天然气脱碳系统运行中存在的问题及改进措施

柯 真,梁其奋,吴桂波

(海洋石油富岛有限公司， 海南东方 572600)

海洋石油富岛有限公司化肥一部合成氨装置采用日本千代田ICI-AMV工艺，以天然气为原料，无水液氨生产能力为1 000 t/d[1]。该装置自1996年10月投产以来，总体运行稳定。2016年原先采用的原料合同到期后，选择东方1-1天然气作为原料气来满足生产需求，并对相应工艺及设备进行了技术改造。考虑到东方1-1气田的天然气为贫气(CO2体积分数为20%、N2体积分数为16%、CH4体积分数为60%～64%，热值约为5 560 kJ/m3)，化肥一部新增了一套处理量为168×104m3/d(基准态为20 ℃、101.325 kPa)的脱碳装置。该装置采用先进的N-甲基二乙醇胺(MDEA)法[2]对天然气进行脱碳处理，以满足转化系统对天然气热值、组分的要求。

MDEA法采用一段吸收、一段再生流程，即原料气进入吸收塔，富液进入闪蒸塔和再生塔完全再生，再生后的胺液经换热器冷却后进入吸收塔。此工艺流程简单、再生温度低、动力消耗小、运行稳定可靠，设计处理量为70 000 m3/h，CO2体积分数小于5%。

1 存在的问题

脱碳系统自2016年10月投入使用至今，运行稳定，经性能考核，完全满足生产需求，但其间也暴露出一些问题。为使脱碳系统长周期稳定运行，逐步进行了一些改进措施。

1.1 脱碳气出口温度高

由于脱碳装置脱碳气出口温度较高(设计为36 ℃，实际最高温度为43 ℃)，天然气带水情况严重，天然气压缩机前分离罐冷凝液质量大大增加，每天约为50 kg，MDEA占其质量的0.2%[3]。这不仅损失了系统的胺液，还会对后系统机组设备及管线造成一定的危害。

设计单位根据东方1-1天然气气源条件进行系统设计(设计温度为20 ℃)，未考虑海南气候及长距离管线输送的影响，造成脱碳入口天然气温度比原设计值高，脱碳气出口温度也相应较高。

1.2 再生塔中部升气管变形严重

2018年3月，首次开罐检查再生塔，发现中部升气管变形严重(见图1)，原设计升气管气相通道宽度为150 mm，变形后最小宽度不足50 mm。

图1 升气管变形

打开升气管后发现焊接接头出现断裂口，尤其是升气管底部变形损坏严重,见图2。

图2 升气管断裂

再生塔中部升气管设计总高度为4 500 mm，生产运行过程中，再生塔中部液位高度控制范围为1 500～3 200 mm，正常值为2 500 mm。经统计,系统正常运行时,实际液位最高不超过2 500 mm，且基本控制在1 500 mm，排除工艺现场操作原因。

升气管设计材质为2 mm厚的304不锈钢，升气管变形与材质厚度偏薄导致强度不够有关。

1.3 机械过滤器失效

2017年7月停车检修和2018年3月大修更换滤芯时，均发现机械过滤器失效，其内部滤芯端盖发生错位(见图3)，部分端盖橡胶垫片被挤出(见图4)，甚至有滤芯封头滤布崩开现象。

图3 滤芯错位

观察现场后发现：原滤芯固定方式不稳，在压力高的情况下可能晃动；滤芯端盖与滤芯之间固定不牢靠，造成端盖发生错位、橡胶垫片被挤出，导致过滤作用失效。

图4 端盖橡胶垫片被挤出

1.4 贫液泵入口管线振动大

贫液泵是脱碳装置的关键设备，出口流量与系统跳车带联锁，1开1备。2017年3月，贫液泵15P001A入口管线振动大，机泵无法运行，计划检修处理。但由于该泵出口切断阀内漏，设备无法交出检修，故贫液泵一直处于停备状态。

2017年7月装置停车检修，拆卸贫液泵15P001A入口管线，发现泵体入口的2片法兰错位严重，法兰螺栓不能穿过法兰螺栓孔。

该泵从2016年10月投用以来，入口管线就出现振动，但不明显，机泵能运行；随着管道受压力和温度的影响，原始安装存在的应力得以释放，加大了管道的振动，导致机泵无法运行。

