高含硫天然氣凈化裝置低處理量工況下運行模式創新應用

王曉宗* 王擁軍 徐政雄 韓鵬

（中國石化達州天然氣凈化有限公司）

0 引言

普光氣田是我國已投產的規模最大、豐產最高的特大型海相整裝氣田。集輸系統采用加熱節流、全濕氣保溫混輸工藝。井口天然氣經集氣支線進入集氣干線，匯聚至集氣末站，經分水后輸送至天然氣凈化廠。集輸管道采用緩蝕劑批處理預膜技術進行防腐，期間輸送氣量降低，會打破天然氣凈化廠蒸汽系統平衡，影響全廠平穩運行，給天然氣凈化廠的高效生產組織帶來挑戰。通過開展“凈化裝置低處理量工況下運行模式創新”項目，解決了批處理等處理量大幅下降工況下蒸汽不足的問題，避免了聯合裝置頻繁停運、復產，大幅提高了生產效率，降本增效效果顯著。

1 凈化廠聯合裝置工藝

普光天然氣凈化廠（簡稱凈化廠）主要工藝裝置為6套聯合裝置，每套聯合裝置分為兩個系列。一系列包括MDEA（甲基二乙醇胺）脫硫、TEG（三甘醇）脫水、二級克勞斯硫磺回收、斯科特加氫還原尾氣處理及酸水汽提五個單元［1］，二系列脫水及酸水汽提兩個單元與一系列共用，其余部分與一系列相同，兩列間設有酸氣連通線。單列處理規模為300×104m3/d。

高含硫原料氣（H2S含量13%～18%，CO2含量8%～10%）進入脫硫單元一、二級主吸收塔，利用MDEA溶液在吸收塔內與原料氣逆流接觸［2］，脫除其中H2S和CO2，使其含量分別低于6 mg/m3和3%。凈化天然氣經三甘醇脫水后外輸。MDEA溶液經胺液再生塔再生后循環利用［3］，產生的酸氣（H2S含量58.0%～60.5%）進入硫磺回收單元。酸氣與一定比例的空氣在克勞斯爐中燃燒，保持過程氣中H2S與SO2摩爾比為2：1，在克勞斯爐及一、二級反應器中，H2S與SO2反應生成單質硫。尾氣處理單元燃燒器內，燃料氣與不足量的空氣燃燒生成H2和CO，與克勞斯尾氣混合后進入加氫反應器，將尾氣中SO2、COS還原為H2S，經尾氣吸收塔吸收凈化后，進尾氣焚燒爐。聯合裝置簡要工藝如圖1所示。

圖1 聯合裝置工藝原理流程圖

2 聯合裝置運行模式創新的必要性

普光氣田集輸管道批處理預膜周期為每1～3個月1次。2018年1月至11月間，大型管道批處理6次，單次持續8～14 h，期間輸送氣量降幅達600×104～750×104m3/d。上游批處理作業呈現“周期性、頻率高、時間短”的實際特點。

由于凈化廠主要采用聯合裝置余熱產生蒸汽，通過動力站鍋爐調峰，原料氣量的降低直接影響全廠中壓蒸汽產量。據推算，若全廠處理量下降幅度大于600×104m3/d，動力站鍋爐供應能力將無法彌補蒸汽量的下降。打破原有蒸汽平衡，必須停運聯合裝置，重新建立平衡，否則可能引起汽驅停機甚至全廠停工［4］。凈化廠蒸汽平衡情況見圖2。

圖2 凈化廠蒸汽平衡圖

大型天然氣凈化裝置的停工模式主要有：兩列各50%負荷運行模式、單列“悶爐”模式、單列“停工”模式和“一拖二”模式，不同停工模式優缺點對比見表1。近年來，隨著聯合裝置運行年限的增加，設備腐蝕問題形勢日益嚴峻，頻繁開停工會對聯合裝置造成嚴重危害，溫度、壓力的大幅變化加速設備腐蝕，“維持全廠蒸汽平衡”與“減少開停機次數”之間的矛盾日益突出。同時，國家對環保提出了更高的要求，凈化廠對廢氣、廢水的產生有了更加嚴格的控制。在這些形勢下，迫切需要進行生產運行模式的創新，改變聯合裝置低處理量下被動停機的局面。

