天然氣液體脫硫一體化集成裝置研制與應用*

何蕾 薛崗 王立寧 葛濤 朱建波 劉銀春 楊光

1西安長慶科技工程有限責任公司

2長慶油田公司工程造價管理部

3長慶油田公司第四采氣廠

目前，長慶油田處于“二次加快發(fā)展”的關鍵時期，規(guī)劃2025 年油氣當量突破6 300×104t。大規(guī)模的油氣開發(fā)面臨著資源品位下降、有效建設時間短、投資控制難度大等問題。例如，蘇里格氣田和榆林氣田等區(qū)塊常規(guī)開發(fā)不含硫的上古生界氣藏，多年的勘探開發(fā)建立了上古天然氣地面集輸系統[1-3]。但近幾年逐步開發(fā)含硫的下古生界氣藏，部分含硫氣井位置分散，遠離下古天然氣地面集輸系統，導致產能無法發(fā)揮。

為解決偏遠含硫氣井的外輸問題，研制了天然氣液體脫硫一體化集成裝置。利用該裝置在集氣站對含硫天然氣進行脫硫處理，凈化后天然氣接入上古天然氣地面集輸系統。

1 裝置組成

裝置主要由脫硫吸收塔、循環(huán)泵、補液泵、H2S含量在線檢測儀、PLC控制箱、配電箱組成。橇座尺寸為11 000 mm×3 000 mm。設備布置如圖1所示。

圖1 天然氣液體脫硫一體化集成裝置設備布置示意圖Fig.1 Layout diagram of integrated natural gas liquid desulfurization device

1.1 主要參數

（1）原料氣潛硫量：≤50 kg/d。

（2）裝置規(guī)模：20×104～60×104m3/d（操作彈性為40%～120%）。

（3）進氣壓力：5.5～5.8 MPa(G)。

（4）進氣溫度：10～30 ℃。

（5）脫硫劑硫容量：≥85 g/L。

（6）凈化氣H2S質量濃度：≤20 mg/m3。

1.2 脫硫吸收塔

脫硫吸收塔選用填料塔[4]，塔體變徑設計，按功能分為儲液段和脫硫段，儲液段直徑1 800 mm，脫硫段直徑800 mm，脫硫段填充Ф38 mm 金屬矩鞍環(huán)散堆填料；頂部設置液體分布器[5]，有效增大氣液接觸面積，提高脫硫效率。

塔高11 325 mm，配備兩對容器法蘭，方便內部填料更換和設備檢修。脫硫塔結構示意圖見圖2。

1.3 脫硫劑

脫硫劑選用三嗪溶液[6]。三嗪溶液為無色或淡黃色透明黏稠狀液體，無刺激性氣味，pH=7～11，其優(yōu)點是脫硫產物為水溶性液體，安全性高，不需回收，可直接回注地層。

三嗪溶液脫硫原理（圖3）：三嗪溶液中的三嗪屬于一種環(huán)狀胺，具備胺的基本特征，三嗪分子與H2S 快速反應生成噻二嗪，噻二嗪繼續(xù)與另外一分子H2S 緩慢反應生成二噻嗪。理論上，三嗪以1∶3 的摩爾比與H2S 反應[7-8]。

圖2 脫硫吸收塔結構示意圖Fig.2 Structural diagram of desulfurization tower

圖3 三嗪溶液脫硫原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of desulfurization based on triazine solution

1.4 工藝流程

裝置工藝流程包括天然氣脫硫流程、脫硫劑循環(huán)流程和脫硫劑補充流程（圖4）。

（1）天然氣脫硫流程。原料天然氣自底部進入脫硫吸收塔，與自頂部進塔的脫硫劑溶液在填料層內逆向、充分接觸，將天然氣中的H2S質量濃度脫除至20 mg/m3以下，再經塔頂捕霧絲網除去大于5 μm 的脫硫劑液滴后由塔頂部出塔，吸收H2S 的脫硫劑溶液自塔底排出進入循環(huán)泵；塔底部設有排液口，與塔內液位連鎖，用來調節(jié)脫硫吸收塔液位。

（2）脫硫劑循環(huán)流程。脫硫劑溶液自脫硫吸收塔排出，先由過濾器除去固體雜質，再經過循環(huán)泵壓縮、流量計量和調節(jié)，進入脫硫吸收塔，循環(huán)使用。

圖4 天然氣液體脫硫一體化集成裝置工藝流程示意圖Fig.4 Flow chart of integrated natural gas liquid desulfurization device

