火管式TEG重沸器溫度控制分析與優化

周明軍 賴曉斌 于建林 史建華

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041

火管式TEG重沸器溫度控制分析與優化

周明軍 賴曉斌 于建林 史建華

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都610041

TEG(三甘醇)脫水是常用的天然氣脫水工藝之一，TEG再生一般采用火管式重沸器多火嘴加熱方式。TEG再生溫度過高會使TEG分解變質，TEG損耗加大;溫度過低會導致TEG再生不完全，產品氣水露點達不到要求，所以TEG重沸器加熱控制是TEG再生的關鍵。在分析火管式TEG重沸器熱負荷調節以及加熱控制存在溫度超調、火嘴切換可能會導致熄火等問題的基礎上，對火管式TEG重沸器加熱控制方案進行了優化，使再生后的TEG濃度滿足工藝需求，并減少TEG損耗。

重沸器;加熱控制方案;火嘴切換控制

0 前言

TEG脫水工藝中，吸收水分后的TEG富液需加熱提濃后才能循環使用，加熱提濃最簡便的方法就是采用直接加熱TEG富液。脫水后天然氣水露點通常可降30～60℃，水露點降與再生提濃后的TEG貧液濃度相關，而TEG貧液最低濃度是由原料氣溫度和要求達到的露點降確定的［1］。

重沸器一般在常壓下操作，TEG濃度會隨重沸器溫度的增加而增加，TEG富液經重沸器再生提濃后濃度可達98%～99%(常壓加熱提濃TEG溶液，受熱分解溫度影響，一般只能提濃到98.5%，可使露點降達35℃左右。如不能滿足露點降要求，則通常采用燃料氣進行汽提，降低飽和水蒸氣分壓，使更多水蒸氣從重沸器和精餾柱中脫除，提高TEG貧液濃度)。TEG重沸器溫度一般控制在190～204℃，溫度過高會使TEG分解變質(常壓下TEG開始熱分解溫度為206℃左右)，TEG損耗加大，能耗增大;溫度過低會使TEG再生不完全，TEG貧液濃度低，導致產品氣水露點達不到要求。所以，TEG重沸器溫度控制是TEG富液提濃的關鍵，關系到再生是否合格以及TEG溶液損耗量［2－7］。

目前，國內天然氣凈化廠火管式TEG重沸器基本采用多火嘴，但存在溫度控制超調較大以及容易熄火等問題，為克服這些問題，本文對火管式TEG重沸器溫度控制方案進行了分析，提出了解決辦法。

1 溫度控制常規方案

1.1 溫度檢測設置

火管式TEG重沸器的溶劑一般停留時間為30 min，溫度變化緩慢，根據對重沸器溶液溫度場的分析，在接近重沸器內溢流堰處的溶液溫度反應最靈敏，溫度控制點可設在此處［8］。

為保證溫度檢測的正確性和可靠性，可在同一水平線上靠近重沸器內溢流堰處設置2臺溫度變送器，比較2臺溫度變送器檢測值差值，當差值≥5%F．S時報警，提醒操作維護人員檢修［9－10］。

1.2 熱負荷可調范圍分析

燃料氣在火管式TEG重沸器燃燒室進行燃燒，以熱輻射方式加熱TEG，燃燒后的高溫煙氣通過重沸器內煙管以對流方式將熱量傳遞給重沸器的TEG富液。火管式TEG重沸器大多采用低噪聲低壓火嘴加熱，火嘴前燃料氣壓力一般為0.015～0.040 MPa，采用單火嘴時，熱負荷可調范圍較小，不大于61%［11］。如果燃料氣壓力超高，當混合燃氣從燃燒器流出速度大于燃氣火焰傳播速度時，將產生脫火現象，極易形成爆炸氣團，導致事故發生;如果燃料氣壓力過低，當混合燃氣從燃燒器流出速度小于燃氣火焰傳播速度時，將產生回火現象，火焰回縮至燃燒器內部燃燒，損壞燃燒設備［12］。所以，需要對火嘴前燃料氣調節閥進行限位控制，保證熱負荷可調節，但由于可調范圍窄，當TEG循環量增大或減少時，很難適應TEG再生熱負荷可調需要。為解決熱負荷可調范圍窄的問題，可采用多火嘴燃燒方式，當熱負荷變化較大時，改變投入燃燒火嘴的數量可獲得更大的調節范圍［13－14］。

