海上天然氣脫水系統深度處理研究

馬書楠

[中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450]

國內大多數天然氣凈化廠脫水裝置都采用溶劑吸收法中最常用的三甘醇脫水工藝來降低產品氣的水露點，使水露點達到外輸氣指標。三甘醇以其吸水力強、在天然氣中溶解度低、沸點高、易再生、投資小等優點得到廣泛應用。三甘醇脫水裝置主要分為吸收和再生兩部分，是天然氣在進入吸收部分的過濾分離器，除去游離液體和固體雜質，隨后進入到吸收塔的底部，由下朝上與貧三甘醇溶液逆向接觸，使得氣體中的水蒸氣被三甘醇溶液所吸收而離開吸收塔頂部的干氣流經過氣體已冷卻油再生部分進入吸收塔的三甘醇貧液，經過換熱器冷卻后的貧三甘醇溶液再進入到吸收塔頂部。吸收了天然氣中的水蒸氣以后，三甘醇富液從吸收塔底部流入到再生部分。三甘醇超重力機，通過三甘醇循環泵的貧甘醇與天然氣反應，富甘醇進去三甘醇再生系統精餾柱，天然氣攜帶的甘醇通過聚結器與新增聚結器回收部分甘醇，再進入三甘醇再生系統的精餾柱，從而實現三甘醇的循環。某海上油田原有天然氣脫水設備三甘醇接觸塔及其配套的三甘醇再生系統，后新增一套三甘醇超重力機設備，通過兩個設備對天然氣進行處理，未來計劃處理超處理量20萬t/d。油田天然氣脫水及三甘醇再生流程如圖1所示。

圖1 油田天然氣脫水及三甘醇再生流程

1 現狀分析

以當前處理氣量達到設計處理量，三甘醇循環量1.5m3/h，超重力機停運，單獨運轉三甘醇接觸塔。但是隨著后期氣量的增加，三甘醇損耗量較之前增大，現存的接觸塔處理不了現在流程中的天然氣，單獨的接觸塔不能夠對天然氣進行處理，所以接觸塔天然氣路旁通有開度，但是由于旁通的開度，可能導致天然氣水露點增加，現將旁通關閉，穩定運轉后測定外輸氣水露點及三甘醇損耗量；測定結束后，單獨投運超重力機，停運三甘醇再生系統的接觸塔，繼續測定外輸氣水露點及三甘醇損耗量，相關數據如表1所示。

表1 參數測定表

由表1可知，無論是單獨運轉接觸塔還是超重力機，水露點和三甘醇損耗量均嚴重超標。分析認為，接觸塔超標的原因是處理氣量超過了其設計處理能力，而超重力機超標的原因是其內部傳質效率較高，變相增加了天然氣的攜液能力，不僅導致三甘醇損耗量較大，還使得天然氣脫水不充分，進而導致水露點超標。

根據分析結果將接觸塔與超重力并聯運轉，降低各自的處理氣量，待運轉穩定后測定水露點及三甘醇損耗量，結果顯示三甘醇損耗量降至46L/d，但水露點仍高達5.5℃。通過進一步分析得出，三甘醇再生系統原與接觸塔配套，其處理能力不滿足當前處理需求，為了驗證上述分析，特對三甘醇再生系統展開能力校核。

2 能力校核

根據現場運行的實際參數，采用HYSYS 工藝模擬軟件對現在的流程進行工藝模擬，在工藝模擬中依據2021年3月22日入口天然氣組分分析，通過HYSY 工藝模擬軟件模擬入口天然氣組成和水含量，氣體成分如表2所示。

表2 入口氣體成分表

入口天然氣控制在含水量為2 608mg/m3。按照此天然氣組分進行了模擬，入口模擬的工藝條件如下：

天然氣流量為設計處理量，天然氣操作壓力5 920kPag，天然氣操作溫度55.3℃，TEG 循環量為1.5m3/h，再沸器溫度191℃。

HYSYS 工藝模擬軟件模擬結果如下：

1）再沸器電加熱器功率達到149kW，幾乎滿負荷運行（電加熱器額定功率150kW），不能滿足現場的實際情況；同時再沸器直徑過小，富甘醇處理量不能滿足，不利于三甘醇再生。

