摘要：普光氣田是國內目前大規模開發的含硫量最高的高酸性氣田，其天然氣具有高壓、高含H2S、含C02的特點。建設處理規模120×108m3/a的天然氣凈化廠，面臨天然氣凈化難度大、硫磺儲運技術和安全要求高、生產工藝及安全控制復雜等諸多技術難題。目前國內尚無百億立方米級天然氣凈化以及配套硫磺成型與安全儲運技術。為此，在優選評價國內外先進凈化工藝的基礎上，確定了適合普光氣田的高含硫天然氣凈化工藝，并首次應用了氣相固定床水解COS、中間胺液冷卻、MAG®液硫脫氣、特大型火炬放空、液硫濕法成型等國際先進工藝和專利技術。開發了國內首例特大型散裝硫磺料倉、首例5000m3液硫儲罐、首套硫磺流水線轉運以及快速定量裝車系統，實現200×104t/a硫磺儲運系統的全方位實時監控和安全運行。配套開發先進、靈活、可靠的生產過程控制與安全控制系統，確保整個凈化廠處于安全、有效的受控狀態。高含硫天然氣凈化關鍵技術應用于普光氣田后，裝置運行平穩，產品質量合格，各項安全保障到位。為其他大型高酸性氣田的天然氣凈化提供了示范和借鑒。
關鍵詞：普光氣田；高含硫化氫；天然氣凈化；散裝硫磺；存儲；轉運；安全控制；關鍵技術
普光氣田是國內迄今為止發現的探明儲量最大、豐度最高的特大型整裝海相氣田，是國家“十一五”重大工程——“川氣東送”建設工程的主供氣源，其硫化氫含量平均達到15%，是目前大規模開發的含硫量最高的氣田。普光天然氣凈化廠主要負責高含硫天然氣的凈化以及硫磺儲存運輸，凈化廠建成投產后，年處理天然氣能力為120×108m3，生產硫磺200×104t，綜合排名世界首位。開發、建設如此規模的特大型高含硫天然氣凈化裝置以及配套硫磺成型與儲運系統，形成完善的天然氣凈化配套技術，并且實現其安全、平穩生產，國內外尚無先例。
針對普光天然氣凈化廠面臨的凈化難度大、產品儲運風險高、異常工況下放空量巨大、安全生產控制交錯復雜等諸多技術難題，深入開展高含硫天然氣凈化工藝、200×104t/a硫磺安全儲運、大型凈化廠安全運行控制與應急管理等關鍵技術的研究與開發，加強新技術、新工藝、新裝置的引進、消化、吸收與應用，形成了高含硫天然氣凈化、特大型硫磺安全儲運及生產安全控制系列配套技術，實現了特大型高含硫天然氣凈化廠安全、高效、環保運行。
1 高含硫天然氣凈化工藝技術
1.1 高含硫天然氣凈化工藝優選
普光氣田天然氣富含H2S(15%)和CO2(8%)，其有機硫含量也達到340mg/m3以上。天然氣凈化后，要求產品氣質量達到《天然氣》(GB 17820—1999)二類氣指標，硫磺質量達到《工業硫磺》(GB/T 2449—2006)一等品指標；同時滿足凈化技術先進、工藝成熟、操作安全的要求。為此，對WorleyParsons、Black&Veatch、Siirtec Nigi等3家國際知名天然氣凈化技術專利商的脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理及酸水汽提5個單元工藝技術進行綜合評價和優選，最終形成適合普光氣田的高含硫天然氣凈化工藝路線(圖1)：MDEA法[1]+催化水解脫硫脫碳、TEG法脫水[2]、克勞斯熱轉化+二級催化轉化法回收硫磺、在線制氫還原吸收+熱焚燒尾氣處理與常規單塔酸性水汽提[3]。
1.2 高含硫天然氣選擇性脫硫脫碳技術
1.2.1兩級吸收及級間胺液冷卻工藝
