高含硫天然氣凈化裝置停工保護節能技術研究

譚召明

（中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州 635300）

中國石化達州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠（以下簡稱普光天然氣凈化廠）是中國石化建設的首個高含硫天然氣凈化廠，設計處理能力為1.2×1010m3/a，共有6套聯合12列凈化裝置。2015年，隨著天然氣量遞減，普光天然氣凈化廠逐漸減少凈化裝置的運行數量，部分凈化裝置需要停工。為了避免停工期間設備腐蝕速度加快及能耗過大，裝置停工保護成為必然。

1 天然氣凈化裝置

天然氣集氣末站來的高含硫天然氣先進入天然氣脫硫單元脫除幾乎所有的H2S、部分有機硫及CO2，然后進入天然氣脫水單元進行脫水處理，脫水后的合格凈化天然氣（產品氣）經調壓、分配廠內自用燃料氣后，至天然氣輸氣首站外輸。普光天然氣凈化廠天然氣脫硫及硫磺回收工藝流程見圖1。

圖1 普光天然氣凈化廠天然氣脫硫及硫磺回收工藝流程

天然氣脫硫單元脫硫溶劑再生產生的含H2S酸性氣體送至硫磺回收單元回收酸性氣中的硫元素，生產的液體硫磺送至硫磺成型單元固化成型，送至硫磺儲存倉庫堆放并外銷。硫磺回收單元的尾氣送至尾氣處理單元凈化處理后，送至尾氣焚燒爐焚燒，滿足國家環保要求的煙氣經煙囪排入大氣。尾氣處理單元生產過程中產生的酸性水送至酸性水汽提單元，汽提出的酸性氣體送至尾氣處理單元凈化處理，酸性水汽提單元處理后的合格凈化水送至循環水廠循環使用。

隨著原料氣處理量的逐步降低，部分凈化裝置依次停運。停工裝置硫回收系統中介質多樣，環境復雜，存在設備腐蝕、溶劑降解等問題。另外，普光氣田上下游無中間緩沖存儲裝置，天然氣凈化廠負荷調整頻繁，為實現高效提產、降產，部分短期停工的裝置過度保護，耗能過大。

2 凈化裝置停工保護節能技術

高含硫天然氣凈化裝置停工保護節能技術的研究內容主要包括停工保護工藝方式的優選和工藝參數的優化兩方面[1]。結合實際需求以及技術開發潛力，研究對象選定為雙脫單元（脫硫、脫水）、硫磺回收單元、蒸汽系統以及鍋爐汽包。

2.1 雙脫單元

雙脫單元分多個區域進行密封保護，需對相應區域的保壓范圍作出科學設定，保證系統得到有效的密封，防止系統內的胺液和三甘醇氧化變質，同時避免停工保護期間氮氣過量消耗。為得到最佳的保護效果，同時降低氮氣消耗量，選取多組保壓范圍進行保壓期間氮氣消耗量、充壓間隔時間和風險分析的試驗，結果見表1。

表1 雙脫單元高壓區不同保壓范圍內氮氣消耗統計表

對表1分析可知：雙脫單元高壓區選取的保壓上限值對氮氣消耗無明顯影響，但能延長充壓間隔時間，降低充壓頻率。因此確定該部分最高效節能的保護壓力上限值為0.6 MPa。

2.2 硫磺回收單元

2.2.1 停工期間主要危害

水是一種很好的溶劑，溶解能力極強，溶于水中的物質可以進行多種化學及電化學反應。純凈水對設備的腐蝕性很小，但是硫磺回收單元存在催化劑、FeS、S、SO2、CO2、H2O等介質，系統在正常生產時會產生少量硫酸鹽及亞硫酸鹽等腐蝕產物，這些鹽類溶于水中形成酸性環境，加快了其對設備的腐蝕速度。

2.2.2 硫磺回收單元停工保護

為確保停工裝置得到有效保護，需將系統進行氮氣置換，以保持系統干燥。硫磺回收單元為單一氣相系統，可作為一個整體對其進行保護。采取氮氣微正壓保護可防止空氣漏入系統內部。針對過程氣系統空間大、閥門通徑大的特點，選取密封保壓和持續補充兩種方式對系統密封效果進行測試，結果見圖2和圖3[2]。

圖2 系統壓力隨保壓時間的變化趨勢

由圖2和圖3可以看出：采取密封保壓方式，系統壓力下降很快，起不到保護作用；采取低流量持續補充低壓氮氣的方式可維持系統處于15～20kPa微正壓狀態，能有效避免發生超壓及漏氧的風險，同時達到低能耗、高效率的目的。

圖3 系統壓力隨低壓氮氣流量的變化趨勢

2.3 蒸汽系統

2.3.1 停工期間主要危害

1）水擊。停工期間，聯合裝置所有低壓蒸汽用戶點均關閉，管網內蒸汽處于停滯狀態，管網蒸汽溫度逐漸降低，極易發生嚴重的水擊現象，對蒸汽管網的安全構成嚴重威脅。

2）管線腐蝕。管網內蒸汽溫度降低后，管網壓力下降，空氣中的氧可能從管網中的放空安全閥、人孔和法蘭密封面和閥門盤根等密封點處漏入管網中與管網中冷凝的液態水相互作用，對管網造成嚴重的腐蝕，生成大量腐蝕產物，對開工時的蒸汽質量、安全運行造成極大隱患。