2）閃蒸罐尺寸過小，導致三甘醇在閃蒸罐中停留時間過短，造成氣體閃蒸不充分，三甘醇中含有的烴類分離不徹底，易造成系統污染。

3）濾器設計處理能力為1m3/h，目前處理量為1.5m3/h，濾器的處理量不滿足要求，容易造成過濾不徹底，不能達到凈化三甘醇再生系統的目的。

為驗證校核結果，特對再生后的三甘醇取樣化驗，利用卡爾費休試劑測定其濃度，前后測定三次，取平均值，測定結果如表3所示。

表3 三甘醇濃度測定表

為驗證校核結果，特對氣體的露點用露點儀進行測試，通過露點儀的在線監測，前后監測如表4所示：

表4 貧甘醇濃度與露點對比表

由測定結果可知，再生后三甘醇濃度約97.4%，而正常再生濃度應為98.5%～99.0%，不同貧甘醇濃度下的露點進行在線監測，發現貧甘醇濃度越高，露點越低，根據現場工藝要求，要求露點在-23℃以下，結合模擬校核結果，說明當前再生系統處理能力已不滿足處理需求，需進行擴容改造。

3 增產校核

設定天然氣處理氣量超過設計處理量40 萬方，設定進口溫度為40℃，入口壓力為6 000kPaG，接觸塔與超重力機并聯運行，利用HYSYS 工藝模擬軟件對再生系統進行再次校核，校核結果如下。

1）三甘醇循環量需要達到2m3/h，目前TEG 循環泵最大流量為1.6m3/h，現場的循環泵排量不能滿足要求，需要對循環泵進行擴容；

2）三甘醇再沸器電加熱器功率需要達到200kW左右，再沸器內徑約為1 100mm 左右，目前電加熱器功率為150kW，內徑為762mm，現存的三甘醇再沸器在尺寸及功率上都存在缺陷，不能夠滿足再沸器的處理條件；

3）閃蒸罐內徑需為1 000mm 左右，目前為762mm，閃蒸罐的尺寸不滿足要求，需要對閃蒸罐進行擴容，或者增加閃蒸罐；

4）貧甘醇/富甘醇換熱器功率需230kW 左右，目前為170kW，需要對貧甘醇/富甘醇換熱器擴容，增加新的貧甘醇/富甘醇換熱器；

5）過濾器處理能力需為2m3/h，目前的設計能力為1m3/h，不能滿足三甘醇再生系統的凈化要求，需要對三甘醇再生系統的粗過濾器、細過濾器進行優化擴容。

擴容前后對比見表5。

通過上述分析，現有的三甘醇處理設備，已經不能夠滿足未來生產所需，可以通過新建三甘醇再生系統，尺寸為：10 000mm×3 500mm×8 100mm（此尺寸為初步預估尺寸，詳設尺寸可能有變化）；但是由于海上平臺空間受限，所需空間已經不能滿足新增加的三甘醇處理設備。因此需要對現場進行優化改造，結果見表6。

表6 擴容所需容積對比

需要拆除已有的三甘醇再生撬（7 100mm×3 500mm×8 200mm）和對燃料氣撬（5 800mm×3 500mm×8 200mm）進行改造，增加甲板空間，即可滿足新建三甘醇再生撬空間尺寸的要求。

4 結論

1）三甘醇接觸塔和超重力機并聯運轉后可將三甘醇損耗量降至正常范圍，但是由于三甘醇再生系統處理能力不足，再生后的三甘醇濃度不達標，致使外輸天然氣露點不達標。

2）三甘醇再生系統需進行擴容改造，下步計劃新建三甘醇再生系統替代現有再生系統，后續新建再生系統投運后，需再開展接觸塔和超重力機并聯調試，檢驗天然氣脫水效果。

3）通過探究三甘醇再生系統與超重力機系統的調試，運用了HYSY 工藝軟件模擬研究，根據現場的實際情況，分析了三甘醇再生系統的問題，為以后三甘醇系統的優化提供了可參考的思路，在問題的同時提出了相應的解決方案，為后期油田三甘醇再生系統擴容提供了相應技術支持，并提供了相應的解決思路。