針對原料氣處理量大、H2S與C02含量高，設計兩級吸收塔凈化工藝，應用先進的級間胺液冷卻專利技術控制C02的吸收，也就是在一級、二級吸收塔之間設置級間冷卻系統，從而有效抑制C02的吸收，同時增強H2S的均衡吸收，提高了胺液的脫硫脫碳選擇性。
1.2.2脫硫溶劑的串級吸收、聯合再生工藝
凈化裝置中脫硫單元和尾氣處理單元均采用MDEA溶液作為吸收溶劑，而尾氣中H2S含量不高。因此將尾氣吸收塔的胺液與脫硫單元二級吸收塔的胺液匯合，送至一級吸收塔串級使用，提高了溶劑循環效率，胺液總循環量降低10%。同時全部溶劑由胺液再生塔聯合再生，較常規設計減少1套再生系統[4]，顯著節省設備投資與再生能耗。
1.2.3氣相水解脫除有機硫技術
原料氣中有機硫[5]含量波動范圍大，但主要組成為COS，國內首次應用氣相固定床水解COS專利技術，將一級凈化天然氣引入氣相固定床反應器，在低溫催化劑的作用下，COS水解為H2S和C02，進入二級吸收塔脫除。經過優化操作，COS脫除率可達到99%，產品氣總硫含量(以硫計)小于100mg/m3。與常規的物理溶劑吸收法邸]相比，氣相水解法未添加新溶劑，無需增設溶劑再生裝置，節省投資，操作簡單。
1.3 單列20×104t級硫磺回收及在線制氫尾氣處理技術
1.3.1單列20×104t級硫磺回收技術
硫磺回收單元采用一段高溫熱轉化加兩段低溫催化轉化克勞斯下藝[7]。由于單列處理規模達到20×104t/a，國內首次開發單體20×104t/a克勞斯反應爐，集成高溫熱轉化、低溫催化轉化、先進的前饋一反饋克勞斯反應控制技術，形成單列20×104t/a特大型改良克勞斯硫磺回收技術，實現兩級催化回收率大于等于95%。
1.3.2液硫深度脫氣技術
對比國內外液硫脫氣工藝后，采用了MAG®液硫脫氣工藝。液硫經過循環流動、冷卻器冷卻、脫氣噴射器機械攪動，使溶解其中的H2S釋放。與常規的脫氣裝置[8]相比，該工藝不需要額外的化學藥劑和脫氣風機，完全在液硫池內完成。經過優化操作，保證下游硫磺儲運生產安全。
1.3.3在線制氫還原吸收尾氣處理技術
凈化廠沒有專門的氫氣來源，在尾氣加氫還原吸收工藝[7]中，采用在線加熱爐發生次氧化反應，提供加氫反應所需的熱源及還原氣體，省去了單獨的制氫裝置。開發先進的在線加熱爐交叉限幅次氧化燃燒控制技術，精確控制尾氣在線制氫、低溫催化加氫反應，總硫回收率大于等于99.8%，實現了尾氣達標排放。
1.4 75×104m3/h特大型火炬放空技術
結合天然氣凈化裝置處理規模大、聯合裝置之間影響小的特點，研究東西區凈化裝置的各種事故放空工況，開發了凈化裝置“保壓、0.5MPa、1.0MPa”3級放空和凈化廠東西區區域放空控制技術，突破常規12系列裝置全量放空的設計思路，確定火炬系統最大放空量為75×104m3/h，滿足凈化裝置在不同工況下的放空需求。在開停車、聯鎖關斷工況下，應用優化的高效多點伴燒火炬頭設計和雙保障點火、防空氣倒灌技術，實現普光氣田凈化廠、集氣站、管線等裝置最高75×104m3/h高壓高含硫放卒氣的完全、穩定、充分燃燒。
2 200×104t/a硫磺安全儲運技術
2.1 大型液硫儲罐安全儲存技術
