三甘醇脱水技术在元坝气田净化装置中的应用

杨洋 陈奇 李治鹏 谷卓然 叶世贵 李长春

1.中石化广元天然气净化有限公司 2.中核四川环保工程有限责任公司

元坝气田中石化广元天然气净化有限公司(以下简称净化公司)是中石化继普光气田之后发现的又一超深、高压、高温、高含硫天然气田——元坝气田项目建设的重要组成部分，是中国石化西南石油局分公司实现盈利脱困和“双百亿气田”建设目标的重要支撑力量。净化公司于2015年建成投产[1]，至2019年12月，已累计处理159×108m3原料天然气，外输133×108m3产品天然气。净化公司主要由4套联合装置组成，每套联合装置由脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理和酸水汽提等单元构成[2]。单套联合装置设计处理量为：原料天然气300×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa，下同)、湿净化气260×104m3/d、单质硫产量8×104t/a[3]。由于产品气要远距离输送至长江中下游，天然气中的水分会造成管网腐蚀，降低管道压力等，影响产品气输送的安全性[4-5]，故对产品气的含水量即水露点有严格要求，夏季天然气水露点不高于-10 ℃，冬季不高于-15 ℃，故湿净化气需要进一步进行深度脱水，以满足远距离输送的要求[6]。净化公司脱水单元采用三甘醇脱水工艺，以下主要讨论了三甘醇脱水工艺在净化公司运行5年后的脱水效果和高压蒸汽作热源等工艺优化及效果，以期为同类装置提供参考。

1 天然气脱水工艺

目前，国内外使用的天然气脱水工艺主要有冷冻分离法、分子筛吸附法[7-8]和三甘醇(TEG)溶剂吸收法[9-13]，而TEG溶剂吸收法由于工艺简单、成本较低、易再生等优势，已成为世界最普遍采用的天然气脱水工艺[14]，净化公司脱水单元采用TEG脱水工艺，湿净化气处理量为260×104m3/d。天然气脱水单元主要设备包括：脱水塔(C-201)、闪蒸罐(D-201)、汽提塔(C-203)、再生塔(C-202)、缓冲罐(D-202)、重沸器(E-202)、贫富液换热器(E-201)、贫液后冷器(E-203)等[15]。主要工艺流程如图1所示。

(1) TEG脱水：自脱硫单元来的湿净化气从脱水塔(C-201)下部进入，与自上而下的TEG逆流接触，TEG吸收湿净化气中的饱和水，脱水后的天然气产品气输送至管网。

(2) TEG再生：TEG吸水后成为三甘醇富液，通过换热升温到175 ℃后进入溶剂再生塔(C-202)再生，再经过汽提塔(C-203)进一步提纯，最后得到质量分数为99.5%以上的贫TEG溶剂。脱水单元通过分散控制系统(DCS)实现对塔器等设备的液位、压力、温度等参数的控制[16]，通过安全仪表系统(SIS)进行紧急停车和安全联锁保护。

2 原理分析

2.1 TEG脱水原理

TEG脱水原理主要是利用水和甲烷在TEG中溶解度的不同[17]。由于一分子TEG中含有两分子羟基，羟基上的氧原子能与水分子的氢原子形成氢键(如图2所示)。此外，TEG和水都是极性分子，根据相似相容原理，水分子更容易溶于TEG中，而甲烷呈正四面体结构，为非极性分子，甲烷在TEG中的溶解性极低。TEG物性参数见表1。

2.2 三甘醇脱水工艺控制原理

净化公司脱水单元采用艾默生公司生产的DCS控制系统，主要由控制站、操作站、工程师站以及辅助机柜等组成。由于脱水塔(C-201)的操作压力(G，下同)一般为5.7 MPa，而闪蒸罐(D-201)和TEG再生系统的操作压力为0.4 MPa，为防止高压窜低压，脱水塔的液位需通过调节阀(LV-20201)与脱水塔液位控制器(LIC-20201)组成的调节回路严格控制。为了避免脱水塔液位过低，在脱水塔塔底TEG出口管线上的液位调节阀(LV-20201)前设置了紧急关断阀(XV-20101)，一旦脱水塔液位过低而发生窜压，紧急关断阀阀位输出信号为0，直接关断，保证脱水塔与闪蒸罐之间的安全联锁关断，控制原理如图3所示。

表1 TEG物性参数名称溶解性外观沸点/℃分子量冰点/℃密度(20 ℃)/(kg·m-3)黏度/cpTEG与水、乙醇等混溶无色无臭有吸湿性黏稠液体287.4150.2-7.21 12447.8

