天然氣凈化項目設計階段降本增效措施探討

陳運強

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 引言

在確保質量的前提下，降低成本進而提高經濟效益是企業永恒的追求,在低油價的情況下,更是石油企業生存發展的關鍵。對于天然氣凈化項目,降本增效涉及項目的全生命周期,即項目的設計、采購、施工、運行維護等階段,需要系統地考慮,不能只局限在某一個環節。但工程設計是天然氣凈化項目降本增效的關鍵環節,包括降低工程投資和運行成本兩部分,而天然氣凈化項目的主要成本是能耗,因此,在工程設計階段天然氣凈化項目降本增效的主要途徑是降低工程投資和節能降耗。天然氣凈化主要包括脫硫、脫水、硫黃回收及尾氣處理等工藝過程,本文擬圍繞這些主要工藝過程探索天然氣凈化項目在工程設計階段降本增效的具體途徑。

1 優化設計降低投資

1.1 優化全廠整體工藝方案

優化全廠整體工藝方案是降本增效的關鍵,工廠的總體處理規模和單列工藝裝置的處理規模對工廠的投資影響非常大。由于各個氣田的天然氣組成差異大,H2S、CO2的含量差異大,現新建的天然氣凈化廠一般都是針對某一個氣田的天然氣氣質設計的,相互能夠經濟通用的比較少,而單個氣田的穩產期是有限的,超過10年的比較少,因此,在確定工廠總處理規模時,一定要地上地下統一考慮,需要確定這個氣田的經濟生產規模,即對不同的采氣速度進行綜合經濟比較,選擇一個經濟效益最佳的采氣速度。在工廠的總處理規模確定后,若規模較大,還需確定單列工藝裝置的處理規模,單列工藝裝置處理規模越大則項目投資越少?，F在我國輸氣管網已基本互聯互通,管網之間可以互相調氣,某列工藝裝置停產已基本不影響向用戶供氣,因此,在滿足設備運輸及制造能力的情況下,單列工藝裝置的處理規模應盡可能大[1-2]。而且,我國目前的技術水平完全有能力把單列裝置的處理規模做大,中國石油工程建設有限公司西南分公司在分析9種工況條件下(3種壓力和3種含硫量的組合)脫硫裝置、脫水裝置、硫黃回收裝置及尾氣處理裝置4個主體裝置關鍵受限設備的最大尺寸的基礎上,通過工藝模擬優化確定了單列裝置的最大處理能力,進而確定了相應工況下整個天然氣凈化廠單列最大處理能力,具體結果詳見表1。對于運輸超限的設備(主要是塔類),可在制造廠內分段或分片預制,現場組焊,需要整體或局部熱處理的則在現場進行整體或局部熱處理。中國石油工程建設有限公司已在讓納若爾油田第三油氣處理廠工程成功實施過此種方式,該項目有三列天然氣處理裝置,其中第一列裝置的脫硫塔,塔內徑3.8 m,壁厚約130 mm,塔高約40 m,采用“在國內制造廠分片預制、現場組焊并整體熱處理”的制造方式,其余5座塔(2座脫硫吸收塔、3座脫硫再生塔)采用“國內分段預制、現場組焊并局部熱處理”的制造方式,至今已安全運行超過10年。

表1 9種工況條件下天然氣凈化廠單列裝置最大處理能力

工況設計壓力/MPa含硫量?x㊣/()脫硫裝置A最大處理能力/(104 m3·d-1)脫水裝置B最大處理能力/(104 m3·d-1)TEG分子篩硫黃回收及尾氣處理裝置C最大處理能力/(t·d-1)多套最大規模組合方案最大處理能力/(104 m3·d-1)110.50.653 3003 1001 400×11 6043 100/3 300210.54.501 4003 1001 400×11 9871 400310.510.001 1003 1001 400×11 9411 10048.80.654 6004 7002 255×11 6044 60058.84.502 2004 7002 255×11 9872 20068.810.001 6004 7002 255×11 9411 35676.60.657 4007 1001 750×11 6047 100/7 40086.64.502 8007 1001 750×11 9872 80096.610.001 7007 1001 750×11 9411 356

