的再生氣溫度為20℃，進入空冷器進一步利用環境溫度冷卻，同時在空冷器進口注入質量濃度為80%的乙二醇水溶液，根據環境溫度的不同，空冷器可將再生氣冷卻至-20～10℃，脫水流程見圖4。冷卻后再生氣進入分離器進行兩相分離，氣相進入干氣外輸管網。乙二醇在常壓下再生。

外輸氣水露點降低效果分析：冬季運行時分子篩脫水系統再生氣來氣溫度可達20℃，依據環境溫度的不同，新設空冷器冷卻溫度也不同，根據不同的冷卻溫度，計算熱吹階段總外輸氣水露點理論值，結果見表4。

由表4可見，冬季再生氣經乙二醇低溫脫水后水露點降低較多，環境溫度越低，水露點降低越多，外輸干氣出口水露點比環境溫度低10～20℃以上，埋地管線和地上管線中外輸氣水露點均可滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求。在夏季乙二醇脫水流程不運行時，依據分子篩脫水系統再生氣冷卻分離溫度的不同，外輸干氣出口水露點達到-7.8～16.3℃，地上管線的水露點滿足比最低輸送環境溫度低5℃的要求。