除了脱水塔液位，脱水单元系统压力也需严格控制，防止系统压力过高而憋压,进而影响联合装置的安全平稳运行。DCS系统通过由控制器PIC-20701、调节阀PV-20702和PV-20701组成的控制回路进行压力控制。一旦发生异常情况导致装置系统压力超高，调节阀PV-20701开启，将产品气泄压至高压火炬放空，保证脱水系统压力平稳。

3 脱水效果及工艺优化

3.1 脱水效果

脱水单元运行5年后(含一次大检修)，对第二联合装置脱水效果进行测试，湿净化气流量控制在9.6×104～10.6×104m3/h，TEG循环量控制在2.90～3.1 t/h。

表2 湿净化气和产品气各项指标对比表常检测项y(CO2)/%ρ(H2S)/(mg·m-3)ρ(COS)/(mg·m-3)ρ(甲硫醇)/(mg·m-3)ρ(乙硫醇)/(mg·m-3)ρ(丙硫醇)/(mg·m-3)y(H2O)/%y(CH4)/%实际值湿净化天然气0.190.832.73.6<0.1<0.10.0999.30产品天然气0.15<0.130.13.0<0.1<0.1水露点:-19 ℃99.55设计值2.006.0水露点:夏季-10 ℃,冬季-15 ℃97.86

从表2中可以看出，采用三甘醇脱水工艺能有效脱除湿净化气中的水分，产品气水露点为-19 ℃，远低于标准规定。此外，天然气中的甲硫醇、乙硫醇等有机硫含量也有所下降，表明三甘醇对有机硫也有一定的吸收作用[18]。

3.2 工艺优化

净化公司在设计脱水单元时，对工艺设备进行了优化，优化方案包括：①以自产中压蒸汽为TEG再生塔重沸器热源；②富液未经加热直接闪蒸；③TEG贫液后冷器改为板式换热器。以下对3种工艺优化方案的应用效果进行分析。

3.2.1中压蒸汽做热源

大部分天然气净化厂TEG再生系统的热源是火管式重沸器，用燃料气直接加热富TEG。火管式重沸器存在温度控制难度大、单火嘴模式向多火嘴模式切换时容易导致在燃火嘴熄灭等问题[19]。此外，一旦天然气过滤器的过滤性能降低，原料气与TEG贫液接触脱水后，天然气携带的无机盐等物质进入再生系统并附着在火管表面，造成火管表面结垢，降低火管传热效率，发生火管受热不均和腐蚀穿孔现象。重庆沙坪气田曾因火管结垢严重而发生受热不均和腐蚀穿孔现象[20]。为了避免以上问题，净化公司采用硫磺回收和尾气处理单元自产3.8 MPa的中压蒸汽为热源，自产蒸汽为热源具有能量利用率高、温度受控良好、不会出现局部过热、调节简便等优点。净化公司中压蒸汽式TEG重沸器主要参数如表3所列，中压蒸汽走管程，富TEG走壳程，实现能量交换。

为了保证富TEG在重沸器中再生合格和防止高温降解，TEG重沸器的温度必须严格控制在190～200 ℃，故需对蒸汽流量进行监控。净化公司装置蒸汽流量对TEG重沸器温度的影响见图4。

表3 中压蒸汽式TEG重沸器设计参数一览表名称位号操作介质温度/℃管程壳程管程(表压3.8 MPa)壳程进出进出材质TEG重沸器E-202蒸汽富TEG234234158204Q245R

随着净化设备的逐渐老化，换热效果降低，TEG重沸器蒸汽用量的设计值不能满足实际生产需要，故在目前装置的实际情况下，研究了蒸汽用量与TEG重沸器温度之间的关系，并利用软件Origin8.5拟合了蒸汽用量对TEG重沸器温度的影响曲线，得到了Y=-1 040+4.45X-0.004X2的曲线方程，可帮助员工在装置负荷大幅下降或增加的情况下，提前预判蒸汽用量，保证TEG再生系统运行平稳。根据方程Y=-1 040+4.45X-0.004X2，可以得到当TEG重沸器温度为190～200 ℃、TEG循环量约3 t/h时，严格控制蒸汽用量为529～549 kg/h，即可满足装置再生要求。

3.2.2直接闪蒸工艺

在传统天然气净化工艺中，天然气脱硫工艺精度低，使得天然气中含有少量H2S和CO2等酸性气，天然气脱水时酸性气将被带入TEG中，为了防止H2S进入并腐蚀TEG再生塔等设备和导致TEG发泡等，富TEG需先经过闪蒸除去H2S等酸性气后进行溶剂再生。因为H2S和CO2等酸性气较CH4、C2H6的组分重，沸点高，为了提高富TEG的闪蒸效果，TEG需经过再生塔塔顶加热后进行闪蒸，有效去除H2S、CO2等重组分。净化公司的天然气首先经过脱硫，脱硫后的天然气中H2S质量浓度小于0.1 mg/m3，富TEG几乎不含H2S，而CH4、C2H6等为轻组分，沸点低，故净化公司采用未加热直接闪蒸工艺除去富TEG中的CH4、C2H6等，在一定程度上降低了能耗。TEG循环量约为3 t/h，闪蒸气组成见表4，TEG再生前后质量分数见表5。

