丁玲 蔣洪

西南石油大學(xué)

煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁玲 蔣洪

西南石油大學(xué)

目前，我國(guó)煤層氣脫水工藝主要參照低壓氣田脫水處理方法，存在工程投資大、工藝能耗高等問題。煤層氣低產(chǎn)的開采特點(diǎn)決定了煤層氣集輸處理工藝的重點(diǎn)在于節(jié)省投資提高處理工藝的適應(yīng)性。對(duì)現(xiàn)役煤層氣脫水工藝存在的問題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役工藝主要存在過濾分離器、甘醇泵及緩沖罐使用效果差、貧富甘醇換熱效果差等問題。針對(duì)工藝流程和工藝設(shè)備提出了改進(jìn)措施，以提高脫水效率，降低工程投資，改善工藝適應(yīng)性，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。最后以山西沁水煤層氣氣田的氣質(zhì)為例，使用HYSYS軟件分別對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬比較，模擬結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，該煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效降低約65%的綜合能耗，具有脫水效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、工程投資和能耗低的特點(diǎn)。

煤層氣 三甘醇 脫水 節(jié)能降耗

煤層氣氣質(zhì)較貧，基本不含重?zé)N和H2S，只含少量CO2，含粉塵較多，故煤層氣處理過程中最關(guān)鍵的處理工藝是脫水。目前，我國(guó)煤層氣地面集輸及處理技術(shù)主要參照低壓氣田集輸及處理方式。其中，煤層氣脫水工藝主要存在工程投資大、工藝能耗高等問題，故有必要對(duì)煤層氣脫水進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以節(jié)省工程投資、降低工藝能耗。

1 現(xiàn)役煤層氣脫水工藝存在的問題

目前，煤層氣脫水通常采用成熟、可靠、先進(jìn)的三甘醇脫水工藝，與其他脫水工藝相比具有工藝流程簡(jiǎn)單、露點(diǎn)降大、易于再生、溶劑損失量小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。三甘醇脫水工藝流程由高壓吸收系統(tǒng)及低壓再生系統(tǒng)兩部分組成。原料氣在高壓吸收系統(tǒng)進(jìn)行脫水，脫水吸收溶劑三甘醇溶液在低壓再生系統(tǒng)進(jìn)行再生。傳統(tǒng)三甘醇脫水工藝流程如圖1所示。

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤層氣三甘醇脫水裝置運(yùn)行正常，基本能達(dá)到管輸煤層氣水露點(diǎn)的要求。但在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中仍存在一些問題，包括過濾分離器使用效果差、甘醇流量難以調(diào)節(jié)、甘醇泵和緩沖罐使用效果差、貧富甘醇換熱效果差等問題，造成脫水裝置檢修頻繁，不能連續(xù)正常運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)三甘醇脫水工藝在設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中存在的主要問題如下［3－4］：

（1）原料氣分離器分離效果差。由三甘醇溶液的物理特性可知，三甘醇容易氧化和發(fā)泡，當(dāng)溫度低于27℃時(shí)，三甘醇溶液的黏度會(huì)增大，氣泡增多。煤層氣中含粉塵較多，若進(jìn)口過濾分離器效果不佳將導(dǎo)致三甘醇被雜質(zhì)污染，極易引起三甘醇發(fā)泡和設(shè)備堵塞。

（2）三甘醇脫水塔效率較低。國(guó)內(nèi)三甘醇脫水塔普遍采用泡罩塔，泡罩塔的氣體處理量較小，分離效率僅25%～33%。

（3）甘醇貧富液換熱效果差。富液換熱通常通過在緩沖罐中設(shè)置螺旋盤管完成，但換熱罐換熱效果差，導(dǎo)致甘醇貧液進(jìn)泵溫度太高。同時(shí)，高溫甘醇貧液具有的熱能未得到有效利用，增加了甘醇再生塔重沸器的熱負(fù)荷，增大了脫水裝置的運(yùn)行成本。

（4）高壓甘醇富液的壓力能未有效回收利用。國(guó)內(nèi)在役三甘醇脫水裝置中，高壓甘醇富液通常采用節(jié)流的方式降壓，造成壓力能的浪費(fèi)。

（5）工藝操作參數(shù)不夠優(yōu)化，脫水裝置能耗增加。

2 煤層氣脫水工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高三甘醇脫水工藝的脫水效率、降低三甘醇脫水能耗，本設(shè)計(jì)采用高效塔盤、板式換熱器和甘醇專用能量回收泵等高效設(shè)備，改進(jìn)了三甘醇脫水工藝流程，降低過程能耗，同時(shí)，對(duì)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低了投資成本［5－7］。

