王爾珍 江偉平 范遠(yuǎn) 韓福慶 楊銀銀

中國石油長慶油田分公司采氣一廠

長慶油田第四天然氣凈化廠450×104m3／d凈化裝置運(yùn)行評(píng)價(jià)

王爾珍 江偉平 范遠(yuǎn) 韓福慶 楊銀銀

中國石油長慶油田分公司采氣一廠

中國石油長慶油田分公司第四天然氣凈化廠天然氣凈化裝置是長慶設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì)的首套450×104m3／d天然氣凈化裝置，自2013年11月進(jìn)氣投產(chǎn)，兩套450×104m3／d主體凈化裝置已安全平穩(wěn)運(yùn)行至今，總體達(dá)到工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。通過運(yùn)行過程中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化參數(shù)，凈化裝置整體運(yùn)行平穩(wěn)，關(guān)鍵參數(shù)控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)?？偨Y(jié)了該裝置1年多的運(yùn)行情況，針對裝置從投運(yùn)到進(jìn)氣生產(chǎn)中存在的問題提出對策，并給出下一步的改進(jìn)建議。

天然氣 凈化 脫硫 脫碳 脫水

中國石油長慶油田分公司第四天然氣凈化廠（以下簡稱第四凈化廠）為長慶設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì)建設(shè)的首套處理氣量為450×104m3／d的天然氣凈化裝置，上游氣源分別為長慶油田采氣一廠及采氣六廠，經(jīng)凈化處理后通過“靖西三線”、周邊用戶輸氣管道向下游供氣，工廠同時(shí)配套有集配氣區(qū)、火炬放空、尾氣焚燒、供熱供水、供電、消防等輔助設(shè)施。

該裝置于2013年11月進(jìn)氣投產(chǎn)，截至2014年12月31日，累計(jì)外輸產(chǎn)品氣15.16×108m3。裝置運(yùn)行1年來，原料氣氣質(zhì)雖較設(shè)計(jì)有所變化，但產(chǎn)品氣氣質(zhì)均能達(dá)到二類氣氣質(zhì)指標(biāo)要求（見表1），裝置運(yùn)行平穩(wěn)［1－2］。

表1 原料氣及產(chǎn)品氣設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值對比表Table 1 Design and operation value comparison of feed gas and product gas

1 主要工藝流程

裝置主要包括脫硫、脫碳單元和脫水單元，分別用于脫除原料天然氣中的H2S、CO2和水分。

1.1 脫硫、脫碳單元

脫硫、脫碳單元采用45%（w）的MDEA溶液脫除原料天然氣中酸性氣體，然后將濕凈化氣送至脫水裝置進(jìn)行處理。與其他凈化廠相比，第四凈化廠新增氣氣換熱器、貧液增壓泵、貧液過濾器、濕凈化氣分離器液體回收以及中壓系統(tǒng)定壓放空等工藝設(shè)備及流程［3］，其工藝流程如圖1所示。

1.2 脫水單元

出脫硫單元的濕凈化氣進(jìn)入脫水單元進(jìn)行脫水處理，脫水單元采用99.6%（w）的三甘醇作為脫水劑，脫除濕凈化氣中的飽和水，其工藝流程如圖2所示。

2 凈化裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 工藝方面

在借鑒其他天然氣凈化廠工藝的基礎(chǔ)上，第四凈化廠改進(jìn)了部分工藝，主要包括以下幾方面。

2.1.1 裝置加熱系統(tǒng)

裝置加熱系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油供熱，導(dǎo)熱油在供熱系統(tǒng)內(nèi)密閉循環(huán)使用，與其他天然氣凈化廠的蒸汽供熱系統(tǒng)相比，具有低壓、安全、高效、節(jié)水和維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)全程密閉，油品幾乎不損耗，對換熱設(shè)備和管線無腐蝕，且在緊急停電等情況下，溫度能保持較長時(shí)間，來電后油溫恢復(fù)快，不會(huì)出現(xiàn)蒸汽供熱系統(tǒng)的水擊風(fēng)險(xiǎn)。

