天然氣露點(diǎn)控制裝置工藝優(yōu)化

孫 雷

（艾法能源工程股份有限公司，天津 300457）

天然氣露點(diǎn)控制裝置工藝優(yōu)化

孫 雷

（艾法能源工程股份有限公司，天津 300457）

某天然氣露點(diǎn)控制裝置能耗過高，設(shè)備陳舊，尺寸過大，經(jīng)濟(jì)效益差，需要新建一套裝置替代原裝置。新裝置從關(guān)鍵設(shè)備選型、防凍劑注入方式等角度，進(jìn)行了工藝優(yōu)化。優(yōu)化后的裝置結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸和重量明顯降低，系統(tǒng)能耗明顯節(jié)約。優(yōu)化結(jié)果表明：選用板翅式換熱器等緊湊高效換熱器替代常規(guī)換熱器，可以大幅降低系統(tǒng)制冷負(fù)荷需求，節(jié)約系統(tǒng)能耗；高效換熱器的使用大幅降低裝置的尺寸和重量；采用兩段注醇工藝明顯節(jié)約乙二醇注入量，降低乙二醇再生能耗。

露點(diǎn)控制；工藝優(yōu)化；板翅式換熱器；注醇工藝

天然氣露點(diǎn)控制指脫除天然氣中會影響其在輸送條件下正常流動的氣相水和天然氣液烴（NGL）組分，以滿足天然氣氣質(zhì)指標(biāo)和深度分離的需要以及天然氣在管輸條件下對水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的要求。

對含有較多 NGL 組分的油田伴生氣和凝析天然氣而言，能同時(shí)有效脫除其中水和烴的方法是溫降法，包括節(jié)流膨脹制冷法和外加冷源制冷法。其中，節(jié)流膨脹制冷法適用于自然壓力能可供利用的場合，在不具備壓力能可供利用的場合，常用的是外加冷源制冷法[1]。丙烷制冷系統(tǒng)在天然氣露點(diǎn)控制裝置中最為常用，適用于冷凝溫度高于-35 ℃的工況[2]。

低溫冷凝的脫水脫烴效果是顯而易見的，但為了達(dá)到較深的脫水深度，對制冷設(shè)施提出了更高的要求。丙烷制冷系統(tǒng)屬高耗能設(shè)備，電力消耗為生產(chǎn)中最主要的成本輸出[3]。制冷量需求的大小直接影響天然氣脫水脫烴過程的工程投資和能量消耗[4,5]。因此，對天然氣冷凍法露點(diǎn)控制工藝進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 原裝置工藝方案介紹

1.1 生產(chǎn)需求概況

青海某氣田日產(chǎn)天然氣 100×104m3/d(S)，天然氣中酸氣含量較低，但天然氣中的重組分較多，低溫下平均 1×104m3天然氣，可產(chǎn)生 0.02 m3凝液。原料氣操作溫度 40 ℃，操作壓力 4.5～5.5 MPa(G)，當(dāng)?shù)囟经h(huán)境溫度較低，為保證外輸安全，要求烴水露點(diǎn)降至-15 ℃。

1.2 原裝置工藝方案

該氣田現(xiàn)有一套在運(yùn)行露點(diǎn)控制裝置，采用丙烷制冷系統(tǒng)降溫脫水脫烴。該裝置的工藝流程如圖1所示。

原料氣經(jīng)預(yù)分離器脫除攜帶的液態(tài)水、凝液和雜質(zhì)，進(jìn)入預(yù)冷換熱器與低溫干氣換熱，回收干氣的冷量。預(yù)冷后的天然氣和凝析液一起進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)進(jìn)一步降溫至-15 ℃。低溫氣經(jīng)三相分離器分離出凝液，氣體露點(diǎn)達(dá)到外輸要求，經(jīng)冷量回收后外輸。

為防止含有飽和水的天然氣隨溫度的降低形成水合物，在天然氣冷凍前必須注入水合物抑制劑，降低水合物生成溫度 。本裝置的冷凍目標(biāo)溫度為-15 ℃，采用 75%（w）的乙二醇水溶液作為抑制劑，該抑制劑的冰點(diǎn)溫度在-45 ℃以下[7]。防凍劑在天然氣預(yù)冷前注入，經(jīng)低溫分離器分離后進(jìn)入再生系統(tǒng)加熱脫水再生。

