五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置優(yōu)化分析

摘 要

摘要：針對(duì)常用三甘醇脫水工藝存在“計(jì)量泵的出口壓力和流量波動(dòng)較大，泵流量調(diào)節(jié)不便，換熱效果差，甘醇再生熱負(fù)荷大”的不足，五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置采用先進(jìn)的齒輪泵
摘要：針對(duì)常用三甘醇脫水工藝存在“計(jì)量泵的出口壓力和流量波動(dòng)較大，泵流量調(diào)節(jié)不便，換熱效果差，甘醇再生熱負(fù)荷大”的不足，五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置采用先進(jìn)的齒輪泵和高效的波紋板式換熱器，取消了泵出口緩沖罐、甘醇貧液水冷卻器及循環(huán)水系統(tǒng)。為此，論述了該氣田三甘醇脫水裝置工藝流程及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探討了現(xiàn)有三甘醇脫水裝置中甘醇泵和甘醇貧富液換熱器存在的問(wèn)題，分析了裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該裝置的成功運(yùn)行表明：與同類常規(guī)三甘醇脫水裝置相比，采用先進(jìn)的齒輪泵和高效的波紋板式換熱器，三甘醇脫水裝置的再生塔重沸器熱負(fù)荷降低了54kW，燃料氣用量減少了8m3/h，其單位綜合能耗降低了72MJ/104m3，節(jié)能效果明顯。
關(guān)鍵詞：天然氣凈化；三甘醇；脫水；裝置；工藝流程；齒輪泵；板式換熱器
    五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置在設(shè)計(jì)中采用了先進(jìn)的齒輪泵、高效的波紋板式換熱器，簡(jiǎn)化了脫水工藝流程，降低了脫水裝置的能耗，減少了脫水裝置投資和運(yùn)行成本。
1 五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置天然氣處理規(guī)模為100×104m3/d，原料氣絕對(duì)壓力為7.3MPa，進(jìn)口溫度為35℃，干氣外輸絕對(duì)壓力為7.2MPa，干氣水露點(diǎn)要求小于-5℃，原料氣組成見(jiàn)表1。
表1 原料氣(干基)組成表    %
組分
氮?dú)?/span>
氦氣
二氧化碳
甲烷
乙烷
丙烷
異丁烷
正丁烷
異戊烷
正戊烷
己烷
摩爾分?jǐn)?shù)
1.9391
0.1376
0.2410
93.2560
3.0142
0.8640
0.1738
0.2241
0.0693
0.0602
0.0207
2 五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水工藝流程和特點(diǎn)
五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置工藝流程圖如圖1所示。來(lái)自集氣裝置的濕天然氣經(jīng)過(guò)濾分離器分離出游離水、液烴、固體雜質(zhì)等后，自吸收塔下部進(jìn)入吸收塔(T-101)，與塔上部進(jìn)入的三甘醇貧液在塔內(nèi)逆流接觸，天然氣中的飽和水被三甘醇吸收而脫除，脫除水分的天然氣經(jīng)干氣/貧甘醇換熱器(E-101)換熱后外輸。在外輸干氣申引出少量天然氣調(diào)壓后作為甘醇再生塔重沸器(E-104)氣提氣。
 
    三甘醇富液從吸收塔下部流出，經(jīng)液位控制閥至重沸器富液精餾柱頂部盤(pán)管換熱、進(jìn)入甘醇貧富液換熱器(E-103)換熱，再進(jìn)入三甘醇閃蒸罐(D-102)閃蒸出烴類等氣體。閃蒸后的三甘醇富液經(jīng)固體顆粒機(jī)械過(guò)濾器(F-101)和活性炭過(guò)濾器(F-102)，以除去其中的雜質(zhì)及降解產(chǎn)物，此后甘醇富液進(jìn)入甘醇貧富液換熱器(E-102)與高溫甘醇貧液換熱，甘醇富液被加熱后進(jìn)入再生塔的富液精餾柱(T-102)。三甘醇溶液在三甘醇再生塔中被提濃再生。再生后的三甘醇貧液依次進(jìn)入甘醇貧富液換熱器(E-102、E-103)換熱，降溫后進(jìn)入三甘醇循環(huán)泵(P-101)升壓進(jìn)入干氣/貧甘醇換熱器(E-101)換熱，再進(jìn)入三甘醇吸收塔上部，完成三甘醇脫水吸收、甘醇再生循環(huán)過(guò)程。脫水工藝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置設(shè)計(jì)參數(shù)表
項(xiàng)目
工藝參數(shù)
原料氣流量(m3/d)
100×104
原料氣絕對(duì)壓力(kPa)
7300
原料氣溫度(℃)
35
三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)
