五寶場氣田三甘醇脫水裝置優化分析

摘 要

摘要：針對常用三甘醇脫水工藝存在“計量泵的出口壓力和流量波動較大，泵流量調節不便，換熱效果差，甘醇再生熱負荷大”的不足，五寶場氣田三甘醇脫水裝置采用先進的齒輪泵
摘要：針對常用三甘醇脫水工藝存在“計量泵的出口壓力和流量波動較大，泵流量調節不便，換熱效果差，甘醇再生熱負荷大”的不足，五寶場氣田三甘醇脫水裝置采用先進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水系統。為此，論述了該氣田三甘醇脫水裝置工藝流程及設計特點，探討了現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題，分析了裝置的優化設計。該裝置的成功運行表明：與同類常規三甘醇脫水裝置相比，采用先進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，節能效果明顯。
關鍵詞：天然氣凈化；三甘醇；脫水；裝置；工藝流程；齒輪泵；板式換熱器
    五寶場氣田三甘醇脫水裝置在設計中采用了先進的齒輪泵、高效的波紋板式換熱器，簡化了脫水工藝流程，降低了脫水裝置的能耗，減少了脫水裝置投資和運行成本。
1 五寶場氣田三甘醇脫水工藝設計基礎數據
五寶場氣田三甘醇脫水裝置天然氣處理規模為100×104m3/d，原料氣絕對壓力為7.3MPa，進口溫度為35℃，干氣外輸絕對壓力為7.2MPa，干氣水露點要求小于-5℃，原料氣組成見表1。
表1 原料氣(干基)組成表    %
組分
氮氣
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
摩爾分數
1.9391
0.1376
0.2410
93.2560
3.0142
0.8640
0.1738
0.2241
0.0693
0.0602
0.0207
2 五寶場氣田三甘醇脫水工藝流程和特點
五寶場氣田三甘醇脫水裝置工藝流程圖如圖1所示。來自集氣裝置的濕天然氣經過濾分離器分離出游離水、液烴、固體雜質等后，自吸收塔下部進入吸收塔(T-101)，與塔上部進入的三甘醇貧液在塔內逆流接觸，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，經液位控制閥至重沸器富液精餾柱頂部盤管換熱、進入甘醇貧富液換熱器(E-103)換熱，再進入三甘醇閃蒸罐(D-102)閃蒸出烴類等氣體。閃蒸后的三甘醇富液經固體顆粒機械過濾器(F-101)和活性炭過濾器(F-102)，以除去其中的雜質及降解產物，此后甘醇富液進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入甘醇貧富液換熱器(E-102、E-103)換熱，降溫后進入三甘醇循環泵(P-101)升壓進入干氣/貧甘醇換熱器(E-101)換熱，再進入三甘醇吸收塔上部，完成三甘醇脫水吸收、甘醇再生循環過程。脫水工藝的主要設計參數見表2。
表2 五寶場氣田三甘醇脫水裝置設計參數表
項目
工藝參數
原料氣流量(m3/d)
100×104
原料氣絕對壓力(kPa)
7300
原料氣溫度(℃)
35
三甘醇貧液質量分數(%)
99.3
三甘醇貧液循環量(m3/h)
0.85
閃蒸氣絕對壓力(kPa)
550
閃蒸溫度(℃)
65.0
富液進再生塔溫度(℃)
157
重沸器溫度(℃)
204
重沸器再生壓力(kPa)
125
重沸器熱負荷(kW)
40.67
貧液進甘醇泵溫度(℃)
82.56
汽提量(m3/h)
8.9
干氣水露點(℃)
-9.57
    本脫水裝置與國內其他三甘醇脫水裝置相比，有以下主要特點：
    1) 采用先進的齒輪泵作甘醇循環泵(P-101)，與柱塞式計量泵相比，其流量穩定，無需設置緩沖罐，使用壽命長，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水系統，簡化了脫水流程。降低了甘醇再生裝置的能耗。
3 五寶場氣田三甘醇脫水裝置優化分析
3.1 齒輪泵的應用
    長期以來，國內三甘醇脫水裝置的甘醇泵普遍采用柱塞式計量泵或隔膜式計量泵。柱塞式計量泵的出口壓力波動較大，泵出口需設緩沖罐，噪聲較大，泵使用壽命及維護周期短，軸封為填料密封，存在泄漏問題，需周期性調節填料。填料與塞柱易磨損，需對填料環作壓力沖洗和排放[1～2]。柱塞式計量泵流量調節困難，傳統的調速、調節流量的方式不節能，需對電機加裝變頻器改變電機轉速來調節泵排量。
    五寶場氣田脫水裝置采用美國Rotor-Tech公司開發的新一代天然氣處理系統低黏度流體電動齒輪專用泵，具有泵流量和壓力范圍較寬；流量調節方便；流量穩定，震動小，無需脈動緩沖裝置；結構緊湊、重量輕、不易磨損、維護及保養簡單等優點，取消了泵出口的緩沖裝置，噪聲小，流量調節更方便，泵使用壽命和維護周期長，值得在三甘醇脫水裝置中推廣應用。
    電驅動的齒輪泵主要由電機、泵齒輪、軸、泵體、泵蓋、軸承套、軸端密封等組成，其內部結構見圖2。電驅動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93.3℃。
 