圖1 原工藝流程Fig.1Originalprocess Chart

該裝置已經(jīng)運(yùn)行多年，故障率高，需要更換。生產(chǎn)過程制冷系統(tǒng)能耗過高，制冷量需要 521kW，壓縮機(jī)電負(fù)荷需要 272 kW。且整套裝置設(shè)備尺寸較大，占地多，操作維修不便。為此，該氣田要求通過工藝研究，提出優(yōu)化方案，更新一套露點(diǎn)控制裝置，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 工藝方案優(yōu)化

新的工藝方案在換熱器選型、增加中間預(yù)冷分離器等環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝流程如圖 2所示。

2.1 優(yōu)化換熱器類型

原裝置中預(yù)冷換熱器和冷凝器均為管殼式換熱器，換熱器按照熱端溫差 12 ℃進(jìn)行的設(shè)計(jì)。預(yù)冷換熱器設(shè)備尺寸為 1100（ID）X7944(L)，重量為 22 t。冷凝器設(shè)備尺寸為 650（ID）X6855(L)，重量為6 t[8]。不僅換熱設(shè)備尺寸、重量巨大，而且由于熱端溫差偏大，-15 ℃低溫干氣的冷量沒有被充分回收，原料氣預(yù)冷程度低，導(dǎo)致對制冷系統(tǒng)的負(fù)荷需求多。

采用高效換熱設(shè)備進(jìn)行冷量回收，降低預(yù)冷后天然氣的溫度，制冷系統(tǒng)的負(fù)荷也就隨之降低，不僅可以降低一次投資，裝置的運(yùn)行費(fèi)用也會降低。目前應(yīng)用成熟的緊湊高效換熱器主要有板翅式換熱器、螺旋板式換熱器、繞管式換熱器等。其中，板翅式換熱器由鋁合金制成，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，適用于氣體之間、氣體與液體之間的換熱以及相變換熱等工況。板翅式換熱器傳熱系數(shù)一般可達(dá)管殼式換熱器的 5～10 倍，熱端溫差可取 3 ℃左右，并能夠?qū)崿F(xiàn)多程流換熱 。新的工藝方案將預(yù)冷換熱器和冷凝器集成在一起，用一臺板翅式換熱器替代。

圖2 優(yōu)化后的工藝流程Fig.2 Optimizedprocess Chart

2.2 采用兩段注醇工藝

原裝置中，預(yù)冷換熱器后未設(shè)置分離器，防凍劑采用一次性按需注入。該裝置的注醇量為 800 kg/h，乙二醇再生加熱負(fù)荷為 100 kW。

方案優(yōu)化后采用兩段冷卻、兩段注醇的工藝。預(yù)冷前進(jìn)行第一次注醇，預(yù)冷換熱器后設(shè)置預(yù)冷分離器，凝液分離后進(jìn)行二次注醇。兩段注醇工藝明顯節(jié)約乙二醇注入量，降低乙二醇再生系統(tǒng)的能耗。方案優(yōu)化后的注醇量為 410 kg/h，乙二醇再生加熱負(fù)荷為 62 kW。

2.3 方案對比

本文從設(shè)備尺寸、重量、制冷系統(tǒng)負(fù)荷需求、制冷壓縮機(jī)消耗功率等角度將優(yōu)化方案與原工藝方案進(jìn)行了對比分析，如表1所示。

表1 新舊工藝方案對比Table 1Comparison between new and originalplane

由表1可見，優(yōu)化方案后制冷系統(tǒng)的冷量負(fù)荷降低 52%，制冷壓縮機(jī)電機(jī)需求功率降低 53%，大大降低了系統(tǒng)能耗。優(yōu)化后的換熱設(shè)備的尺寸和重量大幅降低，制冷系統(tǒng)規(guī)格比原裝置也明顯降低。兩段注醇工藝明顯節(jié)約乙二醇注入量，降低乙二醇再生系統(tǒng)的能耗。與一段注醇工藝相比，節(jié)約乙二醇耗量 390 kg/h，再生系統(tǒng)能耗降低 38 kW，約占38%。