表1 聯合裝置不同停工模式對比

3 聯合裝置“休眠”運行模式的創新與應用

3.1 “休眠”運行模式簡介

減少蒸汽消耗量的同時實現快速復產是聯合裝置“休眠”運行模式的核心任務。當原料氣量大幅降低時，實施“休眠”的系列脫硫單元停進原料氣，維持MDEA循環再生，降低胺液再生塔重沸器蒸汽用量在25 t/h以下（正常工況用量約55 t/h），實現減少蒸汽消耗的目的；通過酸氣連通線，引入另一系列酸氣，維持克勞斯爐正常燃燒；尾氣處理單元正常運行，確保煙氣達標排放；尾氣吸收塔內的富胺液輸送至脫硫單元胺液再生塔進行再生，實現酸氣的回收利用。該運行模式下，單列可減少蒸汽用量20～30 t/h，能夠有效應對處理量降低時蒸汽平衡缺口，并實現快速停機、復產。聯合裝置“休眠”運行模式示意圖見圖3。

圖3 聯合裝置“休眠”運行模式示意圖

3.2 “休眠”運行模式下蒸汽平衡分析

通過對單列裝置不同運行模式下蒸汽平衡的分析可知，較單列裝置50%負荷運行模式，“休眠”模式中壓蒸汽需求量基本不變，僅增加了0.43 t/h，低壓蒸汽總需求量減少了23.81 t/h，合計節約中低壓蒸汽總量23.38 t/h；停工模式中壓蒸汽需求量減少了5.65 t/h，低壓蒸汽需求量減少了21.50 t/h，合計節約中低壓蒸汽總量27.15 t/h。

以同樣方法比較不同運行模式下整套聯合裝置蒸汽的產出、消耗情況可知，較雙列裝置各50%負荷運行模式，單列裝置“休眠”模式中壓蒸汽產量不變，低壓蒸汽總需求量減少21.60 t/h，合計節約中低壓蒸汽總量21.60 t/h；單列裝置停工模式節約蒸汽量最優，合計節約58.50 t/h。胺液再生耗時8 h。

由此得出結論：“休眠”模式可以在不影響中壓蒸汽產量的前提下，有效降低聯合裝置低壓蒸汽耗量。與動力站鍋爐負荷調整相配合，可以大幅提高蒸汽系統的操作彈性。

單列裝置不同模式下蒸汽平衡情況見表2，表中負數代表需求量。

表2 單列裝置不同模式下蒸汽平衡情況 單位：t·h-1

3.3 “休眠”模式下酸氣量及原料氣量的確定

由于斯科特法加氫還原工藝反應溫度要求為280～300 ℃，當克勞斯爐酸性氣進料量下降，尾氣量同時下降，尾氣（137 ℃）與還原性氣體（H2、CO）的混合氣體溫度上升，需降低加氫爐燃料氣用量。通過實際數據分析，克勞斯爐酸氣進料量與加氫爐燃料氣用量趨勢高度一致，二者的比維持56.0～62.7基本恒定。由于加氫爐燃燒器維持穩定燃燒的最小燃料氣量為290 m3/h，故對應克勞斯爐酸氣量應至少維持16 240 m3/h。

根據物料平衡，通過酸氣量可以推算出單列裝置“休眠”模式下，另一列裝置脫硫單元原料氣瞬時量為11.5×104m3/h，即裝置負荷率92%，滿足聯合裝置負荷率50%～110%的操作可行性要求。

