天然气露点控制装置工艺优化

孙 雷

（艾法能源工程股份有限公司，天津 300457）

天然气露点控制装置工艺优化

孙 雷

（艾法能源工程股份有限公司，天津 300457）

某天然气露点控制装置能耗过高，设备陈旧，尺寸过大，经济效益差，需要新建一套装置替代原装置。新装置从关键设备选型、防冻剂注入方式等角度，进行了工艺优化。优化后的装置结构紧凑、尺寸和重量明显降低，系统能耗明显节约。优化结果表明：选用板翅式换热器等紧凑高效换热器替代常规换热器，可以大幅降低系统制冷负荷需求，节约系统能耗；高效换热器的使用大幅降低装置的尺寸和重量；采用两段注醇工艺明显节约乙二醇注入量，降低乙二醇再生能耗。

露点控制；工艺优化；板翅式换热器；注醇工艺

天然气露点控制指脱除天然气中会影响其在输送条件下正常流动的气相水和天然气液烃（NGL）组分，以满足天然气气质指标和深度分离的需要以及天然气在管输条件下对水露点和烃露点的要求。

对含有较多 NGL 组分的油田伴生气和凝析天然气而言，能同时有效脱除其中水和烃的方法是温降法，包括节流膨胀制冷法和外加冷源制冷法。其中，节流膨胀制冷法适用于自然压力能可供利用的场合，在不具备压力能可供利用的场合，常用的是外加冷源制冷法[1]。丙烷制冷系统在天然气露点控制装置中最为常用，适用于冷凝温度高于-35 ℃的工况[2]。

低温冷凝的脱水脱烃效果是显而易见的，但为了达到较深的脱水深度，对制冷设施提出了更高的要求。丙烷制冷系统属高耗能设备，电力消耗为生产中最主要的成本输出[3]。制冷量需求的大小直接影响天然气脱水脱烃过程的工程投资和能量消耗[4,5]。因此，对天然气冷冻法露点控制工艺进行优化研究具有重要的现实意义。

1 原装置工艺方案介绍

1.1 生产需求概况

青海某气田日产天然气 100×104m3/d(S)，天然气中酸气含量较低，但天然气中的重组分较多，低温下平均 1×104m3天然气，可产生 0.02 m3凝液。原料气操作温度 40 ℃，操作压力 4.5～5.5 MPa(G)，当地冬季环境温度较低，为保证外输安全，要求烃水露点降至-15 ℃。

1.2 原装置工艺方案

该气田现有一套在运行露点控制装置，采用丙烷制冷系统降温脱水脱烃。该装置的工艺流程如图1所示。

原料气经预分离器脱除携带的液态水、凝液和杂质，进入预冷换热器与低温干气换热，回收干气的冷量。预冷后的天然气和凝析液一起进入冷凝器，在冷凝器内进一步降温至-15 ℃。低温气经三相分离器分离出凝液，气体露点达到外输要求，经冷量回收后外输。

为防止含有饱和水的天然气随温度的降低形成水合物，在天然气冷冻前必须注入水合物抑制剂，降低水合物生成温度 。本装置的冷冻目标温度为-15 ℃，采用 75%（w）的乙二醇水溶液作为抑制剂，该抑制剂的冰点温度在-45 ℃以下[7]。防冻剂在天然气预冷前注入，经低温分离器分离后进入再生系统加热脱水再生。

图1 原工艺流程Fig.1Originalprocess Chart

该装置已经运行多年，故障率高，需要更换。生产过程制冷系统能耗过高，制冷量需要 521kW，压缩机电负荷需要 272 kW。且整套装置设备尺寸较大，占地多，操作维修不便。为此，该气田要求通过工艺研究，提出优化方案，更新一套露点控制装置，达到节能降耗的目的。

2 工艺方案优化

新的工艺方案在换热器选型、增加中间预冷分离器等环节进行了优化，优化后的工艺流程如图 2所示。

2.1 优化换热器类型

原装置中预冷换热器和冷凝器均为管壳式换热器，换热器按照热端温差 12 ℃进行的设计。预冷换热器设备尺寸为 1100（ID）X7944(L)，重量为 22 t。冷凝器设备尺寸为 650（ID）X6855(L)，重量为6 t[8]。不仅换热设备尺寸、重量巨大，而且由于热端温差偏大，-15 ℃低温干气的冷量没有被充分回收，原料气预冷程度低，导致对制冷系统的负荷需求多。

采用高效换热设备进行冷量回收，降低预冷后天然气的温度，制冷系统的负荷也就随之降低，不仅可以降低一次投资，装置的运行费用也会降低。目前应用成熟的紧凑高效换热器主要有板翅式换热器、螺旋板式换热器、绕管式换热器等。其中，板翅式换热器由铝合金制成，具有传热效率高、结构紧凑、重量轻等优点，适用于气体之间、气体与液体之间的换热以及相变换热等工况。板翅式换热器传热系数一般可达管壳式换热器的 5～10 倍，热端温差可取 3 ℃左右，并能够实现多程流换热 。新的工艺方案将预冷换热器和冷凝器集成在一起，用一台板翅式换热器替代。