1.2 優化工藝裝置工藝方案

1)工藝優化的原則是既要考慮投資,還要考慮運行費用,綜合成本最低,效益最優。

2)脫硫裝置要根據原料氣組成和產品質量要求合理選擇溶劑,原料氣CO2含量低時,要選擇選擇性好的溶劑,盡量少脫除CO2;原料氣CO2含量高時,可選擇配方溶劑,提高溶液的CO2脫除能力,以降低溶液循環量。原料氣含有機硫時,要選擇配方溶劑,盡可能將H2S與有機硫一起脫除。

3)硫黃回收和尾氣處理裝置要統籌考慮投資和運行費用,尾氣處理可采用串級SCOT工藝或CANSOLV工藝,若業主能接受,還可采用投資更低的SOP制酸技術與雙堿法尾氣處理技術。

1.3 優化簡化工藝流程

1)與油氣集輸充分結合,合理設置分離設備以避免重復設置;上下游統一考慮放空設施,避免各自為政。

2)原料過濾分離器若有備用就可以不設旁通,若沒有備用就可以設旁通。

3)脫硫貧液增壓泵可以設兩級也可以采用一級,建議溶液循環量小于100 m3/h時可采用一級增壓,溶液循環量大于100 m3/h時可采用兩級增壓。

4)脫硫溶液再生重沸器的蒸汽凝結水排放現在基本都采用凝結水罐+調節閥方案;而早期引進的裝置直接采用疏水器排水方案(蒸汽用量約15 t/h,采用進口疏水器),使用效果也非常好。建議單臺重沸器蒸汽用量小于10 t/h時,可采用疏水器排水方案,若擔心國產蒸汽疏水閥蒸汽泄漏量大,可采用進口疏水器;單臺重沸器蒸汽用量大于10 t/h時,采用凝結水罐+調節閥方案。

5)脫硫溶液的存儲,目前大量采用的是各個裝置各自儲存,每套裝置都有2個溶液儲罐,只有少部分凈化廠采用全廠統一配制與儲存。建議有2列及以上工藝裝置的凈化廠采用全廠統一配制、儲存方案,可以簡化流程、減少設備數量、降低投資。

6)調節閥組的標準配置是調節閥前后有截斷閥和旁通閥,長期以來大家都這樣設計,而在現場實際使用過程中,很多截斷閥和旁通閥都沒有用過,因此到底有沒有必要配置截斷閥和旁通閥值得深思。建議今后設計中,對每個調節閥進行認真分析,若該調節閥故障停用,用旁通閥操作能否滿足要求,若不能就不設旁通閥;在不設旁通閥的情況下,調節閥停用檢修時,裝置就已停產,若此時有無截斷閥對檢修的隔斷都無影響,此時就可以不設截斷閥。由此,建議高壓差的調壓放空閥,脫硫、脫水的吸收塔的液位調節閥,硫黃回收的空氣、酸氣調節閥,再熱爐的燃料氣、空氣調節閥等不設旁通閥。建議硫黃回收的空氣調節閥、再熱爐的空氣調節閥等不設截斷閥。

7)硫黃回收裝置酸氣、空氣蒸汽加熱預熱器可以取消蒸汽入口管道上的調節閥。預熱一般采用飽和蒸汽,壓力在2.5～4.0 MPa,對應溫度220～250 ℃,需要蒸汽預熱時,酸氣濃度較低,都希望預熱后溫度越高越好。溫度高,酸氣就可以多進燃燒器,可以提高硫黃回收率。因此,不需要精確控制酸氣、空氣預熱后的溫度,不需要調節閥。

8)硫黃回收裝置產生相同壓力蒸汽、換熱管長度差異不太大的過程氣冷凝冷卻器可以多級合并為一臺,這樣可以減少鍋爐給水管道及控制系統。

1.4 合理選用設備、閥門

1)脫硫吸收塔壓力高,一般壁厚都比較厚,塔直徑對塔的投資影響很大。采用高效塔盤可以減小塔直徑,雖然高效塔盤價格較貴,但有時還是可以明顯降低投資,需要根據具體項目進行經濟對比。因此,建議對于壓力較高、直徑較大的脫硫吸收塔,應進行經濟對比以確定是否采用高效塔盤。