2 改进措施

2.1 降低脱碳气出口温度

在原料气换热器15-E001与产品气分离器15-F002之间安装产品冷却器15-E007(见图5)，降低出口天然气温度，改善天然气带水的工况。

15-C001—吸收塔；15-E001—原料气换热器；15-F001—闪蒸气吸收塔；15-F002—产品气分离器；15-E007—产品冷却器。

2.2 改进再生塔中部升气管结构

2018年3月进行大修期间，发现再生塔中部升气管变形、断裂，立即联系原供货单位。被告知加厚钢板壁的方案需1个月的供货期，故在时间上不能满足大修要求。

供货单位现货钢板厚度为2 mm，与原钢板壁厚一样。通过结构有限元分析，建立仿真模拟，对再生塔升气管工况进行重新计算，决定在再生塔中部升气管气相通道侧添加支撑筋板，即每一节升气管加3根角钢(40 mm×3 mm)支撑以提高升气管的强度(见图6)。为了保证焊接质量，升气管节与节之间采用手工氩弧焊。同时,为了检修方便，在升气管底盘处增加一个可拆卸方形人孔。

2.3 机械过滤器安装改进

针对检修情况对机械过滤器滤芯固定方式进

图6 新设计的升气管

行了改进：通过车床加工，减少端盖厚度2 mm，以增加端盖插入滤芯的深度，防止端盖与滤芯脱开；在端盖与压板之间增加1个固定螺母，加强端盖与滤芯的固定强度(见图7)。

图7 滤芯固定结构对比

2.4 改进贫液泵15P001A入口管线振动

针对检修情况对贫液泵15P001A入口管线进行了改进[4]：拆除贫液泵15P001A入出口相连管线及保温层；切割泵入出口及相关影响泵法兰连接的其他管口，使贫液泵及相关管线处于自由状态；检查连接法兰并找正，检查、调整各地脚螺栓使之受力均匀；根据泵相关管线各管道支撑的受力情况，调整泵进口及相关管线的焊接位置，在找平找正的过程中，减小泵入出口与泵相关管线之间的空间偏差，使泵入出口及相关影响法兰连接的其他管口在自由、无应力状态下组对焊接，消除此前运行中的振动。调整各泵相关管道支撑架后，经检验:各管道支撑受力均匀，法兰螺栓不需借助外力均可自由穿入；法兰紧固过程中，泵体百分表监控结果合格，泵体及相关管线受力状态符合要求。

3 改造效果

(1) 安装产品冷却器15-E007后，MDEA脱碳气出口平均温度较安装前下降了5.2 K，且最高温度只有34.3 ℃，受环境温度影响的波动较小，但受循环冷却水温度的影响较大(见表1)。同时，由于安装了产品冷却器15-E007,原脱碳出口排水导淋带水量变少。

表1 脱碳出口天然气温度数据表 ℃

15-F002分离器底部液位调节阀开度由大修前平均28.8%增加到43.2%(同时期对比,见表2)，说明15-F002分离器可使分离水量增加，相应的出口气带水量减少。

表2 脱碳15-F002分离器液位控制阀开度 %

(2) 再生塔中部升气管共有16个，因其中2个变形不严重更换了另外14个。2020年6月大修，打开设备发现升气管未变形。在实际生产中提升了再生塔运行效率，提高了溶液再生度，贫液中CO2残余量减少了20%，降低了贫液腐蚀性，对系统设备的安全性产生了积极的影响。

(3) 2019年1月更换机械过滤器滤芯时，未发现滤芯端盖发生错位、橡胶垫片被挤出的现象，从根本上解决了机械过滤器失效的问题。

(4) 有效降低了贫液泵15P001A入口管线的振动，为装置的长周期稳定生产打下了良好基础，也为其他同类型设备的管理提供了参考。

4 结语

针对目前脱碳系统改进所采取的措施，很大程度上改善了系统的运行状态，延长了运行周期，但仍存在贫液式换热器结垢严重、循环水过滤器堵塞、胺液污染等问题，值得进一步关注。