按照優(yōu)化方案制造的露點(diǎn)控制裝置已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行近三年時(shí)間，運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和控制要點(diǎn)

通過對原裝置工藝方案的改造優(yōu)化和對比分析，供行業(yè)同仁參考：

（1）在天然氣冷凍脫水脫烴工藝中，選用板翅式換熱器可以替代多臺換熱器，實(shí)現(xiàn)換熱集成化，降低裝置尺寸和重量。

（2）板翅式換熱器對熱端換熱溫差要求低，可實(shí)現(xiàn)深度換熱，大幅降低對制冷負(fù)荷的需求，節(jié)能降耗效果顯著。

（3）采用兩段注醇工藝明顯節(jié)約乙二醇注入量，降低乙二醇再生能耗。

（4）本裝置對入口天然氣中固液雜質(zhì)夾帶有較高要求，采出氣在進(jìn)入本裝置前必須設(shè)置預(yù)處理裝置脫除固、液雜質(zhì)。

（5）乙二醇注入裝置選型要恰當(dāng)，充分霧化的乙二醇與天然氣的充分混合，一方面防凍效果好，同時(shí)避免在板翅式換熱器的板片間產(chǎn)生沉降，降低換熱效率。

（6）由于金屬汞對鋁制材料具有腐蝕性，對于含汞天然氣，不適合使用鋁質(zhì)板翅式換熱器。

［1］王協(xié)琴.天然氣脫水脫烴方法介紹[J].天然氣技術(shù)，2009，3（5）:51-54

［2］SY/T 0077-2008，天然氣凝液回收設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［3］解永剛，張昆，魏超，等.天然氣處理廠丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能改造[J].天然氣工業(yè)，2013，33（2）：99-104.

［4］李時(shí)宣，馮凱生，張明禮.天然氣小壓差節(jié)流制冷脫烴工藝技術(shù)[J].油氣田地面工程，2005，24（7）:17-18.

［5］張兆偉，叢延剛，張甲才.天然氣小制冷量低溫脫水脫烴技術(shù)[J].油氣田地面工程，2009，28（9）:86-87.

［6］晁宏洲，王赤宇，馬亞琴.乙二醇循環(huán)系統(tǒng)的工藝運(yùn)行分析[J].石油與天然氣化工，2007，28（9）:86-87.

［7］GPSA. Engineering Data Book [M]. 13th Edition，Tulsa，Ok.，2012

［8］祝傳鈺，孫雷，王峰，等.板翅式換熱器在天然氣中壓露點(diǎn)控制裝置中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2014（6）:103-105.

［9］嵇迅達(dá).我國板翅式換熱器技術(shù)進(jìn)展[J].低溫與特氣，1998（1）：22-27.

［10］宋春元.板翅式換熱器的技術(shù)進(jìn)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2008，34（4）：48-52.

Process Optimization of Natural Gas Dewpoint Control Device

SUN Lei
（Afar Energy Engineering Services Co.,Ltd., Tianjin 300457, China）

process optimization of natural gas dewpoint control device was carried out from the aspects of key equipment selection, glycol injection mode and so on. Optimized device was compared with original device. The results show that: using compact and efficient heat exchanger such asplate type finned heat exchanger can greatly reduce the refrigerant load demand and the energy consumption, and application of efficient heat exchanger can greatly reduce the size and weight of the device；The mode of glycol injection in two times can significantly save glycol injection rate and reduce glycol regeneration duty.

Dewpoint control;process optimization;plate type finned heat exchanger; Glycol injection mode

TE 624

： A

： 1671-0460（2017）02-0356-03

2016-10-10

孫雷（1983-），男，山東省菏澤市人，工程師，碩士學(xué)位，2008 畢業(yè)于中國石油大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，研究方向：從事石油天然氣工程技術(shù)工作。E-mail：lei.sun@afarenergy.com。