3.2 波紋板式換熱器的應用
    波紋板式換熱器與管殼式換熱器相比，具有傳熱系數高，對數平均溫差大，使用壽命長，占地面積小，重量輕，末端溫差小，污垢系數低等優點，其傳熱系數為殼管式換熱器的3～5倍，設備體積僅為管殼式換熱器的30%左右[3]。近年來隨著技術的飛速發展，出現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、維修費用高等技術缺陷，將設計壓力提高至4.0MPa，設計溫度拓寬至720℃[4]，為板式換熱器在三甘醇脫水工藝中的應用提供了技術支持[5]。
    國內現有三甘醇脫水裝置中甘醇貧富液換熱普遍采用盤管式換熱器，其換熱效果較差，甘醇富液換熱后進入再生塔溫度偏低(95～98℃)，導致甘醇貧液進泵溫度太高(一般在95℃以上)。針對貧甘醇進泵溫度偏高的問題，目前多數三甘醇脫水裝置在進泵前的甘醇管路上增設水冷卻器和循環水系統，用工業循環水對甘醇進行強制冷卻，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，降低甘醇再生熱負荷，依據高效波紋板式換熱器的技術特點和應用特點，本設計對三甘醇脫水工藝流程進行模擬計算和方案對比，對其工藝設備進行優化選型，工藝模擬和設備選型結果表明：甘醇貧富液換熱采用兩個高效波紋板式換熱器(E-102、E-103)串聯可滿足設計要求。
    根據脫水工藝流程圖(圖1)和工藝設計參數，應用專業換熱軟件(HTFS 2004)對板式換熱器(E-102、E-103)進行工藝設計和計算，主要設計結果見表3。設計結果表明：與盤管式換熱器相比，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)設計結果表
項目
E-102
E-103
熱負荷(kW)
56.0
25.65
傳熱系數[W/(m2·℃)]
195
262
對數平均溫差(℃)
40.68
39.26
傳熱面積(m2)
7.06
2.50
板片總數(片)
72
56
板片材質
SA-240 316 不銹鋼
SA-240 316不銹鋼
外形尺寸(長×寬×高)(mm)
610×102×179
305×102×143
重量(干)kg
55
22
4 運行情況
五寶場氣田三甘醇脫水裝置于2007年7月投產，各工藝設備運行正常，主要技術參數及指標均達到設計要求。主要運行參數：原料氣溫度為25℃，再生塔重沸器溫度為202℃，貧甘醇質量分數為99%，三甘醇富液進再生塔溫度為152℃，三甘醇貧液入泵溫度低于80℃，應用冷卻鏡面凝析濕度法測試得知外輸干氣水露點為-6℃，滿足管輸天然氣的水露點要求。
    五寶場氣田脫水裝置自投產運行以來，齒輪甘醇泵只需按生產廠家的要求正常維護，長期保特了安全、平穩運行。與同類三甘醇脫水裝置相比，其實際運行數據和工藝模擬表明：裝置處理量按100×104m3/a計，再生塔重沸器熱負荷降低了54kW，燃料氣用量減少了8m3/h，單位綜合能耗降低了72MJ/104m3，脫水裝置的節能效果顯著。
5 結論
    五寶場氣田三甘醇脫水裝置自投產運行以來，各工藝設備運行正常，主要技術參數及指標均達到設計要求。脫水裝置采用電動齒輪泵作甘醇循環泵，與柱塞式計量泵相比，其出口流量穩定，取消了泵出口緩沖罐，使用壽命長，噪聲小；采用高效的波紋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水系統，簡化了脫水工藝流程，降低了脫水裝置的能耗。
    五寶場氣田三甘醇脫水裝置的成功運行，表明電動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用。
參考文獻
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[4] 李明，溫冬云.新型板式換熱器在三甘醇脫水裝置中的應用[J].石油與天然氣化工，2004，33(6)：419-423.
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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；2.川慶鉆探工程公司四川科宏石油天然氣工程有限公司)