图2 优化后的工艺流程Fig.2 Optimizedprocess Chart

2.2 采用两段注醇工艺

原装置中，预冷换热器后未设置分离器，防冻剂采用一次性按需注入。该装置的注醇量为 800 kg/h，乙二醇再生加热负荷为 100 kW。

方案优化后采用两段冷却、两段注醇的工艺。预冷前进行第一次注醇，预冷换热器后设置预冷分离器，凝液分离后进行二次注醇。两段注醇工艺明显节约乙二醇注入量，降低乙二醇再生系统的能耗。方案优化后的注醇量为 410 kg/h，乙二醇再生加热负荷为 62 kW。

2.3 方案对比

本文从设备尺寸、重量、制冷系统负荷需求、制冷压缩机消耗功率等角度将优化方案与原工艺方案进行了对比分析，如表1所示。

表1 新旧工艺方案对比Table 1Comparison between new and originalplane

由表1可见，优化方案后制冷系统的冷量负荷降低 52%，制冷压缩机电机需求功率降低 53%，大大降低了系统能耗。优化后的换热设备的尺寸和重量大幅降低，制冷系统规格比原装置也明显降低。两段注醇工艺明显节约乙二醇注入量，降低乙二醇再生系统的能耗。与一段注醇工艺相比，节约乙二醇耗量 390 kg/h，再生系统能耗降低 38 kW，约占38%。

按照优化方案制造的露点控制装置已经投产运行近三年时间，运行状态良好，各项指标满足设计要求。

3 运行经验和控制要点

通过对原装置工艺方案的改造优化和对比分析，供行业同仁参考：

（1）在天然气冷冻脱水脱烃工艺中，选用板翅式换热器可以替代多台换热器，实现换热集成化，降低装置尺寸和重量。

（2）板翅式换热器对热端换热温差要求低，可实现深度换热，大幅降低对制冷负荷的需求，节能降耗效果显著。

（3）采用两段注醇工艺明显节约乙二醇注入量，降低乙二醇再生能耗。

（4）本装置对入口天然气中固液杂质夹带有较高要求，采出气在进入本装置前必须设置预处理装置脱除固、液杂质。

（5）乙二醇注入装置选型要恰当，充分雾化的乙二醇与天然气的充分混合，一方面防冻效果好，同时避免在板翅式换热器的板片间产生沉降，降低换热效率。

（6）由于金属汞对铝制材料具有腐蚀性，对于含汞天然气，不适合使用铝质板翅式换热器。

［1］王协琴.天然气脱水脱烃方法介绍[J].天然气技术，2009，3（5）:51-54

［2］SY/T 0077-2008，天然气凝液回收设计规范[S].

［3］解永刚，张昆，魏超，等.天然气处理厂丙烷制冷系统节能改造[J].天然气工业，2013，33（2）：99-104.

［4］李时宣，冯凯生，张明礼.天然气小压差节流制冷脱烃工艺技术[J].油气田地面工程，2005，24（7）:17-18.

［5］张兆伟，丛延刚，张甲才.天然气小制冷量低温脱水脱烃技术[J].油气田地面工程，2009，28（9）:86-87.

［6］晁宏洲，王赤宇，马亚琴.乙二醇循环系统的工艺运行分析[J].石油与天然气化工，2007，28（9）:86-87.

［7］GPSA. Engineering Data Book [M]. 13th Edition，Tulsa，Ok.，2012

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［9］嵇迅达.我国板翅式换热器技术进展[J].低温与特气，1998（1）：22-27.

［10］宋春元.板翅式换热器的技术进展[J].化工设计通讯，2008，34（4）：48-52.

Process Optimization of Natural Gas Dewpoint Control Device

SUN Lei
（Afar Energy Engineering Services Co.,Ltd., Tianjin 300457, China）

process optimization of natural gas dewpoint control device was carried out from the aspects of key equipment selection, glycol injection mode and so on. Optimized device was compared with original device. The results show that: using compact and efficient heat exchanger such asplate type finned heat exchanger can greatly reduce the refrigerant load demand and the energy consumption, and application of efficient heat exchanger can greatly reduce the size and weight of the device；The mode of glycol injection in two times can significantly save glycol injection rate and reduce glycol regeneration duty.

Dewpoint control;process optimization;plate type finned heat exchanger; Glycol injection mode

TE 624

： A

： 1671-0460（2017）02-0356-03

2016-10-10

孙雷（1983-），男，山东省菏泽市人，工程师，硕士学位，2008 毕业于中国石油大学化工机械专业，研究方向：从事石油天然气工程技术工作。E-mail：lei.sun@afarenergy.com。