99.3
三甘醇貧液循環(huán)量(m3/h)
0.85
閃蒸氣絕對(duì)壓力(kPa)
550
閃蒸溫度(℃)
65.0
富液進(jìn)再生塔溫度(℃)
157
重沸器溫度(℃)
204
重沸器再生壓力(kPa)
125
重沸器熱負(fù)荷(kW)
40.67
貧液進(jìn)甘醇泵溫度(℃)
82.56
汽提量(m3/h)
8.9
干氣水露點(diǎn)(℃)
-9.57
    本脫水裝置與國(guó)內(nèi)其他三甘醇脫水裝置相比，有以下主要特點(diǎn)：
    1) 采用先進(jìn)的齒輪泵作甘醇循環(huán)泵(P-101)，與柱塞式計(jì)量泵相比，其流量穩(wěn)定，無(wú)需設(shè)置緩沖罐，使用壽命長(zhǎng)，噪聲小。
    2) 采用高效的波紋板式換熱器作甘醇貧富液換熱器(E-102、E-103)，取消了水冷卻器和循環(huán)水系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了脫水流程。降低了甘醇再生裝置的能耗。
3 五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置優(yōu)化分析
3.1 齒輪泵的應(yīng)用
    長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)三甘醇脫水裝置的甘醇泵普遍采用柱塞式計(jì)量泵或隔膜式計(jì)量泵。柱塞式計(jì)量泵的出口壓力波動(dòng)較大，泵出口需設(shè)緩沖罐，噪聲較大，泵使用壽命及維護(hù)周期短，軸封為填料密封，存在泄漏問(wèn)題，需周期性調(diào)節(jié)填料。填料與塞柱易磨損，需對(duì)填料環(huán)作壓力沖洗和排放[1～2]。柱塞式計(jì)量泵流量調(diào)節(jié)困難，傳統(tǒng)的調(diào)速、調(diào)節(jié)流量的方式不節(jié)能，需對(duì)電機(jī)加裝變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)泵排量。
    五寶場(chǎng)氣田脫水裝置采用美國(guó)Rotor-Tech公司開(kāi)發(fā)的新一代天然氣處理系統(tǒng)低黏度流體電動(dòng)齒輪專用泵，具有泵流量和壓力范圍較寬；流量調(diào)節(jié)方便；流量穩(wěn)定，震動(dòng)小，無(wú)需脈動(dòng)緩沖裝置；結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、不易磨損、維護(hù)及保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，取消了泵出口的緩沖裝置，噪聲小，流量調(diào)節(jié)更方便，泵使用壽命和維護(hù)周期長(zhǎng)，值得在三甘醇脫水裝置中推廣應(yīng)用。
    電驅(qū)動(dòng)的齒輪泵主要由電機(jī)、泵齒輪、軸、泵體、泵蓋、軸承套、軸端密封等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。電驅(qū)動(dòng)的齒輪泵的排出壓力范圍為0.035～24.13MPa，流量范圍為0.114～38.61m3/h，泵正常操作溫度可達(dá)93.3℃。
 
3.2 波紋板式換熱器的應(yīng)用
    波紋板式換熱器與管殼式換熱器相比，具有傳熱系數(shù)高，對(duì)數(shù)平均溫差大，使用壽命長(zhǎng)，占地面積小，重量輕，末端溫差小，污垢系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，其傳熱系數(shù)為殼管式換熱器的3～5倍，設(shè)備體積僅為管殼式換熱器的30%左右[3]。近年來(lái)隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全焊式板式換熱器，它克服了板框式換熱器不耐溫、不耐壓、阻力大、維修費(fèi)用高等技術(shù)缺陷，將設(shè)計(jì)壓力提高至4.0MPa，設(shè)計(jì)溫度拓寬至720℃[4]，為板式換熱器在三甘醇脫水工藝中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持[5]。
