天然氣處理裝置脫水系統(tǒng)再生效果異常研究

高文輝(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

1 脫水系統(tǒng)工藝流程介紹

某天然氣處理裝置中脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為33×108m3/a，設(shè)置兩臺(tái)分子篩干燥器，主要是利用球型4A分子篩填料去除脫碳單元出口天然氣中的水分，以保證天然氣在進(jìn)入下游制冷單元時(shí)的水露點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求(≤1 mg/L)，天然氣在深冷單元降溫后不會(huì)發(fā)生凍堵。脫水單元分子篩再生(12 h置換一次，再生時(shí)間6 h，冷吹時(shí)間5.5 h，補(bǔ)時(shí)等待0.5 h)則是通過等壓加熱的方法再生出分子篩所吸附的水分[1]。再生氣經(jīng)再生氣壓縮機(jī)增壓，再經(jīng)再生氣換熱器、再生氣加熱器加熱到290 ℃進(jìn)分子篩干燥器，將分子篩吸附的水分帶出。再生氣加熱采用導(dǎo)熱油，該天然氣處理裝置設(shè)有4臺(tái)導(dǎo)熱油爐，三用一備，出爐設(shè)計(jì)溫度是330 ℃。

2 脫水系統(tǒng)再生效果異常描述

該天然氣處理裝置自投產(chǎn)以來，脫水系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，出口水露點(diǎn)均能滿足設(shè)計(jì)要求。在投產(chǎn)第四年運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，分子篩再生出口溫度達(dá)不到工藝設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)分子篩干燥器再生入口溫度290 ℃，進(jìn)出口溫差<10 ℃，實(shí)際脫水單元分子篩的再生入口只能達(dá)到280 ℃，出口溫度只能達(dá)到270 ℃，再生時(shí)間遠(yuǎn)超工藝設(shè)計(jì)的6 h。脫水系統(tǒng)分子篩再生溫度下降，由280 ℃下降至270 ℃左右，并仍有緩慢下降的趨勢。再生溫度不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致分子篩再生不合格，分子篩出口水露點(diǎn)不合格，進(jìn)而導(dǎo)致天然氣處理量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至造成下游制冷單元凍堵，液態(tài)產(chǎn)品回收率降低。長期處于凍堵狀態(tài)，需注入大量甲醇解堵，生產(chǎn)成本上升。一旦注入甲醇無法短時(shí)間解堵，需停運(yùn)制冷單元，對(duì)系統(tǒng)泄壓自然升溫解堵，造成天然氣產(chǎn)量損失，設(shè)備運(yùn)行時(shí)率下降。為了保證脫水系統(tǒng)正常運(yùn)行及出口水露點(diǎn)合格，需要臨時(shí)降低脫水系統(tǒng)處理量。

由于脫水系統(tǒng)剛更換分子篩不足一年，因分子篩更換效果不佳造成再生效果下降的可能性較小，因此判斷是脫水系統(tǒng)再生工藝流程上出現(xiàn)問題。

3 原因分析

在工藝系統(tǒng)流程未進(jìn)行任何調(diào)整的情況下，脫水系統(tǒng)出現(xiàn)分子篩再生溫度偏低的問題，可以分析判斷應(yīng)是再生加熱流程本身出現(xiàn)偏差。通過對(duì)再生氣加熱器導(dǎo)熱油進(jìn)出口流程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱油通過量不受影響；對(duì)再生氣加熱器導(dǎo)熱油流程進(jìn)行內(nèi)漏測試，未發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏情況，初步懷疑可能造成再生溫度下降的原因如表1所示。

表1 脫水系統(tǒng)再生效果異常可能原因分析表

3.1 分子篩再生時(shí)間不足

分子篩再生時(shí)間作為影響分子篩再生效果的一個(gè)重要因素，如果再生時(shí)間不足，則可能造成分子篩沒有徹底再生，造成分子篩吸附能力下降并影響下一次分子篩再生效果。為了驗(yàn)證是否由該原因造成，通過逐步延長分子篩再生時(shí)間，觀察再生效果及分子篩再生溫度。在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，再生時(shí)間從10 h延長至13 h，再生溫度沒有顯著提升，即證明再生時(shí)間不足不是由于再生溫度造成的影響。

3.2 提高熱媒爐出爐溫度及流量

再生氣加熱的熱源來自導(dǎo)熱油，如果導(dǎo)熱油溫度不足或流量不足，同樣會(huì)影響分子篩再生效果。為驗(yàn)證這一可能性，調(diào)整錯(cuò)開兩套脫水單元的分子篩再生時(shí)間，提升熱媒爐出口溫度和流量，觀察發(fā)現(xiàn)再生溫度有提高，但效果不明顯，排除再生溫度及再生氣量影響的可能性。

3.3 降低再生氣量至設(shè)計(jì)值

觀察到分子篩再生氣量在4.0×104～4.4×104m3/h范圍波動(dòng)，為流量計(jì)的最大計(jì)量值，較設(shè)計(jì)的再生氣量大(3.11×104m3/h)。再生氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)量，超出再生氣加熱器的換熱負(fù)荷，導(dǎo)致同等供熱負(fù)荷條件下，再生氣溫度無法提升。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，將再生氣流量按0.2×104m3的梯度逐步調(diào)整至再生氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量3.11×104m3/h。通過多個(gè)周期的觀察與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)過降低再生氣流量的操作，分子篩在熱吹11 h的情況下，再生出口溫度上升至275.8 ℃。分子篩再生出口溫度較之前提升了5 ℃，輕微改善了分子篩的再生效果。