2.1 對(duì)原料氣進(jìn)行雙重分離

在三甘醇脫水設(shè)計(jì)中，解決三甘醇發(fā)泡問題是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。本設(shè)計(jì)針對(duì)煤層氣含粉塵較多的特點(diǎn)，采取了一系列措施，對(duì)原料氣進(jìn)行雙重分離：①原料氣分離器采用由多種高效分離元件組合而成的組合式高效過濾分離器，如殼牌公司的SMS（Schoepentoeter－絲網(wǎng)型除霧器－渦流板）系列分離器，對(duì)原料氣進(jìn)行一級(jí)分離，以提高煤層氣處理能力，并確保能脫除99%的直徑大于5μm的顆粒，可有效避免三甘醇發(fā)泡問題；②選擇內(nèi)部帶有過濾裝置的吸收塔對(duì)原料氣進(jìn)行二級(jí)分離，進(jìn)一步除去煤層氣中殘留的粉塵。③通過在再生貧液進(jìn)泵前安裝過濾器以過濾再生三甘醇中的雜質(zhì)；④發(fā)泡嚴(yán)重時(shí)注入消泡劑，如硅酮類或磷酸三辛酯等。

2.2 甘醇脫水塔采用高效塔盤

為增加脫水裝置的處理量，提高脫水效率，本設(shè)計(jì)采用高效塔盤。處理量較小時(shí)，吸收塔采用規(guī)整填料塔；處理量較大時(shí)，吸收塔采用旋流管塔。新型三甘醇吸收塔的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特性參數(shù)比較見表1。

表1 新型三甘醇脫水塔的性能比較Table 1 Performance comparison of new－type TEG absorbers

為了提高裝置的處理量，用規(guī)整填料塔替換泡罩塔是一種常見的有效措施。規(guī)整填料的氣體處理能力比泡罩塔盤大150%～190%，故使用規(guī)整填料時(shí)吸收塔塔徑更小，從而降低了脫水塔的投資成本。改造后煤層氣處理量提高至原來的240%，改造前后塔性能對(duì)比見表2。

表2 改造前后運(yùn)行條件及處理量對(duì)比Table 2 Comparison of operation conditions and treatment capacity before and after reform

旋流管塔盤是一種新型塔盤，它將接觸相和分離相結(jié)合起來。用于氣液接觸的旋流管塔盤使用了大量軸向間隔開的接觸塔盤，每一塊接觸塔盤都配有天然氣通道，其下部還有降液管的開口。此外，每一塊吸收塔盤上部均會(huì)安裝一塊分離塔盤。分離塔盤裝有旋流管，且配有液體通道。旋流管塔盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3［8］，塔盤主要由帶有氣體通道和降凝管的接觸塔盤、帶有旋流管的水平塔盤組成。

在旋流管塔盤中，煤層氣從塔底進(jìn)入，貧三甘醇從塔頂進(jìn)入。煤層氣與三甘醇在接觸塔盤上面進(jìn)行接觸，旋流管主要起到將煤層氣中夾帶的甘醇分離出來的作用，減少了兩層塔板間三甘醇的夾帶。旋流管塔盤的煤層氣處理能力是填料塔盤的160%左右，是泡罩塔盤處理能力的400%。對(duì)于相同的處理量，使用旋流管塔盤比使用規(guī)整填料投資更高。但當(dāng)處理量超過500×104m3／d（20℃，101.325kPa）時(shí)，使用旋流管塔盤則更加經(jīng)濟(jì)，富液中烴殘余量更低，旋流管塔盤適用于液量較低的分離場(chǎng)合，非常適合三甘醇脫水塔。

國(guó)外公司在Shearwater脫水裝置中，將旋流管分離技術(shù)和高效除霧器結(jié)合，取代了原來的葉輪分離器，天然氣處理量從0.89×108m3／d增加到1.18×108m3／d［9］。

填料塔和旋流管塔均需在塔頂部和底部安裝除沫裝置，以減少三甘醇的損失和液烴的夾帶。當(dāng)處理量較小時(shí)，可采用絲網(wǎng)除霧器；而在處理量較大時(shí)，絲網(wǎng)除霧器的處理能力不夠，就要采用高效除霧裝置。高效除霧裝置有很多種，其中以旋流管除霧裝置效果為最優(yōu)。圖4對(duì)比了泡罩塔、旋流管塔盤和填料塔的甘醇損失情況，在相同的甘醇損失量下，旋流管塔盤的氣體動(dòng)能因子（F因子）最大，即氣體流量最大。故在相同的氣體處理量下，旋流管塔盤的甘醇損失量最小。