1.3 火管式TEG重沸器溫度控制

1.3.1 溫度控制原理

火管式TEG重沸器中多火嘴式溫度控制采用連續調節與二位式切換控制的組合方式。每個火嘴燃料氣管線設置有燃料氣調節閥、燃料氣切斷閥(也可以采用調節閥配置電磁閥，由調節閥兼切斷功能)，用于控制火嘴燃料氣流量和火嘴切換。為了防止火嘴脫火或回火，對每個火嘴進行高、低限位控制。假設進入火管式TEG重沸器的火嘴有3支，1#火嘴為主火嘴，2#、3#火嘴為輔助火嘴，當熱負荷需求小范圍變化時，可由溫度控制器的輸出信號連續改變燃料氣調節閥開度來滿足熱負荷調節;當操作熱負荷大范圍變化時，則切換火嘴，改變投入燃燒火嘴數量來適應熱負荷調節的需要［15］。火管式TEG重沸器火嘴切換及溫度控制邏輯圖見圖1。

圖1 火管式TEG重沸器火嘴切換及溫度控制邏輯圖

1.3.2 火嘴切換控制過程

1.3.2.1 增加火嘴數量控制

假設初始狀態為最小負荷運行，即只有1#火嘴進行燃燒，隨著實際熱負荷需求增大，火嘴將按照1#火嘴投入→1#、3#火嘴投入→1#、2#、3#火嘴投入的順序進行火嘴切換控制。當熱負荷需求增大，溫度控制器輸出增大到上限設定值(為保證火嘴在熱負荷可調范圍內，一般上限設定值為14 mA)，3#火嘴電磁閥打開并自鎖，投入燃燒，溫度控制器同時控制1#、3#火嘴，由于3#火嘴投入燃燒，溫度控制器輸出值將降低，維持穩定燃燒控制;當熱負荷需求繼續增大，1#、3#火嘴控制信號達到上限設定值還達不到負荷需要時，經過延時，2#火嘴電磁閥打開并自鎖，投入燃燒加熱。在第1個輔助火嘴投入燃燒前，不需要延時，在第2個及以后的輔助火嘴投入燃燒前，均需要延時。

1.3.2.2 減少火嘴數量控制

假設初始狀態為最大負荷運行，即3支火嘴均投入燃燒，隨著實際熱負荷需求減小，火嘴將按照1#、2#、3#火嘴投入→1#、2#火嘴投入→1#火嘴投入的順序進行火嘴切換控制。當熱負荷需求減小，溫度控制器輸出減小到下限設定值(為保證火嘴在熱負荷可調范圍內，一般下限設定值為8 mA)，3#火嘴電磁閥關閉并自鎖，溫度控制器同時控制1#、2#火嘴，由于3#火嘴關閉，溫度控制器輸出值將增大，維持穩定燃燒控制;當熱負荷需求繼續減小，1#、2#火嘴控制信號達到下限設定值熱負荷還高于需求時，經過延時，2#火嘴關閉，僅由1#火嘴燃燒。在第1個輔助火嘴關閉前，不需要延時，在第2個及以后的輔助火嘴關閉前，均需要延時。

2 溫度控制常規方案存在問題

上述火管式TEG重沸器溫度控制常規方案雖然解決了單火嘴溫度調節范圍窄的問題，但存在增加火嘴時出現溫度超調和可能導致熄火的問題。

2.1 溫度控制超調

溫度控制器同時向1#、2#、3#火嘴輸出相同的控制信號，當熱負荷需求增大而增加火嘴燃燒時，溫度控制器輸出值為上限設定值，新增加的火嘴將以此上限設定值進行控制，由于火管式TEG重沸器加熱具有慣性大、滯后的特點，新加入火嘴將對其溫度控制造成較大超調，可能使其TEG短時間因高熱強度造成分解變質［16］、能量損耗［17］。