3.4 “休眠”運行模式操作關鍵

經理論論證和現場實踐，對“休眠”模式工藝參數控制指標在合理范圍內進行優化，優化后的重點工藝參數控制指標見表3。“休眠”運行模式下操作關鍵點：

（1）選擇兩個系列均正常運行的聯合裝置實施。單系列進入“休眠”模式后，另一系列脫硫單元維持原料氣負荷率92%以上。

表3 “休眠”模式下重點工藝參數

（2）脫硫單元停進原料氣后，胺液重沸器再生蒸汽用量控制在22 t/h以下，以保障全廠蒸汽平衡。胺液循環量440 t/h。

（3）利用來自尾氣吸收塔富胺液產生的酸氣，彌補酸氣不足。兩列酸性氣量均維持1.62×104m3/h以上。加氫爐燃料氣量290～400 m3/h。

（4）實時調整克勞斯爐配風量，維持過程氣中H2S與SO2摩爾比為2∶1，確保硫磺最大轉化率。精心操作，避免過程氣中H2S、SO2組分含量的大幅波動，保障汽提水水質指標合格。

3.5 實際應用效果

該運行模式自2018年2月25日首次應用，至2018年11月共實施5次，均取得理想效果。

以2018年8月8日為例，當日上游大灣采氣區進行D401—總站段管道批處理作業，期間井口氣外輸瞬時量1 600×104m3/d，降量幅度750×104m3/d。經蒸汽推算，全廠面臨60 t/h的蒸汽缺口。

選擇132系列、152系列實施“休眠”模式，成功彌補了蒸汽不足，保障了中壓蒸汽管網壓力在3.4 MPa以上、低壓蒸汽管網壓力在0.4 MPa以上。上游批處理結束后，152、132系列依次引原料氣開機，分別用時42 min、37 min恢復正常生產。全程酸水汽提單元汽提水水質合格，排放煙氣中SO2濃度低于400 mg/m3。

4 優點與效益分析

一是有利于裝置的保護。

“休眠”模式在停進原料氣進料的基礎上，最大限度地保持了聯合裝置各個單元的運行狀態，避免了壓力、溫度等參數的大幅變化，減少了熱應力沖擊、壓力波動、腐蝕等因素對設備的損害。

二是簡化了操作步驟，大幅度減少了提前降量造成的效益損失。

簡化停機、復產步驟，去掉了“胺液再生、克勞斯爐吹硫、加氫系統停運、建立胺液熱循環、克勞斯爐引酸氣、加氫系統啟運”等6項中間環節。全廠提前降量時間由8 h（胺液再生合格）縮減為50 min；復產時間由3 h縮減為40 min，較原有模式累計減少9 h，對應原料氣處理量108×104m3，減少效益損失94.5×104元/次。

三是節約停機、復產成本。

避免了停工期間克勞斯爐、尾爐等燃料氣的無效燃燒，節約自耗氣量3 000 m3/h；節約停機、復產期間吹掃、保護氮氣用量1 000 m3/h；節約電能消耗2 500 kW·h。節約停工用料成本6.525×104元/次，年累計降本增效606.15×104元（“休眠”模式運用以每年6次計）。

四是環保意義深遠。

實現了酸性氣零放空，避免了火炬系統SO2、氮氧化物等有害物質的排放；減少產生不合格汽提水30 t/h，并間接節約了后續污水處理成本；尾氣經斯科特法加氫還原工藝處理，確保硫回收率達99.8%，排放煙氣中SO2濃度在400 mg/m3以下，完全滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》要求。

5 結論

在無需追加投資的情況下，基于蒸汽平衡推算理論分析，優化聯合裝置運行模式，固化形成了一套獨立的應對方法，解決了批處理等處理量大幅下降期間蒸汽不足的突出問題，避免了聯合裝置的頻繁停運、復產，大幅提高了生產效率，同時，減少了污水及SO2排放量，環保意義深遠。實際應用證明，“休眠”運行模式安全、環保、節能，對于天然氣凈化廠及同類企業應對處理量大幅下降時的生產組織具有借鑒意義。