2.3 三甘醇貧富液換熱采用高效板式換熱器

板式換熱器具有總傳熱系數(shù)高、傳熱效率高、對(duì)數(shù)平均溫差大、設(shè)備占地面積小、組裝靈活、操作彈性大、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，忠縣天然氣凈化廠、重慶五寶場(chǎng)氣田、中原文23氣田、文96儲(chǔ)氣庫(kù)等脫水裝置采用了板式換熱器作為貧富液換熱器，通過板式換熱器的高效換熱，可將進(jìn)三甘醇再生塔的富甘醇溫度提高至150℃以上，三甘醇貧液溫度降低至80℃以下，應(yīng)用效果較好。

2.4 甘醇循環(huán)泵采用高效能量回收泵

新型能量轉(zhuǎn)換甘醇泵將高壓甘醇富液的壓力能轉(zhuǎn)換為同軸的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)三甘醇貧液的增壓，從而完成三甘醇的溶液循環(huán)。能量回收泵由驅(qū)動(dòng)模塊與泵模塊兩個(gè)模塊構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)模塊接受脫水塔出來的高壓三甘醇富液，通過驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)齒輪后甘醇富液的壓力降低到閃蒸壓力，并將富液的壓力能轉(zhuǎn)換為同軸的機(jī)械能，泵模塊中的泵齒輪將低壓貧甘醇溶液增壓至脫水塔所需壓力，實(shí)現(xiàn)甘醇貧液的循環(huán)利用。

目前，能量回收泵主要有美國(guó)Rotor－Tech公司開發(fā)生產(chǎn)的能量回收泵、Hydra－Lectrik甘醇泵和美國(guó)Ameritech公司生產(chǎn)的Kimray能量回收泵。3種能量回收泵均已在國(guó)外三甘醇脫水裝置得到成功應(yīng)用。Rotor－tech能量回收泵結(jié)構(gòu)如圖5所示。Hydra－Lectrik甘醇泵內(nèi)帶有一個(gè)小功率的電動(dòng)馬達(dá)，用以克服機(jī)械損耗和水力摩阻，其結(jié)構(gòu)和Rotor－tech能量回收泵相似，只是附加了一個(gè)能量馬達(dá)，見圖6。

本優(yōu)化設(shè)計(jì)中三甘醇循環(huán)泵采用Hydra－Lectrik甘醇泵，該泵為雙動(dòng)力型，除了可由高壓富甘醇產(chǎn)生液壓動(dòng)力外，還配有電力以驅(qū)動(dòng)一個(gè)小型電動(dòng)馬達(dá)，克服機(jī)械損耗和水力摩阻，結(jié)合了能量回收泵與電動(dòng)齒輪泵的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、維護(hù)方便、運(yùn)行時(shí)無振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，且泵后無需設(shè)置三甘醇貧液緩沖罐。

三甘醇循環(huán)泵采用Hydra－Lectrik甘醇泵的最大優(yōu)點(diǎn)是可有效回收高壓富甘醇的壓力能，節(jié)省能耗。此外，該泵正常操作溫度較高，可達(dá)93℃，能有效避免發(fā)生氣蝕，保證泵的工作能力。

2.5 取消閃蒸罐

在傳統(tǒng)煤層氣三甘醇脫水工藝中，出吸收塔底部的三甘醇富液經(jīng)加熱后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸除去富液內(nèi)溶解的烴類，以防止烴類進(jìn)入再生系統(tǒng)，影響裝置的再生效果。由于煤層氣氣質(zhì)較貧，且不含重?zé)N類氣體，富液中僅溶解少量氣體，根據(jù)HYSYS模擬結(jié)果，去掉閃蒸罐以后，流程工藝參數(shù)幾乎無變化，故煤層氣脫水流程可取消閃蒸罐以降低裝置投資。

煤層氣三甘醇脫水裝置工藝改進(jìn)流程如圖7所示，該流程適用于對(duì)所有煤層氣進(jìn)行三甘醇脫水。下面將以沁水煤層氣田的氣質(zhì)為例，對(duì)該優(yōu)化流程進(jìn)行模擬分析。

3 實(shí)例分析

山西沁水煤層氣氣田沁端區(qū)塊煤層氣氣質(zhì)組分如表3所列。

表3 煤層氣氣體組分Table 3 Coal bed gas component

煤層氣脫水裝置氣體處理規(guī)模為100×104m3／d（最大處理能力120×104m3／d），進(jìn)站壓力（絕壓）6.5MPa，進(jìn)站溫度20℃，干氣外輸壓力＞6.0MPa。

煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化工藝與傳統(tǒng)工藝參數(shù)及能耗對(duì)比分別見表4。該煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化工藝應(yīng)用高效的板式換熱器替換傳統(tǒng)的換熱器，改善了甘醇貧富液的換熱效果。根據(jù)模擬結(jié)果，板式換熱器可將三甘醇富液進(jìn)塔溫度由67℃升至180℃，降低了三甘醇再生塔重沸器能耗。貧液溫度由原來的199℃降至70℃，達(dá)到進(jìn)泵要求，無需再設(shè)置貧液冷卻器和循環(huán)水系統(tǒng)。應(yīng)用甘醇能量回收泵替換傳統(tǒng)的柱塞式計(jì)量泵，可有效回收甘醇富液的壓力能，節(jié)省甘醇泵的動(dòng)力消耗。

表4 煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化工藝與傳統(tǒng)工藝參數(shù)及能耗對(duì)比Table 4 Comparison of process parameters and energy consumption between optimized and traditional process

由表4可知，采用該煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化工藝可比傳統(tǒng)工藝節(jié)省約65%的綜合能耗，達(dá)到煤層氣脫水工藝節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)煤層氣三甘醇脫水工藝主要存在原料氣分離器分離效果差、三甘醇脫水塔效率較低、甘醇貧富液換熱效果差、高壓甘醇富液的壓力能未得到有效回收利用和工藝參數(shù)不夠優(yōu)化等問題。

通過優(yōu)化流程工藝參數(shù)，選用新型高效設(shè)備、簡(jiǎn)化流程等方法對(duì)煤層氣三甘醇脫水工藝進(jìn)行了優(yōu)化。該煤層氣三甘醇脫水系統(tǒng)的適用范圍廣，無論處理量大小，均能達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。該流程選用新型高效設(shè)備，充分利用了流程中各物流的熱能及壓力能，有效降低了三甘醇脫水系統(tǒng)運(yùn)行能耗，其綜合能耗可比傳統(tǒng)裝置節(jié)省約65%。

煤層氣三甘醇脫水優(yōu)化設(shè)計(jì)主要的工藝特點(diǎn)有：

（1）對(duì)原料氣進(jìn)行雙重分離，避免了煤層氣中的粉塵進(jìn)入裝置引起三甘醇發(fā)泡。

（2）三甘醇脫水塔在處理量較小時(shí)，吸收塔采用規(guī)整填料塔；處理量較大時(shí)，吸收塔采用旋流管塔，以增加處理能力，提高脫水效率。

（3）三甘醇循環(huán)泵選用Hydra－Lectrik甘醇泵替換傳統(tǒng)的柱塞式計(jì)量泵，有效利用了三甘醇富液壓力能，節(jié)省甘醇泵的動(dòng)力消耗，進(jìn)而降低了系統(tǒng)能耗，且泵出口壓力和流量平穩(wěn)，無需添加貧液緩沖罐。

（4）三甘醇貧富液換熱器采用高效板式換熱器，提高換熱效果，有效降低再生塔重沸器能耗。

（5）取消富液閃蒸罐、甘醇泵前水冷器、循環(huán)水系統(tǒng)等裝置，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了裝置投資。

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Optimized design of TEG dehydration from coal bed gas

Ding Ling，Jiang Hong
（Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China）

At present，the method for dehydration of coal bed gas in China mainly refers to the dehydration treatment method for low－pressure gas field，which has the problems of high engineering investment and energy consumption in the process.The low yield of coal bed gas determines that the emphases for gathering and transportation of coal bed gas are saving investment and improving adaptability.By analyzing the problems of existing coal bed gas dehydration process，it was found that the mainly problems were the poor use effect of filter separator，glycol pumps and buffer tank，together with the bad heat transfer effect of the poor and rich glycol heat exchanger.Measures of the process and equipment were put forward to improve the dehydration efficiency，reduce investment，improve technological adaptability，and save energy.Finally，taking the gas of Qinshui Shanxi coal bed gas field as an example，comparing the traditional design with the optimized design by HYSYS software，the simulation results showed that the optimized design could effectively reduce comprehensive energy consumption of about 65%relative to traditional design.Therefore it has high dehydration efficiency，strong adaptability，low investment and low energy consumption.

coal bed gas，TEG，dehydration，saving energy and reducing consumption

丁玲（1991－），女，四川成都人，西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀研究生。E－mail：jiushidingling＠163.com

TE644

A

10.3969／j.issn.1007－3426.2015.05.006

2015－03－09；編輯：溫冬云