天然氣損耗控制技術

龔茂娣 李軍強 李楊楊 梁光強 李艷芹 畢秀梅

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠，四川 達州 635000

0 前言

普光氣田位于四川省達州市宣漢縣，屬超深、高含硫、高壓、復雜山地氣田。 普光氣田是中國目前發現的最大規模海相整裝高含硫氣田，截至2013 年2 月，已探明天然氣地質儲量4 122×108m3。根據中國石油天然氣行業氣藏分類標準，屬特大氣藏。 為有效開發利用高含硫天然氣資源［1］，國務院將“川氣東送”工程列為“十一五”國家重大工程，將普光氣田作為工程的主供氣源。 普光天然氣凈化廠是國內首個處理高含硫天然氣的大型天然氣凈化廠，主要負責高含硫天然氣的凈化以及硫黃儲存運輸，年處理能力為120×108m3。 生產的天然氣為沿線6省2 市的2 億多群眾和上千家企業提供了優質清潔能源。 由于處理量大，天然氣損耗也非常大，如何降低普光氣田天然氣凈化廠的天然氣損耗成為一個至關重要的問題。

1 開停工天然氣損耗控制技術

1.1 開工過程天然氣損耗控制技術

凈化廠聯合裝置開工損耗主要分布在脫硫、脫水單元的開工過程，主要損耗發生在開工階段的不合格天然氣放空過程中。 根據設計，系統氣密合格后，引氮氣進行充壓建壓，胺液循環建立后，引原料氣置換氮氣，不合格的濕凈化氣放入火炬系統。 濕凈化氣合格后，并入脫水單元，脫水不合格的產品氣也要放入火炬系統，直至水露點合格。 根據生產經驗，這個階段單套裝置開工過程中損耗的天然氣量約20×104m3。

圖1 脫硫裝置開工程序

結合本裝置的開工程序（見圖1），我們可以做適當的調整和優化［2］，降低天然氣開工損耗，即經過界區產品氣管線單向閥處增加跨線引至脫水系統［3］，然后由脫水單元反串回濕凈化氣分液罐（D-101），進而反串回二級吸收塔（C-102）和一級吸收塔（C-101），完成脫硫脫水單元的建壓。 由于反輸天然氣品質較好，引入原料氣后，開工過程基本不存在濕凈化氣和產品氣放空。 所以，凈化裝置開工程序可以優化為： 氣密合格→反輸天然氣建壓→產品氣合格并網。

1.2 停工過程天然氣損耗控制技術

聯合裝置的停工工況不同 （包括緊急停工保壓、緊急停工放空、正常停工），天然氣損耗量不同。 若按每年停工6 次計算， 全年因停工造成的天然氣損耗量約24×104m3。裝置停工后，系統內天然氣無法進行回收，需要通過減少停工次數來減少停工過程中的天然氣損耗。

通過對天然氣凈化裝置實施反充壓流程改造，使單套裝置開工過程中天然氣放空損耗減少約20×104m3，節約氮氣約8×104m3。

2 閃蒸氣回收利用技術

2.1 閃蒸氣損耗分析

凈化裝置脫硫單元采用MDEA 溶劑（現部分裝置加入了UDS 溶劑）脫硫［3］，吸收H2S、CO2后的富胺液進入閃蒸罐。 閃蒸罐用于使吸收塔底流出的富液夾帶和烴類逸出。 閃蒸氣分兩路分別進入尾氣焚燒爐和火炬系統。正常情況下，閃蒸氣全部進入尾氣焚燒爐，當氣量較大時，去火炬系統壓控閥開啟，及時排出閃蒸氣，保持閃蒸罐內壓力穩定。 依據設計， 單列凈化裝置閃蒸氣量為833 m3/h。 但是實際生產過程中，根據生產經驗，6 套聯合裝置的閃蒸氣量均超過設計值，平均閃蒸氣量大約在1 000～2 000 m3/h（見表1），其中一部分進入尾氣焚燒爐助燃，其余通過火炬系統放空，放空損失量大約在50%左右。按每列裝置閃蒸氣有500 m3/h 進入火炬，則每年損耗天然氣超過3 900×104m3［4］。 閃蒸氣焚燒后，產生大量的CO2和SO2等有毒有害氣體，造成大氣嚴重污染。

表1 聯合裝置各系列閃蒸氣放空統計

2.2 閃蒸氣損耗控制技術

根據凈化廠生產運行和優化調整經驗，從閃蒸罐運行參數優化、胺液品質控制優化、消泡劑加注優化、流程改造等幾方面對閃蒸氣量進行控制。

2.2.1 優化閃蒸罐運行參數

影響富液閃蒸氣量的重要參數包括閃蒸罐壓力、閃蒸罐液位。 閃蒸罐壓力越高，閃蒸氣量越小，閃蒸罐液位越低，富胺液在閃蒸罐內停留的時間越短，閃蒸氣量也越小。 結合生產實際， 將閃蒸氣壓力由0.6 MPa 提高到0.65 MPa，閃蒸罐液位由50%左右降低至30%運行。 優化后閃蒸氣量略有下降。

2.2.2 優化胺液品質

胺液品質與凈化裝置脫硫系統的運行關系密切，溶液品質越差，脫硫系統越容易發泡，閃蒸氣量越大［5］。根據生產經驗，如果脫硫系統發泡，閃蒸氣量會由1 000 m3/h 增加到4 000 m3/h， 閃蒸氣至火炬的控制閥開度會增大至100%。 系統中，導致胺液品質變壞的主要原因是原料氣夾帶雜質進入系統，胺液降解產物增多，活性炭過濾效果變差，系統腐蝕產物增多等。 針對這些原因對胺液品質進行優化調整，調整后閃蒸氣量明顯降低。