（3）脫硫劑補充流程。新鮮脫硫劑溶液經過濾器過濾、流量計量、補液泵壓縮，與脫硫劑循環(huán)管路匯成一路，進入脫硫吸收塔。

2 主要功能

（1）天然氣液體脫硫。裝置設置脫硫吸收塔1具，選用三嗪溶液作為脫硫劑，在集氣站內將偏遠低含硫氣井來天然氣中的H2S 質量濃度脫除至20 mg/m3以下，接入上古天然氣地面集輸系統。

（2）天然氣脫硫前后H2S含量在線檢測。裝置設置H2S 含量在線檢測儀1 臺，該檢測儀具有雙檢測通道，可以實時測量凈化天然氣中H2S含量，根據用戶需要周期性測量原料天然氣中H2S含量，用來監(jiān)測裝置的脫硫效果。

（3）自動排液和自動補液。裝置設置PLC 控制系統，H2S 含量在線檢測儀顯示凈化天然氣中H2S質量濃度大于或等于15 mg/m3時，自動打開脫硫吸收塔底部排液調節(jié)閥，將脫硫劑富液排出；液位降至300 mm 時，自動關閉排液調節(jié)閥；打開排液調節(jié)閥的同時，自動啟動補液泵，進行新鮮脫硫劑溶液補充；液位升至1 000 mm 時，自動關閉補液泵[9]。

（4）遠程監(jiān)控和定位。PLC 控制系統自動采集實時數據，這些數據可以上傳至裝置所在站場，也可以通過無線傳輸方式傳輸至管理單位控制臺進行集中監(jiān)測，利用手機APP 即可進行監(jiān)控和定位。

3 裝置特點

（1）集成度高，占地面積小。裝置將脫硫吸收塔、循環(huán)泵、補液泵、H2S 含量在線檢測儀、PLC控制箱、配電箱等設備集中成橇，管線和管件較多，管線分層布置，結構緊湊，占地面積小。三通閥門有3 個接口，將常規(guī)切換流程的2 個閥門簡化為1 個閥門，通過調整閥芯位置使閥門截斷或者連通，實現流程切換。本裝置采用“一進兩出（分流閥）三通閥”，減少閥門數量，簡化管線安裝。

（2）選用三嗪溶液，脫硫精度高。脫硫劑選用三嗪溶液，將天然氣中H2S 質量濃度脫除至20 mg/m3以下，脫硫精度高。

（3）集成裝置便于拆遷拉運與安裝。由于工程特點，含硫氣井采氣周期結束后，脫硫裝置將搬遷至其他集氣站，集成裝置結構緊湊，便于拆遷拉運與安裝。

4 實施效果

（1）脫硫效果顯著。目前，應用于蘇里格氣田某集氣站的脫硫裝置已投產運行。該集氣站天然氣處理量25×104m3/d，H2S 質量濃度約100 mg/m3，凈化后天然氣H2S 質量濃度為0～5 mg/m3，三嗪溶液消耗量為280 L/d，硫容量為90 g/L，三嗪溶液價格按照1.8萬元/t計算，天然氣處理成本約0.02元/m3。

（2）具有較好的經濟效益和社會效益。本裝置處理規(guī)模為50×104m3/d，按照每年采氣天數330天計算，單套裝置每年增加天然氣產量1.65×108m3，年銷售收入增加2.1 億元。裝置的應用有效解決了蘇里格氣田和榆林氣田等區(qū)塊偏遠含硫氣井外輸問題，使得該類氣井產能得到發(fā)揮，推進長慶氣田“二次加快發(fā)展”。該工藝對環(huán)境友好，無污染。

（3）實現站場無人值守。PLC 控制系統自動化程度高，可以遠程監(jiān)控和定位，站場無人值守，實現減員增效，打造長慶智慧油田[10]。

（4）縮短施工周期。集成裝置全部在車間完成，既保證焊接質量，又避免惡劣天氣對施工的影響，集氣站施工周期可以縮短15 天。

5 結束語

裝置的研制進一步深化了長慶氣田的標準化設計，實現了設備的小型化、橇裝化、集成化、一體化、網絡化和智能化。

天然氣液體脫硫一體化集成裝置具有脫硫精度高，建設周期短，占地面積小，以及減員增效等優(yōu)勢，經濟效益和社會效益顯著，在低含硫氣井天然氣凈化方面具有廣闊的應用前景。