凈化廠日產液硫能力達7000t，按照國內在建的最大罐容2000m3的液硫罐設計，仍需儲罐26個，占地面積過大，相應的場地平整、設備及運行成本也較高。在國內首次開發了單罐容積5000m3的固定式拱頂液硫儲罐，突破液硫溫度徑向梯度限制，以全方位大型液硫儲罐分組溫控技術，解決了存儲溫度不均勻、液硫易凝固、蒸汽耗量大等難題。配套開發了罐頂固定式蒸汽爆破滅火技術與大型儲罐內壁噴鋁防腐技術，提高儲罐的安全性能，確保10座儲罐、儲存總量5×104m3的特大型液硫罐區安全、穩定運行。
2.2 濕法硫磺成型技術
由硫磺成型工藝比較(表1)可見，凈化廠若采用單列產能500～1000t/a的硫磺成型工藝，需10余臺硫磺成型裝置，占地面積大，運行及維護成本高。單列產能2000t/d以上工藝相互對比，空冷造粒工藝能耗高，硫磺脆度大，在運輸過程中易形成粉塵，帶來火災、爆炸隱患；而經水冷造粒成型的硫磺，硬度大，含水，不易產生粉塵。因此，凈化廠采用國內首套濕法硫磺成型工藝，建成4套DEVC0濕法成型機，產能360t/h，硫磺適宜的含水量降低了生產及裝車過程的粉塵，安全性能高。
2.3 散裝硫磺料倉安全儲存技術
針對凈化廠200×104t/a硫磺生產能力，在國內首次建設了2座直徑80m、單座容量5.7×104t的特大型圓形料倉，堆料能力為500t/h，取料能力為1000t/h。圓形料倉為半封閉結構，環形擋墻高15m，料場頂部為穹頂網殼鋼結構，擋墻和鋼結構表面做防腐和防火處理[9]，采用自然通風、機械進風[10]及濕式噴霧粉塵抑制系統，有效抑制料倉硫磺粉塵；并配備煙霧、粉塵濃度監控系統、硫磺溫度監測系統、有毒氣體(H2S)監測系統、電視監控和火災探測報警系統等安防系統，對料倉進行火焰、溫度、粉塵濃度、有毒氣體的全方位實時監測與預警；開發料倉內火災報警系統與自動尋的消防炮遠程聯動技術，配備水霧輔助滅火系統，確保消防系統靈活、可靠，提高了硫磺儲存的安全性。
2.4 200×104t/a散裝硫磺轉運技術
硫磺轉運系統南大型堆取料機、多條皮帶輸送機、多個轉運站、相應的除塵系統、分料系統組成。各轉運站設計采用不銹鋼弧形導流抑塵落料管，對料流全程導流，避免了積料、掛料、堵料現象；應用抗雷導靜電技術，將產生的靜電及時導出，設計避雷帶、避雷針，保護除塵設備免受雷擊的侵害。各皮帶機驅動裝置均采用防爆電機，沿線設置了拉繩開關、跑偏開關、速度檢測開關等保護裝置，集成轉運系統聯鎖、皮帶跑偏控制、皮帶速度檢測、溫度和粉塵檢測、料流堵塞檢測技術，實現200×104t/a硫磺轉運系統的自動化流水線轉運、無人值守、無害化作業。
2.5 快速定量裝車技術
裝車系統由2座高30m的裝車樓及相應的快速定量裝車系統組成。快速定量裝車樓是基于大型料斗秤，預先在定量倉中按集裝箱標重裝載，通過閘門和卸料溜槽控制，向行進中的集裝箱快速卸料，實現一次性連續動態快速準確裝車，裝車能力650t/h，單個集裝箱裝車稱重誤差低于0.1%。
快速定量裝車系統應用液壓控制、定量稱重與機車自動定位技術，集成伸縮式料管裝車、噴霧抑塵與粉塵回收系統，實現硫磺定量自動密閉裝車，減少了粉塵飛揚，提高了裝車安全性。
3 安全運行控制與應急管理技術
3.1 大型裝置生產運行控制技術
由于凈化裝置工藝技術運行條件苛刻、測控點多、控制復雜，為確保裝置安全、長周期、平穩運行，采用分散控制系統(DCS)，對工藝過程進行集中控制、檢測記錄和報警。建立了區域獨立控制與中控集中控制相結合的DCS系統構架，開發分類組織的上位組態模式，集成1Gbps超大帶寬冗余總線控制技術，實現凈化廠20000個控制點大規模生產指令數據的實時、快速交換與通訊，確保系統安全、靈敏、可靠，年穩定運行大于等于8400h，控制反應時間小于等于200ms、準確率為100%。