3）疏水閥老化。由于停工期間管網內部蒸汽流動性低，位于疏水閥前管線盲區因流動性差而造成此處部分蒸汽冷凝，導致疏水閥頻繁開關，大大縮短疏水閥的使用壽命。

2.3.2 選定保護方式

為防止停工期間發生上述問題，經過技術討論分析，提出兩種保護方式：

1）用氮氣置換管網中的蒸汽后，采取氮氣正壓保護。

2）維持蒸汽管網的溫度高于露點溫度，采取蒸汽正壓保護。

氮氣正壓保護和蒸汽正壓保護的優缺點對比見表2。

由表2可見：若使用氮氣保護，在開工準備時將耗費大量的時間、蒸汽與勞動量。另外，在蒸汽管網正常運行時，會在管線內壁產生不同程度的結垢，當管網采用氮氣保護后，內部溫度降低，垢下殘留未被置換的蒸汽將會冷凝，對管線造成一定的腐蝕；若使用蒸汽正壓保護，在開工準備時無需置換，只需對停工裝置加強蒸汽管路的疏水，減少蒸汽含水量，同時控制蒸汽中的不凝氣(φ)為5%以下。雖然蒸汽正壓保護成本高于氮氣正壓保護，且無法徹底避免水擊，但從開工準備成本和管路垢下腐蝕等方面考慮，普光天然氣凈化廠凈化裝置蒸汽系統停工期間選取蒸汽正壓保護方式。

表2 不同保護方式優缺點對比

2.3.3 確定保護期間蒸汽流量

蒸汽流量決定了停工保護期間蒸汽管網的壓力與溫度，是影響蒸汽消耗量和勞動量大小的關鍵參數。

根據實際情況，在確保蒸汽品質的條件下，通過改變蒸汽流量、管網壓力、管網溫度、疏水和凝結水排液間隔時間，對中壓蒸汽管網和低壓蒸汽管網進行不同界區閥位下的停工保護試驗，結果見表3～4。

表3 中壓蒸汽管網保護試驗數據

由表3可見：當界區暖管線角閥閥位為5%時，蒸汽管網壓力為1.04 MPa，溫度為202 ℃。查水蒸氣在不同壓力下的飽和蒸汽溫度表可知，此時蒸汽過熱度為11%，發生水擊的風險低，可滿足停工期間蒸汽管網保護的要求。通過對表3數據的計算，推算出此狀態下中壓蒸汽管網保護蒸汽流量約為 1～2 t/h。

表4 低壓蒸汽管網保護試驗數據

由表4可見：由于低壓蒸汽界區壓力副調節閥通徑過大，無法起到停工期間調節低壓蒸汽流量、管網壓力和溫度的作用。

為了準確控制低壓蒸汽管網保護蒸汽的流量，進行了不同閥位開度的試驗，數據見表5。

表5 蒸汽管網保護期間凝結水排放量試驗數據

由表5可見：不同閥位下的蒸汽消耗量和凝結水排液量相同。出于安全因素考慮，選取暖管線角閥和PV-70101B閥位的開度都為20%，可保證管網蒸汽具有一定的過熱度，同時防止發生水擊。通過對表5數據的計算，推算出此狀態下低壓蒸汽管網保護蒸汽流量約為1 t/h。

2.4 鍋爐汽包

2.4.1 停工期間主要危害

鍋爐汽包停工期間，若不采取適當的保護措施，進入鍋爐的氧氣會使潮濕的金屬表面產生氧腐蝕，給設備和管線帶來隱患和損壞。

2.4.2 解決方法

2.4.2.1 選定低壓氮氣充壓點

各中、低壓汽包均無低壓氮氣接入點，需臨時加裝低壓氮氣管線。由于各中、低壓汽包相對獨立，若單獨進行保護需加裝5根低壓氮氣管線，存在停工期間日常管理難度大、充壓操作繁瑣、發生臨時管線脫落的風險高等問題。

結合現場實際，普光天然氣凈化廠優選充壓點，創新性地提出“連通式保護法”，即通過鍋爐給水管網，將所有中、低壓鍋爐汽包連成兩個相對獨立的系統：低壓鍋爐保護系統和中壓鍋爐保護系統，如此只需分別在中、低壓鍋爐給水管網界區各加裝1根臨時低壓氮氣管線，利用低壓氮氣置換凈化裝置鍋爐給水管網的鍋爐水，通過各汽包給水調節閥調節氮氣流量，控制其保護壓力。

2.4.2.2 設定密封保護壓力范圍

根據生產經驗，結合凈化裝置中、低壓鍋爐設計參數，設定鍋爐汽包密封保護壓力見表6。

表6 鍋爐汽包保護壓力范圍

3 凈化裝置停工保護節能技術應用效果

在凈化裝置停工期間，每月按30 d計，停工保護節能技術應用前、后主要能耗和節省的月度運行費用見表7。

由表7可見：停工期間凈化裝置整體能耗相比于停工保護節能技術應用前大幅降低，取得了良好的節能效果，產生了巨大的經濟效益，每月可節省運行費用199.7萬元。

表7 凈化裝置停工保護期間主要能耗和運行費用

為了避免凈化裝置停工保護期間出現異常情況，操作人員對采用停工保護節能技術的裝置參數進行了詳細的監控與記錄，從監測的數據來看，各凈化裝置的腐蝕速率遠低于設計要求0.076 mm/a。

4 結論

普光天然氣凈化廠通過對大型天然氣凈化裝置停工保護節能技術的研究與應用，制定了一系列停工保護標準化參數，完善了工藝卡片，有效控制了停工期間凈化裝置的能耗與腐蝕速率，取得了良好的保護效果，實現了凈化裝置停工高效節能保護的目標。該凈化裝置停工保護節能技術，填補了大型天然氣凈化裝置停工保護技術的空白，可推廣至其他相同工藝設計的凈化裝置，為以后的停工保護提供有效的技術支持。