3.4 再生氣加熱器效果變差

脫水單元再生氣加熱器為管殼式換熱器，殼體為圓筒形，內(nèi)部裝有管束。再生氣加熱器管程為導(dǎo)熱油，殼程為天然氣[2]。在脫水系統(tǒng)再生效果出現(xiàn)問題期間，終端其他導(dǎo)熱油設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好，加熱正常。由于導(dǎo)熱油系統(tǒng)正常，影響再生氣加熱器與換熱器效果變差的原因，初步懷疑可能是再生氣換熱器或再生氣加熱器天然氣側(cè)存在異物結(jié)垢，造成換熱效率降低。為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否由于結(jié)垢造成影響，對(duì)脫水再生流程附件進(jìn)行拆檢觀察內(nèi)窺，確定是否存在結(jié)垢。通過查閱設(shè)計(jì)資料，該陸岸處理終端在設(shè)計(jì)之初上岸組分中不含硫化氫，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，終端上岸組分中含有硫化氫，在脫碳系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)中均檢測到有硫化氫的存在。硫化氫在高溫、有水的情況下可能與鐵等發(fā)生反應(yīng)生成硫化物，減小換熱器的有效換熱面積，進(jìn)而影響分子篩的再生溫度[3]。

4 解決方案

針對(duì)脫水系統(tǒng)加熱器臟堵的問題，擬采取兩種方式進(jìn)行：

(1)對(duì)加熱器進(jìn)行清洗；

(2)對(duì)加熱器整體更換。

4.1 再生氣加熱器清洗

通過對(duì)再生氣加熱器進(jìn)行化學(xué)清洗，力圖恢復(fù)再生氣加熱器換熱效果。再生氣加熱器計(jì)劃進(jìn)行抽芯清洗，但在拆卸封頭螺栓時(shí)因銹蝕無法拆卸封頭進(jìn)行抽芯清洗，僅對(duì)再生氣加熱器進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)化學(xué)清洗。由于循環(huán)量較小，無法確保盤管外壁污垢全部剝離出來。清洗完成后對(duì)脫水系統(tǒng)再生效果進(jìn)行測試，在相同熱吹時(shí)間的情況下清洗前后再生終點(diǎn)溫度變化不大，由272 ℃上升至278 ℃，清洗效果觀察不明顯。

4.2 再生氣加熱器更換

通過對(duì)再生氣加熱器內(nèi)窺結(jié)果及清洗效果可以看出，影響脫水系統(tǒng)再生效果的主要原因?yàn)楸P管異物結(jié)垢。但由于受設(shè)備影響，無法將盤管拆出清洗，在內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)藥劑循環(huán)量無法得到有效保證。綜上所述，在清洗效果不佳的情況下，為了改善脫水系統(tǒng)再生效果，對(duì)再生氣加熱器進(jìn)行整體更換。

5 效果驗(yàn)證

按照上述方案在檢修期間對(duì)再生氣加熱器進(jìn)行更換。設(shè)備更換后，在系統(tǒng)運(yùn)行工況不變的情況下，脫水系統(tǒng)再生效果有明顯提升，再生終點(diǎn)溫度由282 ℃上升至301 ℃，同時(shí)脫水系統(tǒng)出口水露點(diǎn)也滿足設(shè)計(jì)要求小于1 mg/L，具體效果如表2所示。

表2 再生氣加熱器更換的效果

由上表可以看出再生氣加熱器更換后加熱器出口溫度由286 ℃升至304.7 ℃，分子篩再生入口溫度由282 ℃升至301.2 ℃，分子篩再生出口溫度由274.2 ℃升至289.9 ℃，分子篩再生熱吹時(shí)間由之前的11 h降至6.5 h的情況下。加熱器出口溫度及再生溫度明顯提升，更換后效果顯著。

6 結(jié)語

通過對(duì)脫水系統(tǒng)整體研究和分子篩再生流程異常問題的原因分析，結(jié)合工藝系統(tǒng)實(shí)際入口天然氣組分與設(shè)計(jì)的區(qū)別，對(duì)可能影響因素進(jìn)行逐一排查，找出影響脫水系統(tǒng)再生效果的主要因素：由于上岸組分與ODP中存在偏差，導(dǎo)致在終端生產(chǎn)工藝流程中出現(xiàn)硫化氫及含硫化合物，并在脫水系統(tǒng)再生氣加熱器盤管上形成臟堵物。對(duì)解決該問題提出的相應(yīng)解決方案進(jìn)行對(duì)比，從實(shí)際效果、現(xiàn)場實(shí)施的難度上綜合分析考慮，采用更換再生氣換熱器的方案，為降低作業(yè)成本，可訂購新的管束進(jìn)行更換。更換后在工藝流程沒有發(fā)生變化的前提下，再生效果明顯提升，直接解決了分子篩可能再生不合格的問題，同時(shí)避免了由于分子篩再生不合格造成減產(chǎn)帶來的產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)損失，保證了脫水系統(tǒng)下游制冷系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生凍堵，避免了由于對(duì)制冷系統(tǒng)解堵或設(shè)備檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失。為提升脫水系統(tǒng)分子篩再生效果，確保工藝系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障。