2)脫硫或尾氣處理的貧富液換熱器以前都是選用管殼式換熱器,10多年前,在引進工藝包時,外方提出采用板式換熱器。板式換熱器具有體積小、換熱效率高的優點,最初在小型裝置上使用,效果比較好,富液進再生塔的溫度提高3 ℃左右。后來在大型裝置上使用,多個項目出現板式換熱器大法蘭面泄漏、振動或管口撕裂泄漏等問題,由于板式換熱器板片之間的間隙小,容易堵塞,進口都需設過濾器,并設置備用換熱器,可以輪換清洗,以滿足長周期運行的需要,由此造成采用板式換熱器的投資遠大于采用管殼式換熱器的投資,而管殼式換熱器的故障率非常低。因此,建議貧富液換熱器選用管殼式換熱器[3]。

3)脫硫貧液泵可以采用進口泵,也可以采用國產泵。進口泵質量及性能較好,但價格昂貴,配件采購成本高且周期長。而國產泵價格便宜,也可以按API 610生產,性能基本能滿足要求,配件易得且便宜,但質量參差不齊。從現場操作人員反饋的信息來看,在滿足使用要求的情況下,操作人員更愿意使用國產泵。因此,建議排量低于200 m3/h的貧液泵采用國產泵,排量高于200 m3/h或帶水力透平的貧液泵可采用進口泵。

4)分子篩脫水的切換閥以前常用進口軌道球閥,近幾年開始采用國產球閥,從使用效果看,國產球閥目前尚未發現有問題,而進口軌道球閥的價格是國產球閥的幾倍。因此,建議分子篩脫水的切換閥盡可能采用國產球閥,以節約投資。

5)硫回收主風機是硫黃回收裝置的關鍵設備,其性能的好壞決定了硫黃回收裝置操作的可靠性和穩定性。目前大量裝置采用的是進口風機,僅少量小規模的裝置采用國產風機,國產風機基本是為污水處理設計的,可靠性相對較差。因此,建議規模小于50 t/d的硫黃回收裝置可以采用國產風機,規模大于50 t/d的硫黃回收裝置采用進口或國外品牌風機。

1.5 施工圖采用多專業協同三維設計

多專業協同三維設計,各專業在同一平臺下工作,設計內容實時同步更新,使專業之間銜接更加緊密,可保證模型的準確性;通過三維空間碰撞檢查,可以避免各專業互相碰撞,以保證設計成果的正確性,通過自動統料,保證開列材料數量的準確性;可以獲取大量的基礎數據,這些數據經數字化移交,可形成智能油氣田大數據基礎,為智能油氣田建設提供強大的信息數據支持[4-5]。

1.6 多方聯合審查三維模型

1.7 推廣模塊化設計

模塊化建設模式是根據工程的工藝特點和功能要求,將整個工程分割成若干個模塊進行設計,在制造廠進行模塊制造、預組裝及初步調試,再將模塊運送到項目現場進行安裝、調試并投產運行。模塊的制造可在某個地區某個制造廠進行,也可在不同國家或地區的多個制造廠實施。模塊化建設是新興的建設模式,由于優點突出,給工程建設帶來了許多好處,是目前國際工程上較常采用的建設模式。模塊化建造技術是目前世界上最先進的工程技術,具有下列優勢[6-9]:

1)提高施工效率。模塊化建設是一種工廠預制最大化、現場施工最小化的方法。項目實施的過程,把大量的工程建造放在制造廠內進行,實現工廠化的批量作業,提高了焊接的速度和效率,縮短了工程建設周期。

模塊在建造過程中,設備、管道、鋼結構的焊接和預制以及模塊的預組裝,均在室內進行,避免施工過程受到天氣影響;且室內施工條件較舒適,也提高了工人的工作效率。

3)降低安全風險。模塊建造的結構和管道的預制工作基本都在地面進行,最大程度地減少了高空作業,減少了安裝工人高空作業量和高空作業時間,也減少了現場大量交叉作業,這樣就降低了高空作業風險,簡化了現場的安全管理工作,降低了安全風險。

表2 廠站模塊化建設取得效果統計

項目名稱模塊數量/個預制率/()減少占地面積/()縮短施工周期/()磨溪龍王廟天然氣凈化廠542854143萬州凈化廠硫黃回收裝置40852030巴基斯坦NAIMAT PHASE 5A & 5B56802520坦桑尼亞Mnazi Bay和Songo Songo氣田開發項目81831515哈薩克斯坦奇姆肯特硫黃回收項目19902025山西大同LNG項目44702520