當熱負荷需求減少進而減少燃燒火嘴時，因為減少火嘴控制閥的開度已經到了下限設定值，故因減少火嘴數量引起的調節波動較小。

2.2 增加火嘴導致熄火

當熱負荷需求增大而增加火嘴燃燒時，新增加火嘴按照溫度控制器上限設定值的開度投入燃燒，投入時燃料氣和空氣混合氣體從燃燒器流出速度很快，容易造成將正在燃燒的火嘴吹熄，特別是由1支火嘴燃燒增加到2支火嘴燃燒時，更容易出現熄火現象［18］。

3 溫度控制常規方案優化

針對TEG溶液溫度超調和火嘴切換可能導致熄火的問題，對火管式TEG重沸器火嘴溫度控制常規方案進行優化，優化后火管式TEG重沸器火嘴切換控制邏輯圖見圖2，其中線性函數發生器輸出信號曲線見圖3。

圖2 優化后火管式TEG重沸器火嘴切換控制邏輯圖

圖3 函數發生器輸出信號曲線

圖3中02函數表達式為:

控制系統2#火嘴線性函數發生器TY 1和控制系統2#火嘴切換開關SW 1的控制(控制系統3#火嘴線性函數發生器TY 2和控制系統3#火嘴切換開關SW 2的控制同此)如下:

1)當a=1時，2#火嘴投入燃燒，控制系統2#火嘴線性函數發生器TY 1函數輸出線性增加。

當d＜e時(函數f(t)輸出值＜溫度控制器輸出值)，控制系統2#火嘴切換開關SW 1切換通道為d→f，2#火嘴燃料氣調節閥PV－02由控制系統2#火嘴線性函數發生器TY 1輸出信號控制;

當d≥e時(函數f(t)輸出值≥溫度控制器輸出值)，控制系統2#火嘴切換開關SW 1切換通道為e→f，2#火嘴燃料氣調節閥PV－02由溫度控制器控制;

2)當a=0時(即2#火嘴未投入燃燒)，控制系統2#火嘴線性函數發生器TY 1函數輸出為T低。

具體操作和控制過程:

溫度控制器輸出高限值為T高(假定14 mA)，溫度控制器輸出值低限值為T低(假定8 mA)。當操作熱負荷小范圍變化時，由溫度控制器連續調節1#火嘴燃料氣調節閥PV-01的開度來控制。當操作熱負荷大范圍變化時，2#、3#火嘴根據熱負荷需要，逐一增加或減少投入燃燒火嘴數量，改變投入燃燒火嘴數量來適應熱負荷調節的需要［19－20］。

1)熱負荷需求增大，增加火嘴數量控制過程:假設初始狀態為最小負荷運行，即只有1#火嘴進行燃燒，隨著實際加熱負荷需求增大，火嘴將按照1#火嘴投入→1#、3#火嘴投入→1#、2#、3#火嘴投入的順序進行火嘴切換控制。

當熱負荷需求增大，溫度控制器輸出增加到上限設定值時，3#火嘴燃料氣切斷閥SV－03開啟，即a=1，3#火嘴投入燃燒，3#火嘴控制信號按照函數緩慢增加輸出進行控制。當函數f(t)輸出值≥溫度控制器輸出值時，3#火嘴切換為溫度控制器進行控制。3#火嘴投入燃燒控制信號曲線為圖3中實線部分。

當熱負荷需求繼續增大，1#、3#火嘴控制信號達到溫度控制器上限設定值時，仍還達不到熱負荷要求，經過控制系統2#火嘴延時器01延時，2#火嘴燃料氣切斷閥SV－02開啟，2#火嘴投入燃燒加熱。

2)熱負荷需求減少，減少火嘴數量控制過程:假設初始狀態為最大熱負荷運行，即3支火嘴均投入燃燒，隨著實際加熱負荷需求減小，火嘴將按照1#、2#、3#火嘴投入→1#、2#火嘴投入(即先切斷3#)→1#火嘴投入(即再切斷2#)的順序進行火嘴切換控制。