表4 闪蒸气组成闪蒸气组分y/%闪蒸气流量/(m3·h-1)甲烷90.50乙烷0.14氮气8.72二氧化碳0.64221

表5 TEG再生前后质量分数项目TEG质量分数/%水质量分数/%富TEG96.93.1贫TEG99.70.3贫TEG设计值≥99.5≤0.5

从表4可以看出，富TEG经过闪蒸工艺(系统压力从5.7 MPa迅速降至0.4 MPa，大量富TEG中的大量甲烷、乙烷等气体被闪蒸出来，为TEG再生系统减负。由表5可知，闪蒸后的富TEG经过温度为190～204 ℃的再生系统，TEG质量分数从96.9%提升至99.7%，满足不低于99.5%的设计值要求，表明直接闪蒸工艺简化后，脱水效果仍然良好。

3.2.3TEG贫液后冷器采用板式换热器

管壳式换热器具有结构简单紧凑、成本低等优点[21]，故许多天然气净化厂将TEG贫液后冷器设计为管壳式换热器，但是由于长期高负荷运行、负荷波动大和操作不当等因素，导致管壳式换热器结垢严重、水垢难以处理、不利于传热等。克拉2气田曾因管壳式换热器结垢使得换热效果变差，贫TEG入泵温度超标并导致贫溶剂泵损坏，从而影响TEG吸水效果[20]。还有部分净化厂直接取消TEG贫液后冷器(如重庆五宝场气田)，导致贫液泵(P-201)(柱塞泵)因高温而缩短使用年限。为了避免管壳式换热器结垢后换热效果变差、频繁更换配件及损坏贫液泵等问题，充分利用板式换热器易清洗、耐腐蚀、操作安全等优点，将贫液后冷器更换为可拆式高效不锈钢波纹状板式换热器[22]。板式贫液后冷器设计参数见表6。

表6 板式贫液后冷器设计参数名称位号操作介质温度/℃热侧冷侧热侧冷侧进出进出材质贫液后冷器E-203贫TEG冷却水74.4453240316L

经过再生后的贫TEG温度通常为190～200 ℃，贫TEG经过贫富液换热器(E-201)与富TEG换热后温度降至70～74 ℃，再经过贫液后冷器(E-203)降温至45～55 ℃后，经贫溶剂泵(P-201)升压后送至脱水塔(C-201)，从而实现TEG的循环使用[23]。图5为TEG后冷器换热板的实体图，贫液后冷器换热板采用316L不锈钢材质的波纹式换热板，冷热介质在换热板两侧沿波纹流动并实现传热，黑色密封条严格密封以防止循环水及TEG的泄漏。长时间使用后，换热板上可能存在水垢、锈渣等杂质，影响换热效果，通过简单拆卸清洗后试压、回装即可重复使用，清洗频次为1次/年，且运行5年来未进行过重要配件更换，大大节省了成本。此外，还可以根据换热需求适当增减换热器的换热板数，使得换热器具有良好的操作弹性，进而稳定地控制TEG进入贫溶剂泵的温度，防止贫溶剂泵因温度过高而损坏，影响TEG吸水效果，从而达到节能增效的目标。

4 结论

分析了净化公司TEG脱水系统的实际效果及工艺优化情况，得出以下结论：

(1) 在处理水摩尔分数为0.09%的湿净化气时，控制TEG循环量为2.9～3.1 t/h，净化公司产品气的水露点为-19 ℃左右，满足外输要求。

(2) 利用自产3.8 MPa的中压蒸汽做热源，有效避免了传统火管式重沸器传热不均等弊端，同时研究了蒸汽用量与重沸器温度的关系，得到拟合曲线，方便计算蒸汽用量，保证装置平稳运行。

(3) 净化公司根据自身进入脱水单元的天然气不含H2S等酸性气的特殊情况，采用了直接闪蒸工艺，减少了富液预热过程，有效去除富TEG中大部分CH4、C2H6等轻组分，为TEG再生系统减负。当TEG重沸器温度为190～200 ℃时，TEG再生后可将TEG质量分数从96.9%提至99.7%，在满足产品要求的同时降低能耗和节约成本。

(4) 将TEG贫液后冷器由传统的管壳式换热器更换为不锈钢板式换热器，由于板式换热器的波纹状板片具有换热面积大、易清洗、耐腐蚀、可调整板数等优势，避免了管壳式换热器因结构腐蚀而导致换热效果差的问题。