三甘醇脫水工藝問(wèn)題分析及對(duì)策

李治鵬，楊洋，谷卓然，朱超，李長(zhǎng)春，向春林，張文

(中國(guó)石化西南油氣分公司 廣元天然氣凈化公司，四川 廣元 628000)

中石化廣元天然氣凈化有限公司2014年底建成投產(chǎn)[1]，以高壓、高含硫天然氣為原料，2019年全年累計(jì)處理4.08×109m3原料天然氣(簡(jiǎn)稱(chēng)原料氣)。該公司有4套含硫天然氣凈化聯(lián)合裝置，每套裝置由脫硫、脫水、硫磺回收等單元構(gòu)成[2]。單套聯(lián)合裝置設(shè)計(jì)處理量為3×106m3/d，硫磺回收量達(dá)80 kt/a[3]。若天然氣中含水量太大會(huì)造成管網(wǎng)腐蝕和降低管道壓力等異常情況，從而影響天然氣長(zhǎng)距離輸送的安全[4]。因此對(duì)天然氣中的含水量，即水露點(diǎn)有嚴(yán)格要求，夏季天然氣水露點(diǎn)不高于-10 ℃，冬季水露點(diǎn)不高于-15 ℃，所以經(jīng)過(guò)脫硫后的濕凈化氣需要進(jìn)一步深度脫水以滿足長(zhǎng)距離輸送需要[5]。根據(jù)物料特性和工藝對(duì)比，該公司選擇三甘醇(TEG)工藝為天然氣的脫水工藝。

1 天然氣脫水工藝簡(jiǎn)述

目前，國(guó)內(nèi)外使用的天然氣脫水工藝主要有冷凍分離法、分子篩吸附法、懸離分離法[6]和TEG溶劑吸收法[7-8]，而TEG溶劑吸收法由于工藝成熟，安全高效、易再生等優(yōu)勢(shì)，已成為世界上普遍采用的天然氣脫水工藝[9]。TEG脫水工藝流程如圖1所示，自脫硫單元來(lái)的濕凈化氣從底部進(jìn)入脫水塔，與TEG逆流接觸，TEG吸收濕凈化氣中的水分，脫水后的天然氣即可輸送至銷(xiāo)售管網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)TEG的循環(huán)使用，將吸水后TEG的富液通過(guò)換熱升溫到約175 ℃后進(jìn)入溶劑再生塔，再經(jīng)過(guò)汽提塔后汽提氣進(jìn)一步汽提純化，最終得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.5%的貧TEG液體。脫水單元通過(guò)DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)塔器等設(shè)備的液位、壓力、溫度等[10]參數(shù)的控制，通過(guò)SIS實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)和安全聯(lián)鎖保護(hù)。

2 脫水單元控制措施

該公司脫水單元DCS主要由控制站、操作站、工程師站以及輔助機(jī)柜等組成，是該公司自動(dòng)化生產(chǎn)的核心。脫水塔操作壓力約為5.7 MPa，閃蒸罐和TEG再生系統(tǒng)的操作壓力約為0.4 MPa，為防止高壓竄低壓，脫水塔的液位須嚴(yán)格控制。由脫水塔液位控制器LIC-101和控制閥LV-101組成脫水塔液位調(diào)節(jié)回路控制。當(dāng)脫水塔液位超出或低于正常值時(shí)，液位控制器LIC-101輸出信號(hào)，LV-101閥位開(kāi)度增大或調(diào)小，控制TEG富液流量達(dá)到控制液位的目的。為了避免脫水塔液位過(guò)低，發(fā)生高壓天然氣竄入閃蒸罐，在脫水塔富液出口管線液位控制閥LV-101前設(shè)置了緊急切斷閥XV-101，一旦脫水塔液位過(guò)低，XV-101閥直接關(guān)斷。

圖1 三甘醇脫水工藝流程示意

脫水單元系統(tǒng)壓力也需要嚴(yán)格控制，防止壓力過(guò)高，造成憋壓，進(jìn)而影響聯(lián)合裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。由控制器PIC-702和控制閥PV-702組成的控制回路來(lái)控制壓力。正常生產(chǎn)時(shí)PV-701關(guān)閉，PV-702打開(kāi)時(shí)，產(chǎn)品氣直接輸出聯(lián)合裝置，進(jìn)入輸氣管網(wǎng)。異常情況時(shí)裝置系統(tǒng)壓力超高報(bào)警，關(guān)閉PV-702閥，開(kāi)啟控制閥PV-701，將產(chǎn)品氣泄壓至高壓火炬放空，保證脫水系統(tǒng)壓力平穩(wěn)。