圖3為2014年12月18日早晨6：30停電及來電響應(yīng)后2＃導(dǎo)熱油爐導(dǎo)熱油出口溫度及再生塔重沸器胺液出口溫度。

由圖3可知，停電等情況下導(dǎo)熱油溫度不會(huì)下降過快，因而縮短了裝置恢復(fù)正常所用時(shí)間，可最大程度地縮短不合格產(chǎn)品氣外輸時(shí)間。

2.1.2 原料氣預(yù)處理系統(tǒng)

（1）原料氣過濾器。原料氣過濾器采用二級(jí)超級(jí)過濾，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置新型分離內(nèi)件“葉片”及過濾聚結(jié)濾芯，雙級(jí)葉片保證了液體分離的精度，充分保證原料氣進(jìn)入裝置的純凈度。

（2）氣氣換熱器。裝置新增氣氣換熱器，使原料氣和濕凈化氣在進(jìn)塔前進(jìn)行換熱，有利于分離濕凈化氣攜帶的水及少量MDEA溶液，降低脫水單元負(fù)荷。

2.1.3 溶液過濾系統(tǒng)

出脫硫閃蒸塔的MDEA富液經(jīng)過兩級(jí)機(jī)械過濾器和活性炭過濾器進(jìn)行過濾，在脫硫、脫碳單元貧液后冷器后新增MDEA貧液機(jī)械過濾器（濾芯直徑10 μm），進(jìn)一步濾除溶液中部分雜質(zhì)，提高溶液質(zhì)量。

2.1.4 冷卻換熱系統(tǒng)

裝置氣氣換熱器和貧富液換熱器換熱效果良好，換熱效率高［4］。

經(jīng)過氣氣換熱器后，原料氣由8～15℃換熱至25～26℃，提高了進(jìn)塔溫度，而出脫硫塔的濕天然氣由50～55℃換熱至35～44℃，減小了濕凈化氣去脫水單元的負(fù)荷。

查設(shè)計(jì)參數(shù)，氣氣換熱器設(shè)計(jì)換熱面積S＝345m2，總傳熱系數(shù)K＝359W／（m2·K），原料天然氣進(jìn)料流量Wc＝104 621kg／h，濕凈化天然氣流量Wh＝103 019kg／h，原料天然氣比熱容Cpc＝2.542 kJ／（kg·℃），濕凈化氣比熱容Cph＝2.576 kJ／（kg·℃），兩流體熱容量流率比為CR，傳熱單元數(shù)為NTU，采用式（1）～式（5）中的ε－NTU法計(jì)算換熱效率ε：

式中，Cmin為流體比熱容最小值，kJ／（kg·℃）；Wh為熱流體質(zhì)量流量，kg／h；Cph為熱流體定壓比熱容，kJ／（kg·℃）。

式中，Cmax為流體比熱容最大值，kJ／（kg·℃）；Wc為冷流體質(zhì)量流量，kg／h；Cpc為冷流體定壓比熱容，kJ／（kg·℃）。

式中，CR為熱容量流率比。

式中，NTU為傳熱單元數(shù)；K為總傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；S為傳熱面積，m2。

式中，ε為換熱效率。

經(jīng)計(jì)算，氣氣換熱器的換熱效率為86%。

在貧富液換熱器中，富胺液由48～52℃換熱至94～97℃，提高了富胺液進(jìn)再生塔的溫度；貧胺液由113～116℃換熱至68～70℃，可減小貧胺液的冷卻能耗。經(jīng)計(jì)算，貧富液換熱器的換熱效率為93%。

2.2 設(shè)備方面

（1）裝置區(qū)酸氣及富液管線全部采用不銹鋼材質(zhì)，可有效降低腐蝕；MDEA貧富液換熱器、酸氣換熱器及MDEA重沸器采用整體不銹鋼材質(zhì)，換熱系數(shù)高，腐蝕小；裝置區(qū)脫硫塔、脫水塔及再生塔采用不銹鋼塔盤，其中，再生塔采用復(fù)合鋼板制造，抗腐蝕能力強(qiáng)。

