天然氣油水分離器效果差的原因及改進(jìn)措施

張明星 任 丹

(四川美豐化工股份有限公司 四川德陽(yáng)618000)

天然氣油水分離器效果差的原因及改進(jìn)措施

張明星 任 丹

(四川美豐化工股份有限公司 四川德陽(yáng)618000)

1 存在的問(wèn)題

在以天然氣為原料的合成氨裝置中，經(jīng)常因天然氣夾帶含較多的鹽類雜質(zhì)堵塞天然氣壓縮機(jī)等設(shè)備而需停車檢修的故障。四川美豐化工股份有限公司200kt/a合成氨裝置在2012年多次發(fā)生該類故障。在停車拆檢中發(fā)現(xiàn)，許多固體鹽類雜質(zhì)和少量碳垢堵塞在天然氣壓縮機(jī)氣道、氣閥以及去一段爐的天然氣管道、一段爐的爐管壁，還引起一段爐的爐管有局部發(fā)紅現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。特別是2012年上半年以來(lái)，原料天然氣內(nèi)夾帶異物(主要是鹽類物質(zhì))很多，導(dǎo)致天然氣壓縮機(jī)氣道、氣閥堵塞，嚴(yán)重影響裝置的滿負(fù)荷生產(chǎn)，還存在導(dǎo)致氣缸內(nèi)無(wú)止點(diǎn)間隙而發(fā)生設(shè)備損壞等事故隱患。若油水等雜質(zhì)帶入一段爐的爐管內(nèi)，會(huì)使管內(nèi)因析碳、局部堵塞而發(fā)紅，影響一段爐的安全運(yùn)行，造成重大安全事故。

2 原因分析

(1)原天然氣油水分離器結(jié)構(gòu)不合理(圖1)，不能有效分離油水、鹽類等雜質(zhì)。設(shè)備內(nèi)只有分離內(nèi)件，即1臺(tái)絲網(wǎng)除沫器，無(wú)其他有效分離油水等雜質(zhì)的分離內(nèi)件，故所分離氣體中夾帶大量油水、鹽類等雜質(zhì)時(shí)的分離效果較差。

(2)絲網(wǎng)除沫器(直徑D1=1200mm)的設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況嚴(yán)重偏離，致使分離油水、鹽類雜質(zhì)的效果差，雜質(zhì)隨天然氣被帶入上述設(shè)備和管線，造成堵塞等故障。生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，天然氣(流量為26000m3/h)的壓力經(jīng)常在0.44～1.80MPa大幅波動(dòng)，而該設(shè)備進(jìn)行油水分離計(jì)算的天然氣壓力為1.35MPa、溫度40℃，強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)壓力為1.98MPa。

圖1 原天然氣油水分離器結(jié)構(gòu)示意

從原料天然氣的雜質(zhì)變化情況看，當(dāng)其壓力下降越多，其油水、鹽類等雜質(zhì)含量也就越多，而壓力在1.00MPa以上時(shí)，其中雜質(zhì)含量非常少。從設(shè)備(特別是絲網(wǎng)除沫器)的設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際使用情況對(duì)比看，設(shè)備在低壓力與設(shè)計(jì)工況偏離很大時(shí)，即其操作氣速高于液泛氣速的25%時(shí)，其分離油水、鹽類雜質(zhì)的效果變得很差。

原設(shè)計(jì)進(jìn)界區(qū)天然氣壓力P2=1.35MPa，溫度T2=40℃=313K，流量Q1=20420m3/h。查相關(guān)資料得:天然氣在0℃(即 T1=273K)及101.325kPa(即P1=0.10MPa)條件下，密度ρ1為0.7174kg/m3。水的密度ρL為1000kg/m3，過(guò)濾網(wǎng)常數(shù)K(SP型為0.201)，則氣體在設(shè)計(jì)工況下的流量Q2:

氣體在設(shè)計(jì)工況下的密度ρG:

絲網(wǎng)除沫器的液泛氣速，即絲網(wǎng)除沫器操作中的極限氣速uf:

0.25 uf=0.545(m/s)，則氣體在通過(guò)絲網(wǎng)除沫器的操作氣速ug:

ug=0.426m/s＜0.545m/s，符合絲網(wǎng)除沫器的設(shè)計(jì)要求。

但在天然氣偏離設(shè)計(jì)工況較大時(shí)，其帶油水、雜質(zhì)情況就變得很嚴(yán)重，且此時(shí)進(jìn)裝置界區(qū)天然氣壓力下降至0.44MPa，在該工況下操作氣速發(fā)生了較大變化，不符合設(shè)計(jì)要求。具體情況如下:壓力P3=0.44MPa，設(shè)計(jì)溫度T3=313K，流量Q1=26000m3/h=7.2222m3/s。則氣體在設(shè)計(jì)工況下的流量Q3:

氣體在設(shè)計(jì)工況下的密度ρG:

絲網(wǎng)除沫器操作中的極限氣速uf:

0.25 uf=0.957(m/s)，則氣體在通過(guò)絲網(wǎng)除沫器的操作氣速ug:

ug=1.664m/s＞0.957m/s，達(dá)不到絲網(wǎng)除沫器的設(shè)計(jì)要求，致使分離效果很差。

3 處理措施

(1)改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更有利于氣液分離的新型高效分離器(圖2)，以達(dá)到更佳的分離效果。選擇最適宜氣液分離的進(jìn)氣方式，即切向進(jìn)氣，增設(shè)分離油水、鹽類等雜質(zhì)的內(nèi)件。

圖2 新型高效分離器結(jié)構(gòu)示意

(2)選擇在天然氣壓力最低且最苛刻工藝條件下的流量、壓力等工藝運(yùn)行參數(shù)，重新設(shè)計(jì)絲網(wǎng)除沫器。計(jì)算其在設(shè)備內(nèi)筒內(nèi)的最佳氣速并確定相應(yīng)的分離筒體內(nèi)徑，作為該設(shè)備的工藝條件，設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算以天然氣最高進(jìn)氣壓力為基準(zhǔn)。

根據(jù)原因分析第2條計(jì)算，在帶油水、雜質(zhì)等嚴(yán)重時(shí)的工況條件下，絲網(wǎng)除沫器的液泛氣速uf為3.826m/s，即絲網(wǎng)除沫器的操作氣速ug= 0.957m/s，則絲網(wǎng)除沫器的直徑D1:

D1=［4Q3/(πug)］1/2=1583(mm)

絲網(wǎng)除沫器外邊緣與支撐圈之間的距離取40mm，則分離內(nèi)筒體直徑為1663mm，圓整為1700mm，取分離器筒體內(nèi)直徑D2=1700mm，外筒體直徑為2100mm，選擇X1700-150SP絲網(wǎng)除沫器。則氣體在通過(guò)絲網(wǎng)除沫器的操作氣速ug為0.830m/s，因此，ug＜0.25uf(即0.957m/s)，達(dá)到絲網(wǎng)除沫器的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

利用2012年底大修停車機(jī)會(huì)進(jìn)行此次改造后，新設(shè)計(jì)的高效分離器能有效分離天然氣中的雜質(zhì)，解決了雜質(zhì)堵塞壓縮機(jī)、工藝管線等問(wèn)題，消除了一段爐的爐管紅管的安全隱患;同時(shí)，減少了停機(jī)次數(shù)，降低了天然氣消耗，確保了生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2014-08-05)