3 脫水單元效果評(píng)價(jià)

脫水單元采用流量和壓力控制措施后，濕凈化氣入口的流量控制在(9.6～10.6)×104m3/h，TEG循環(huán)量控制在2.9～3.1 t/h，聯(lián)合裝置脫水檢測(cè)效果見(jiàn)表1所列。

表1 濕凈化氣和產(chǎn)品氣各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

從表1中可以看出，TEG脫水工藝能有效地脫出濕凈化氣中的游離水，使得天然氣甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.4%，水露點(diǎn)為-19 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 存在問(wèn)題分析及解決措施

由于該公司聯(lián)合裝置長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，脫水單元出現(xiàn)因TEG重沸器溫度不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致TEG再生不合格，污染物引起TEG發(fā)泡等問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析并施以?xún)?yōu)化措施。

4.1 TEG再生不合格

TEG再生不合格主要原因有再生溫度低和汽提氣用量不夠兩個(gè)方面。再生溫度低的主要原因是脫硫溶劑與TEG反應(yīng)生成大量污垢，并堆積在TEG重沸器中，使TEG重沸器因大量污垢堆積而換熱效果變差，進(jìn)而使TEG再生溫度達(dá)不到要求。

4.1.1脫硫溶劑的影響

正常情況下，TEG經(jīng)閃蒸后，蒸發(fā)掉大部分甲烷、乙烷等氣體，TEG富液通過(guò)再生塔頂部盤(pán)管和貧富液換熱器升溫至175 ℃，再進(jìn)入TEG再生塔，通過(guò)溫度為180～204 ℃，壓力為3.8 MPa的高壓蒸汽加熱，脫除TEG中的水分和烴類(lèi)。TEG富液與再生塔換熱時(shí)，冷卻再生塔頂氣態(tài)TEG以減少TEG消耗。由于裝置長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行及操作和設(shè)備本身等原因，脫硫單元會(huì)發(fā)生沖塔等異常情況，脫硫溶劑直接沿著濕凈化氣管路進(jìn)入脫水單元與TEG混合，從而污染了TEG，特別是脫硫溶劑與TEG反應(yīng)生成大量污垢粘附在管線和換熱器璧面，在重沸器中堆積大量污垢，該類(lèi)物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間不能排除脫水系統(tǒng)，導(dǎo)致TEG重沸器結(jié)垢嚴(yán)重而降低換熱效果[11-12]。重沸器中TEG溫度遠(yuǎn)小于180 ℃，通過(guò)DCS將TEG循環(huán)量降低到2.5～2.8 t/h，再生溫度仍然處于167～170 ℃，使得TEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于設(shè)計(jì)值99.5%，再生不合格，從而使產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)。

重沸器溫度與TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)品氣水露點(diǎn)之間的關(guān)系如圖2所示，研究了重沸器溫度對(duì)TEG再生效果的影響。

圖2 重沸器溫度對(duì)TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的影響曲線示意

從圖2中可以看出，隨著重沸器溫度的升高，wTEG呈逐漸升高趨勢(shì)，產(chǎn)品氣水露點(diǎn)呈逐漸降低趨勢(shì)。這是因?yàn)門(mén)EG再生過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，高溫有利于TEG中水分和烴類(lèi)與TEG在散堆填料表面進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱反應(yīng)而再生，再生效果越好，wTEG就越高，進(jìn)而對(duì)濕凈化氣的脫水效果就越好，從而使得產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)越低。通過(guò)DCS將溫度從166 ℃升高到168 ℃時(shí)，wTEG提升最明顯，從97.5%增加到98.75%左右。當(dāng)溫度為180 ℃時(shí)，wTEG達(dá)到99.8%左右。但操作溫度不應(yīng)超過(guò)TEG的降解溫度204 ℃，根據(jù)實(shí)際工況需要和能耗，該公司脫水重沸器溫度一般控制在180～204 ℃內(nèi)。

4.1.2汽提氣流量的影響

汽提氣流量對(duì)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的影響如圖3所示。

聯(lián)合裝置脫水單元使用的汽提氣為自產(chǎn)的產(chǎn)品氣天然氣，運(yùn)用對(duì)汽提氣流量與產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的關(guān)系曲線，得到y(tǒng)=93.32-13.74x+0.42x2關(guān)系函數(shù)。