對吸收塔和再生塔內(nèi)件進(jìn)行了優(yōu)化，浮閥由傳統(tǒng)的F1型改為ADV高性能微分浮閥。ADV高性能浮閥可消除塔板上液體滯流區(qū)，促進(jìn)液體分布接近理想的流動(dòng)分布，使氣體以均勻的泡沫密度穿過整個(gè)鼓泡區(qū)。同時(shí)，導(dǎo)向作用改善了塔盤上的存垢情況，延長了塔的運(yùn)行時(shí)間，減小液體旁流現(xiàn)象，因而可提高板效率。

（2）在脫硫系統(tǒng)貧富液換熱器后新增貧液增壓泵。貧液增壓泵可提高貧液在換熱器和空冷器中的流速，從而提高換熱效率，節(jié)約裝置能耗。

2.3 自控儀表系統(tǒng)

PKS自控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS）、四級(jí)截?cái)嗑o急停車系統(tǒng)（ESD）及火／氣系統(tǒng)（FGS）構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)凈化廠的生產(chǎn)過程監(jiān)控、聯(lián)鎖保護(hù)、緊急停車及火氣監(jiān)測報(bào)警等功能。在發(fā)生緊急情況時(shí)，中控室可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。裝置在自控儀表設(shè)計(jì)方面主要有以下特點(diǎn)：

（1）對關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，將電機(jī)及泵體軸承驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)、位移及溫度等參數(shù)引入自控系統(tǒng)，設(shè)置超前預(yù)警及時(shí)干預(yù)，以確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）對于進(jìn)出裝置的截?cái)喔綦x位置、凈化裝置高中低壓截?cái)嗵幖懊摿蛩何?、濕凈化器分離器液位、閃蒸塔壓力等關(guān)鍵控制參數(shù)和截?cái)嗫刂撇课唬趦x表及聯(lián)鎖閥門配備上采用“多表檢測，雙閥控制”的方式，確保聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)準(zhǔn)確，執(zhí)行可靠。

（3）為保證裝置在重大非正常工況下按照特定操作實(shí)現(xiàn)有序安全停運(yùn)，在聯(lián)鎖動(dòng)作的基礎(chǔ)上利用ESD系統(tǒng)對單套裝置設(shè)置了一鍵停車控制邏輯，在非正常工況下，可實(shí)現(xiàn)中控室一鍵遠(yuǎn)程停運(yùn)凈化裝置。

3 凈化裝置運(yùn)行評(píng)價(jià)

1＃凈化裝置在180×104m3／d、270×104m3／d、360×104m3／d和420×104m3／d的處理量下的主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)可知，處理原料氣量分別為裝置滿負(fù)荷的30%、60%、80%和90%，隨著原料氣處理量的增加，MDEA溶液的循環(huán)量也略有增大，產(chǎn)品氣中H2S、CO2含量和水露點(diǎn)均在允許范圍內(nèi)，在不同處理量下，主要參數(shù)均在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，輸出產(chǎn)品氣氣質(zhì)達(dá)標(biāo)。

表2 不同處理氣量下凈化裝置主要運(yùn)行參數(shù)Table 2 Main operation parameters of purification plant under different treatment capacity

凈化裝置產(chǎn)生的酸氣經(jīng)硫磺回收裝置絡(luò)合鐵溶液催化氧化后生成硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的粗硫磺，以除去酸氣中的H2S。粗硫磺經(jīng)熔硫提純后，制成硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的固體產(chǎn)品硫磺顆粒外運(yùn)，通過硫磺回收裝置實(shí)現(xiàn)酸氣的處理與回收，確保尾氣排放符合國家對環(huán)境保護(hù)的要求。

3.1 裝置性能測試情況

2013年11月和2014年4月，在裝置運(yùn)行過程中分別對1＃天然氣凈化裝置在270×104m3／d和360×104m3／d的穩(wěn)定氣量下進(jìn)行了性能測試，2014年11月，短時(shí)間內(nèi)在480×104m3／d的處理量下也實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行。經(jīng)測試，該裝置的處理能力為設(shè)計(jì)值的40%～110%，操作彈性較大。且在測試過程中，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)處理的凈化天然氣氣質(zhì)合格，符合GB 17820－2012《天然氣》中規(guī)定的二類氣氣質(zhì)指標(biāo)，滿足產(chǎn)品外輸氣指標(biāo)。