2.2.3 加注消泡劑

系統發泡時， 可以通過加入適量消泡劑的方法，穩定裝置的運行參數。 當然，消泡劑的加入量和加入頻率應控制，否則會對胺液品質帶來不利影響。

2.2.4 流程改造

結合凈化裝置脫硫系統流程，將燃料氣管網進行改造，將閃蒸氣并入燃料氣系統，供給凈化廠、集氣總站和生產服務中心各燃料氣用戶。 改造流程見圖2。

圖2 閃蒸氣回收利用改造流程

通過改造，閃蒸氣回收量明顯提高，效果顯著：

a）閃蒸氣放空量基本降低為零。單列裝置閃蒸氣回收量為1.2×104m3/d，年回收量可達438×104m3。

b）閃蒸氣品質得到了提高。 閃蒸氣吸收塔擴徑后，閃蒸氣中CO2含量范圍在0.59%～1.68%， 甲烷含量范圍在91.03%～98.15%，熱值范圍33.77～36.84 MJ/m3，硫化氫含量則由之前的2%～3%降到了1%以內。

c） 減輕環境污染。 每年可減少火炬放空量5 200×104m3，大大減少了CO2和SO2的排放量。

3 自用氣優化控制技術

聯合裝置自用氣用戶主要包括硫黃回收單元Claus爐，尾氣處理單元加氫爐、尾氣焚燒爐等［6］。 根據生產經驗，單套生產裝置實際消耗的天然氣都比設計值高［7］，根據計算，單套裝置每小時多損耗1 020 m3/h，則每年全套裝置損耗天然氣約4 467.6×104m3。 由于Claus 爐正常生產不使用燃料氣，可以著重對加氫爐和尾氣焚燒爐進行優化控制，降低燃料氣的使用量。

3.1 加氫爐優化調整

根據加氫爐的工藝設計，對加氫爐出口溫度進行調整，由原來的260～280 ℃降低至245～250 ℃，溫度降低了10～35 ℃，燃料氣消耗減少100～200 m3/h(見表2)。經過計算，全年整套凈化裝置可減少燃料氣消耗約1 576.8 ×104m3。

表2 加氫調整前后對比表

3.2 尾氣焚燒爐優化調整

針對尾氣焚燒爐配風， 燃料氣量進行了優化調整，調整后燃料氣用量大為減少。 為了確保尾氣中含硫化合物的充分燃燒，維持爐膛溫度在640～650 ℃范圍（見表3）。由于過程氣量的減少， 尾爐助燃空氣減少約1 000～6 000 m3/h，燃料氣消耗減少約100～400 m3/h，全廠按5 套裝置運行，每年可減少燃料氣消耗約2 628×104m3。

表3 尾氣焚燒爐調整前后對比表

4 結論

a） 對普光氣田天然氣凈化廠的原設計工藝流程和開停工過程進行分析研究，通過增加開工產品氣反充壓線，改進富液閃蒸氣放空流程，增加閃蒸氣分液和燃料氣伴熱等方案，確保了閃蒸氣的安全回收和燃料氣用戶的平穩運行。 該方案運用后，每年可減少天然氣損耗約4 525.2×104m3。

b）在原設計基礎上對聯合裝置加氫爐、尾氣焚燒爐的運行進行優化操作， 每小時節約燃料氣用量約600 m3。 氮氣、蒸汽、用電等能耗明顯降低。

c）天然氣損耗控制技術投用后， 降低了酸性氣CO2含量，減少了閃蒸氣放空和自用氣消耗等措施，每年可減少CO2排放量約21.39×104t，大大減輕了環境污染。

［1］ 吳基榮，毛紅艷.高含硫天然氣凈化新工藝技術在普光氣田的應用［J］. 天然氣工業，2011，31（5）：99-102.Wu Jirong， Mao Hongyan. Application of New Technologies on High H2S Gas Conditioning in the Puguang Gas Field［J］.Natural Gas Industry，2011，31（5）：99-102.

［2］ 裴愛霞，張立勝，于艷秋，等. 高含硫天然氣脫硫脫碳工藝技術在普光氣田的應用研究［J］. 石油與天然氣化工， 2012，41（1） ：17-23.Pei Aixia， Zhang Lisheng， Yu Yanqiu， et al. Application and Research of High Sulfur Content Gas Desulfurization and Decarbonization Process on the Puguang Gas Field ［J］ . Chemical Engineering of Oil&Gas，2012，41（1）：17-23.

［3］ 路秀林，王者相.化工設備設計全書——塔設備［M ］. 北京：化學工業出版社，2004.Lu Xiulin， Wang Zhexiang. Book of Chemical Equipment Design： Tower Equipment ［M］. Beijing： Chemical Industry Press，2004.

［4］ 陸德民，張振基.石油化工自動控制設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2011.Lu Demin， Zhang Zhenji .The Manual for Automatic Control Design in the Petrochemical Industry Engineering ［M］. Beijing：Chemical Industry Press ，2011.

［5］ 張曉剛，范冬立，劉新嶺，等. 特大型高含硫天然氣凈化廠安全放空與火炬系統設計解析［J］.天然氣工業，2012，32（1）：90-93.Zhang Xiaogang， Fan Dongli， Liu Xinling， et al. Design of Safe Vent and Flare System for Oversize High Sour Natural Gas Purification Plant［J］.Natural Gas Industry,2012,32(1)：90-93.

［6］ Law D. New MDEA Design in Gas Plant Improves Sweetening，Reduces CO2［J］.Oil and Gas,1994,92(35)：83-85.

［7］Mackenzie D H,Prambil F C,Daniels C A.Design and Operation of a Selective Sweetening Plant Using MDEA ［R］.Texas:Bryan Research&Engineering Inc,1987.