當熱負荷需求減小，溫度控制器輸出值減小到下限設定值時，3#火嘴燃料氣切斷閥SV－03關閉，3#火嘴熄滅。由于3#火嘴關閉，溫度控制器輸出值將增大，維持穩定燃燒控制。

當熱負荷需求繼續減小，溫度控制器輸出信號達到下限設定值熱負荷時，仍還高于需求，經過控制系統2#火嘴延時器02延時，2#火嘴關閉，僅1#火嘴燃燒。

由于減少火嘴是在溫度控制器輸出為下限設定值時進行切換，減少1支火嘴對火管式TEG重沸器的加熱溫度控制干擾小。

經過上述溫度控制常規方案優化，新增加火嘴控制信號從8 mA緩慢增大，較好地解決了新加入火嘴導致的TEG溶液溫度超調問題。

針對增加火嘴燃燒容易導致熄火問題，經過實踐分析，發現合理設置火嘴位置能有效解決此問題。根據圖2，1#火嘴始終接受溫度控制器控制，不參與切換控制，即一直投入燃燒。將1#火嘴設置在火管式TEG重沸器最下層，新增火嘴投入燃燒時，對1#火嘴火焰穩定性影響最小。另外，使新增加投入火嘴控制信號(8 mA)緩慢增大，投入時火嘴控制調節閥開度較小，混合燃氣從燃燒器流出速度也較慢，更有效地減小新投入火嘴對已燃燒火嘴火焰穩定性的影響，從根本上解決增加火嘴燃燒導致熄火的問題。

4 結論

火管式TEG重沸器溫度控制常規方案，存在TEG溶液溫度超調和易熄火等問題，通過對常規方案的優化并在中國石油萬州天然氣凈化廠實踐，采用該優化溫度控制方案連續調節時，火管式TEG重沸器中TEG溶液溫度控制精度為±1℃，在切換火嘴時最大超調為±3℃，使TEG重沸器加熱更加穩定，減少TEG超溫分解變質損耗、節約了能耗，可在天然氣凈化廠推廣應用。

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中國石油第四次油氣資源評價重大科技專項收官

2016年11月6日在北京召開的中國石油第四次油氣資源評價重大科技專項驗收會上獲悉:近3年來，中國石油完成了全國范圍101個盆地/坳陷/凹陷/地區常規油氣資源評價，以及全國范圍七類非常規油氣資源評價，優選未來五大重點勘探領域，確定常規有利區帶30個、非常規有利區帶26個，為“十三五”上游業務規劃編制提供重要依據，為公司低油價下進一步突出效益勘探提供了決策參考。

全國性的油氣資源評價工作大致以10年為一個周期，目前已完成三輪。中國石油第三次油氣資源評價完成于2003年。經過攻關，第四次評價取得五項主要創新成果，包括總結提升生烴、成藏及非常規方面的地質新理論、新認識，構建油氣資源評價方法體系，創新6項關鍵評價技術，研發新一代油氣資源評價軟件和數據庫，建立4個層次的常規與非常規資源評價參數體系，重點解剖218個刻度區，研究確定12項關鍵參數取值標準，建立關鍵參數預測模型，為類比等綜合評價提供了條件。

專項應用效果顯著，已向國家和公司提交8份決策建議材料。各油氣田公司資源評價緊密結合生產，有效指導規劃部署;非常規資源評價成果有效指導勘探選區和部署，頁巖氣資源分級評價結果明確Ⅰ類資源分布，推動示范區建設;煤層氣資源評價成果指導二連低煤階煤層氣勘探部署，效果顯著。

這個專項由中國石油勘探開發研究院牽頭，聯合各油田和院校協作攻關。項目創新形成常規與非常規油氣資源評價軟件(HyRAS 2.0)，獲授權發明專利4件，登記軟件著作權8項，發表論文166篇，專著10部，會議論文20余篇。

(曾妍摘自中國石油新聞網)

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.019

2016－05－26

中國石油天然氣集團公司重點工程資助項目(S 2010－14 E)

周明軍(1978－)，男，重慶人，工程師，學士，主要從事自動控制設計工作。