3.2 裝置檢修情況

從2014年裝置檢修情況看，原料氣過濾器過濾效果較好，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯中有大量粉末狀固體顆粒；脫硫塔、脫水塔、換熱器等設(shè)備比較干凈，設(shè)備腐蝕情況較輕，特別是再生系統(tǒng)，未發(fā)現(xiàn)腐蝕。污泥主要集中在塔器下部，其中，閃蒸塔內(nèi)沉積污物較多。

3.3 裝置運(yùn)行成本分析

第四凈化廠采用導(dǎo)熱油系統(tǒng)完全可以滿足全廠熱源的需求。脫硫單元采用增加貧液增壓泵及“空冷＋水冷”的新工藝以來，裝置運(yùn)行平穩(wěn)高效經(jīng)濟(jì)，節(jié)能減排效果顯著［5］。表3為2014年1月～10月的能耗統(tǒng)計(jì)情況。

表3 2014年1月～10月能耗統(tǒng)計(jì)Table 3 Energy consumption statistics from January to October in 2014

從表3可知，在2014年1月～3月冬季生產(chǎn)高峰期，電耗略超指標(biāo)，1月～10月的全年平均電耗、水耗和綜合能耗均在指標(biāo)范圍內(nèi)。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的使用極大地減小了對水資源的利用。日后生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，降低運(yùn)行成本。

4 凈化裝置試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及對策

過去1年中，兩套天然氣凈化裝置整體運(yùn)行平穩(wěn)，但在運(yùn)行過程中也暴露出以下問題。

4.1 設(shè)備類

4.1.1 MDEA循環(huán)泵機(jī)械密封刺漏

MDEA循環(huán)泵機(jī)械密封頻繁出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象，判斷其原因可能為機(jī)械密封材料選用不當(dāng)，在機(jī)泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)下對密封件的燒蝕損傷造成密封刺漏。將機(jī)械密封更換為新型硬端面密封，密切關(guān)注MDEA循環(huán)泵的運(yùn)行，目前只發(fā)現(xiàn)少量滴漏，未再次發(fā)生機(jī)械密封刺漏的情況。

4.1.2 脫硫閃蒸塔到再生塔之間過液不暢

經(jīng)性能測試發(fā)現(xiàn)，初始設(shè)計(jì)過濾器在氣量為380×104m3／d的處理規(guī)模下，MDEA循環(huán)量為130～140m3／h時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過濾器超壓，對裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對此情況，設(shè)計(jì)單位提出，可采取更換流通能力更強(qiáng)的過濾器或在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加一組過濾器的方式，實(shí)現(xiàn)過濾器的并聯(lián)運(yùn)行，以增加溶液流通能力，該方案計(jì)劃于明年實(shí)施。

4.1.3 脫水單元板式換熱器滲液

脫水裝置區(qū)板式換熱器在運(yùn)行過程中發(fā)生滲液現(xiàn)象，影響貧富液換熱效果。經(jīng)分析，初步判定其原因?yàn)槊芊鈮|片老化，已于檢修停車時(shí)對墊片進(jìn)行更換，更換后運(yùn)行至今暫未發(fā)生滲液現(xiàn)象，后期準(zhǔn)備將板式換熱器更換為全焊式換熱器［6］。

4.2 操作問題

4.2.1 脫硫塔底部溶液消泡情況不好

脫硫塔液位采用了浮筒、磁浮子及差壓液位計(jì)同時(shí)檢測，在裝置運(yùn)行過程中，根據(jù)日常運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)差壓液位可作為溶液發(fā)泡的預(yù)警信號(hào)：當(dāng)浮筒及磁浮子維持在正常液位，差壓液位呈下降趨勢，且現(xiàn)場磁浮子液位計(jì)存在分層現(xiàn)象時(shí)，即可判斷為溶液發(fā)泡，此時(shí)，需及時(shí)向系統(tǒng)中注入阻泡劑，防止音叉液位開關(guān)誤報(bào)警，聯(lián)鎖誤動(dòng)作［7］。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐總結(jié)，當(dāng)差壓液位有所下降時(shí)，適當(dāng)提高溶液進(jìn)塔溫度，溶液發(fā)泡現(xiàn)象有所減緩，差壓液位有回升趨勢。故控制進(jìn)裝置壓力及脫硫反應(yīng)溫度對溶液發(fā)泡現(xiàn)象有所改進(jìn)［8］。