    國(guó)內(nèi)現(xiàn)有三甘醇脫水裝置中甘醇貧富液換熱普遍采用盤(pán)管式換熱器，其換熱效果較差，甘醇富液換熱后進(jìn)入再生塔溫度偏低(95～98℃)，導(dǎo)致甘醇貧液進(jìn)泵溫度太高(一般在95℃以上)。針對(duì)貧甘醇進(jìn)泵溫度偏高的問(wèn)題，目前多數(shù)三甘醇脫水裝置在進(jìn)泵前的甘醇管路上增設(shè)水冷卻器和循環(huán)水系統(tǒng)，用工業(yè)循環(huán)水對(duì)甘醇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保證適宜的甘醇入泵溫度[6]。為了改善三甘醇貧富液換熱效果，降低甘醇再生熱負(fù)荷，依據(jù)高效波紋板式換熱器的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)對(duì)三甘醇脫水工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算和方案對(duì)比，對(duì)其工藝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化選型，工藝模擬和設(shè)備選型結(jié)果表明：甘醇貧富液換熱采用兩個(gè)高效波紋板式換熱器(E-102、E-103)串聯(lián)可滿足設(shè)計(jì)要求。
    根據(jù)脫水工藝流程圖(圖1)和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用專業(yè)換熱軟件(HTFS 2004)對(duì)板式換熱器(E-102、E-103)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算，主要設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：與盤(pán)管式換熱器相比，波紋板式換熱器(E-102、E-103)換熱面積和體積都較小，重量輕，傳熱系數(shù)大，有效地改善三甘醇貧富液換熱效果。
表3 三甘醇貧富液換熱器(E-102、E-103)設(shè)計(jì)結(jié)果表
項(xiàng)目
E-102
E-103
熱負(fù)荷(kW)
56.0
25.65
傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]
195
262
對(duì)數(shù)平均溫差(℃)
40.68
39.26
傳熱面積(m2)
7.06
2.50
板片總數(shù)(片)
72
56
板片材質(zhì)
SA-240 316 不銹鋼
SA-240 316不銹鋼
外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)(mm)
610×102×179
305×102×143
重量(干)kg
55
22
4 運(yùn)行情況
五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置于2007年7月投產(chǎn)，各工藝設(shè)備運(yùn)行正常，主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要運(yùn)行參數(shù)：原料氣溫度為25℃，再生塔重沸器溫度為202℃，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，三甘醇富液進(jìn)再生塔溫度為152℃，三甘醇貧液入泵溫度低于80℃，應(yīng)用冷卻鏡面凝析濕度法測(cè)試得知外輸干氣水露點(diǎn)為-6℃，滿足管輸天然氣的水露點(diǎn)要求。
    五寶場(chǎng)氣田脫水裝置自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，齒輪甘醇泵只需按生產(chǎn)廠家的要求正常維護(hù)，長(zhǎng)期保特了安全、平穩(wěn)運(yùn)行。與同類三甘醇脫水裝置相比，其實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和工藝模擬表明：裝置處理量按100×104m3/a計(jì)，再生塔重沸器熱負(fù)荷降低了54kW，燃料氣用量減少了8m3/h，單位綜合能耗降低了72MJ/104m3，脫水裝置的節(jié)能效果顯著。
5 結(jié)論
    五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，各工藝設(shè)備運(yùn)行正常，主要技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。脫水裝置采用電動(dòng)齒輪泵作甘醇循環(huán)泵，與柱塞式計(jì)量泵相比，其出口流量穩(wěn)定，取消了泵出口緩沖罐，使用壽命長(zhǎng)，噪聲?。徊捎酶咝У牟y板式換熱器作貧富液換熱器，改善了三甘醇貧富液換熱效果，其換熱面積和體積都較小，取消了水冷卻器和循環(huán)水系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了脫水工藝流程，降低了脫水裝置的能耗。
    五寶場(chǎng)氣田三甘醇脫水裝置的成功運(yùn)行，表明電動(dòng)齒輪泵和高效的波紋板式換熱器可在其他三甘醇脫水裝置中推廣應(yīng)用。
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(本文作者：蔣洪1 唐廷明2 朱聰1 1.西南石油大學(xué)；2.川慶鉆探工程公司四川科宏石油天然氣工程有限公司)