圖3 汽提氣流量對(duì)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的影響曲線示意

從圖3中可知，隨著汽提氣流量的增加，產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)逐漸降低，通過(guò)DCS將氣體流量緩慢、平穩(wěn)地從11 m3/h增加到14 m3/h，產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)降低最明顯，這是因?yàn)樵谠撾A段，汽提氣與TEG的傳質(zhì)反應(yīng)隨著汽提氣流量的增加而明顯增強(qiáng)，當(dāng)汽提氣用量大于15 m3/h時(shí)，增大汽提氣量對(duì)TEG再生的效果影響不大，對(duì)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的影響較小。根據(jù)TEG再生效果和經(jīng)濟(jì)因素，汽提氣流量控制在16 m3/h左右為準(zhǔn)。

4.2 TEG發(fā)泡

4.2.1TEG發(fā)泡原因及現(xiàn)象

由于TEG長(zhǎng)期循環(huán)使用和自身降解，原料氣帶來(lái)的銹渣、泥土和生成的污垢等雜質(zhì)及產(chǎn)品氣霧沫夾帶等原因，TEG可能出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在脫水塔液位波動(dòng)大，TEG緩沖罐液位上漲明顯，產(chǎn)品氣水露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)，脫水塔壓降增大等。

4.2.2防止TEG發(fā)泡措施

防止TEG發(fā)泡所采取措施主要有以下幾點(diǎn)：

1)充分利用DCS控制脫水塔壓力，裝置異常情況時(shí)，將控制閥改為手動(dòng)控制。適當(dāng)關(guān)小脫水塔出口閥，嚴(yán)格控制濕凈化氣進(jìn)口流量。

2)加強(qiáng)脫硫單元的原料氣過(guò)濾，防止?jié)駜艋瘹庵袔敫嚯s質(zhì)。

3)控制好TEG再生溫度，嚴(yán)禁超過(guò)204 ℃，防止TEG因再生超溫而降解。

4)控制好各塔罐等設(shè)備的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，防止保護(hù)氮?dú)膺M(jìn)入脫水單元。

5 總 結(jié)

1)在處理w水為0.11%的濕凈化氣后，TEG脫水工藝能滿足天然氣長(zhǎng)距離輸送要求，該公司外輸產(chǎn)品氣水露點(diǎn)為-19 ℃左右，滿足冬季水露點(diǎn)不高于-15 ℃，夏季不高于-10 ℃的需要。脫水重沸器溫度控制在180～204 ℃內(nèi)，能使TEG再生質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.5%以上。

2)TEG再生不合格及原因分析表明，脫硫溶劑進(jìn)入脫水單元，與TEG反應(yīng)生成大量污垢并粘附在設(shè)備壁面，嚴(yán)重影響TEG在重沸器中的再生效果。通過(guò)嚴(yán)格控制脫硫單元各設(shè)備液位、壓力等參數(shù)，適當(dāng)加入消泡劑等技術(shù)手段，防止脫硫單元沖塔，進(jìn)而防止脫硫溶劑進(jìn)入脫水系統(tǒng)而污染TEG。

3)嚴(yán)格控制汽提氣流量，從而保證TEG在汽提塔進(jìn)一步純化。

4)對(duì)于TEG發(fā)泡，操作人員嚴(yán)格關(guān)注脫水塔等設(shè)備的液位變化，通過(guò)控制好TEG再生溫度，加強(qiáng)原料氣過(guò)濾，防止氮?dú)獾裙媒橘|(zhì)進(jìn)入脫水單元等措施，能有效防止TEG發(fā)泡。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了脫水單元工藝流程和控制系統(tǒng)以及相關(guān)問(wèn)題，優(yōu)化和改進(jìn)了脫水單元工藝控制系統(tǒng)。對(duì)脫水塔塔底液位控制，增加了脫水單元運(yùn)行的可靠性；通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽循環(huán)量、汽提氣流量的措施，解決了重沸器溫度不高問(wèn)題，使TEG再生效果好，產(chǎn)品濃度提高；對(duì)于存在TEG發(fā)泡現(xiàn)象，采用加強(qiáng)原料氣過(guò)濾以及控制氮?dú)膺M(jìn)入脫水單元而解決問(wèn)題。這些優(yōu)化改進(jìn)提高了脫水單元的工藝性能，為裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保障。