4.2.2 閃蒸氣初期無法正常投運(yùn)且?guī)б狠^多

裝置投產(chǎn)初期閃蒸氣投運(yùn)后，燃料氣罐持續(xù)超壓，閃蒸氣無法正常投運(yùn)，必須將閃蒸氣放空，造成資源浪費(fèi)。打開燃料氣罐去酸氣焚燒支路閥門，將閃蒸氣供給尾氣焚燒爐做燃料氣，使閃蒸氣量與消耗量達(dá)到平衡，調(diào)整后燃料氣罐投運(yùn)正常。

此外，脫水單元重沸器初期運(yùn)行不穩(wěn)定，存在頻繁熄火現(xiàn)象。其主要原因是閃蒸氣帶水嚴(yán)重，通過加強(qiáng)燃料氣罐及燃料氣管線的排水，并在燃料氣罐出口增設(shè)捕霧網(wǎng)，情況有所改善，為徹底解決該問題，將于2015年增加1套干燥設(shè)備。

4.2.3 脫硫閃蒸塔增設(shè)中壓遠(yuǎn)控放空

設(shè)計(jì)脫硫閃蒸塔放空管線閥門為手動(dòng)開關(guān)，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，當(dāng)裝置出現(xiàn)異常情況時(shí)，閃蒸氣量波動(dòng)較大，需及時(shí)進(jìn)行放空，但需要現(xiàn)場操作人員手動(dòng)開關(guān)閥門，工作量較大，且應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間過長，并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在檢修期間，中壓系統(tǒng)增設(shè)通徑為DN50的定壓放空調(diào)節(jié)閥，可保證中壓系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

5 結(jié)語

450×104m3／d天然氣凈化裝置創(chuàng)新采取導(dǎo)熱油供熱方式，增設(shè)了氣氣換熱器、貧液增壓泵、貧液過濾器及安全可靠的自控儀表系統(tǒng)等，選用了新型原料氣過濾分離器，溶液再生系統(tǒng)全部采用不銹鋼材質(zhì)，投運(yùn)1年多以來，解決了脫硫塔發(fā)泡嚴(yán)重、MDEA循環(huán)泵頻繁刺漏、機(jī)械過濾器過液不暢等一系列運(yùn)行難題，裝置整體運(yùn)行情況良好，全年溶液消耗、動(dòng)力支出均控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，外輸商品氣氣質(zhì)指標(biāo)滿足GB 17820－2012《天然氣》中規(guī)定的二類氣氣質(zhì)要求。

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Operation evaluation of 4.5×106m3／d purification unit in the fourth natural gas purification plant of Changqing Oilfield

Wang Erzhen，Jiang Weiping，F(xiàn)an Yuan，Han Fuqing，Yang Yinyin
（The First Natural Gas Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company，Jingbian718500，China）

The fourth natural gas purification plant of PetroChina Changqing Oilfield Company is the first set of 4.5×106m3／d purification unit designed independently by Changqing Design Institute.It was put into production in November 2013，two sets of 4.5×106m3／d purification unit run smoothly up to now，which have reached the design requirements of the project in general.Through summing up experience and optimizing operational parameters in running process，the purification unit operated smoothly and well，and the key parameters were all controlled within the range of design index.This article summarized the operating condition of the fourth purification plant in the past year，put forward some countermeasures for solving existing problems of the unit，and also provided the improvement suggestions.

natural gas，purification，desulfurization，decarbonization，dehydration

TE644

B

10.3969／j.issn.1007－3426.2015.05.005

王爾珍（1988－），男，陜西周至人，2013年6月畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣學(xué)院測試計(jì)量技術(shù)與儀器專業(yè)，碩士研究生，助理工程師，現(xiàn)任職于長慶油田采氣一廠第四凈化廠，主要從事天然氣凈化工作。E－mail：wrzboy1988＠163.com

2015－04－08；編輯：溫冬云