3.2 安全聯鎖控制技術
從凈化廠生產過程控制、危險源、風險評估、應急預案等實際出發，研究凈化廠設備、單元、聯合裝置以及全廠東、西區域在正常生產過程中的彼此關聯因素，設計氣田上下游一體化緊急關斷，科學劃分聯鎖區域，設計保壓、0.5MPa/min放空、1.0MPa/min放空3種分級關斷模式，采用雙“二選一”結構，形成安全等級高、兼容性強的四級聯鎖關斷技術。
中心控制室設置1套SIS系統，實現一、二級關斷；每套聯合裝置4套SIS系統實現三、四級關斷；從而實現全廠、區域與各聯合裝置獨立關斷，在有效保證安全的情況下降低了環境的污染。
3.3 安全防護與應急管理技術
凈化廠工藝設施中危險源、工藝失效事件種類多，工藝裝置泄漏頻率偏高，導致凈化廠安全生產風險偏大，增加潛在的安全隱患。鑒于國內未形成完善的量化風險評價標準和規范，采用國際先進的Safety、Leak等系統對普光凈化廠整體進行國內首次安全量化風險評價(QRA)。依據量化風險評價結果，指導全廠硫化氫、可燃氣體泄漏監測、火災報警、視頻監控、安全逃生、應急疏散等安全控保系統科學設計、合理布局，建立了完善的安全管理與應急預案體系，實現凈化廠的全方位實時監控及異常情況下的有效處置，將風險的整體等級降到最低合理可行的范圍。
4 關鍵技術的應用效果
特大型高含硫天然氣凈化及配套技術在普光氣田得到成功的應用。從2009年10月普光天然氣凈化廠第一聯合裝置順利試投產以來，目前6套聯合裝置均已開車成功，凈化裝置運行平穩，主要工藝技術指標達到設計要求，凈化產品氣達到《天然氣》(GB 17820—1999)二類氣標準，硫磺質量達到《工業硫磺》(GB/T 2449—2006)一等品質量指標，實現環保生產。液硫罐區、硫磺成型、硫磺倉儲、轉運以及定量裝車設施安全有序運行，生產控制與聯鎖關斷系統穩定可靠，指令響應迅速，關斷控制準確，全廠處于安全平穩運行狀態，經濟效益顯著。
5 結論
普光氣田天然氣凈化廠各聯合裝置、硫磺儲運系統順利投產后，產品指標合格、裝置運行平穩，以實踐證明了天然氣凈化廠關鍵技術應用的可靠性，為今后我國高酸性氣田大型天然氣凈化廠的開發、設計和建造提供了寶貴的經驗和良好的借鑒。
1) MDEA法+催化水解脫硫脫碳、TEG法脫水、克勞斯熱轉化+二級催化轉化法回收硫磺、在線制氫還原吸收+熱焚燒尾氣處理與單塔酸性水汽提工藝，滿足普光氣田大規模高含硫天然氣凈化的要求，產品質量合格，尾氣排放達標。
2) 硫磺大型機械化倉儲、流水線轉運、自動快速定量裝車、鐵路集裝箱外運技術首次有機整合應用于硫磺儲運系統，形成的200×104t/a硫磺安全儲存技術，能夠實現超大規模硫磺儲運系統的全方位實時監控和安全運行。
3) 開發的大型凈化廠安全運行控制與應急管理技術，生產控制與聯鎖關斷系統穩定可靠，指令響應迅速，關斷控制準確，滿足凈化廠安全生產控制要求。
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(本文作者：于艷秋 毛紅艷 裴愛霞 中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠)
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