2 優化設計降低能耗

2.1 脫硫裝置

2)貧/富液換熱器中富液的換熱終溫可適當取高值,以增加換熱量,減少重沸器的蒸汽耗量[10]。

3)將脫硫裝置的閃蒸汽回收用作燃料氣,以降低燃料氣消耗[10]。

4)盡量使用空冷,減少循環水用量。一般采用空冷+水冷的能耗是只采用空冷的能耗的1.5倍左右;因此,貧液冷卻器和酸氣冷卻器宜優先采用空氣冷卻器。為減少在氣溫低或負荷減少時的能耗,宜采用停開部分空氣冷卻器風機或采用變頻調節的措施[10-12]。

5)設置胺液凈化設施。

6)回收脫硫裝置大修時設備首次清洗水用作MDEA溶液循環系統的補充水,可有效減少凝結水的消耗及污水量,降低能耗[10]。

2.2 脫水裝置

1)當有中壓蒸汽可利用時,脫水富甘醇再生可采用蒸汽加熱[10]。

2)甘醇吸收法脫水工藝中,若氣提氣用量較大,可將含水氣提氣回收利用[10]。

3)脫水裝置在貧液循環泵前設置貧/富液換熱器,可有效回收部分熱量,減少貧液冷卻的循環冷卻水用量和富液再生的燃料氣耗量,降低能耗[10]。

4)將脫水裝置的閃蒸氣回收用作燃料氣,以降低燃料氣消耗[10]。

2.3 硫黃回收裝置

1)當工廠設有2.5 MPa及以上中壓蒸汽系統時,宜利用主燃燒爐高溫過程氣的熱量,在余熱鍋爐中發生中壓蒸汽,經過熱后進入全廠中壓蒸汽系統。中壓蒸汽先作為動力用汽,驅動主風機或脫硫溶液循環泵,再作為加熱用汽,以提高余熱的利用效率[10]。

2)設置克勞斯爐熱啟動程序,在克勞斯爐爐溫800 ℃以上時,直接引入酸性氣,恢復硫黃回收裝置生產,可縮短硫黃單元恢復生產的時間[13]。

a)合理選擇設備和管道的規格,降低裝置壓力降,在此基礎上正確選擇風機類型及出口壓力,富裕量要合適。

b)用蒸汽透平驅動。

c)優化主風機的調節手段,在滿足主風機出口壓力一定的情況下,根據燃燒爐的用風量,通過調節主風機入口的調節閥滿足風機負荷調節。風機在低負荷運行情況下,當接近風機的喘振點時,開啟風機出口放空閥,確保風機不進入喘振點。盡量減少空氣的放空,可大大降低能量浪費。對于采用電機驅動的風機,還可嘗試采用變頻控制。

4)當有中壓蒸汽可利用時,硫黃回收過程氣再熱可采用蒸汽加熱。

2.4 尾氣處理裝置

2)急冷水、貧液和酸性氣的冷卻應優先采用空冷[12]。

4)優化尾氣焚燒爐溫度。焚燒爐溫度一般控制在540～800 ℃。低于540 ℃時COS不能完全焚燒;高于800 ℃時對完全焚燒影響已不大,但燃料氣耗量會大大增加[14]。

5)回收尾氣焚燒余熱。設置焚燒爐余熱鍋爐及蒸汽過熱器,將煙氣溫度降到300 ℃,可最大限度地回收排放廢氣中的熱量,提高裝置的能量回收率[15]。

6)將酸水汽提后的汽提水用作循環水裝置的補充水,減少新鮮水用量[10]。

2.5 其它

1)根據全廠蒸汽量的平衡,中壓、低壓蒸汽宜實現梯級利用,合理利用裝置自產蒸汽,溶液循環泵、主風機、中壓鍋爐給水泵、循環水泵可采用背壓式蒸汽透平驅動。蒸汽透平排出的背壓蒸汽經減溫后進入低壓蒸汽系統,向重沸器及其他需熱點供熱,將大大降低電耗量[10]。

2)盡可能回收蒸汽凝結水,并采用閉式凝結水回收系統進行回收,提高凝結水回收壓力,減少凝結水二次蒸發損失,提高回收率。同時提高了鍋爐給水溫度,可減少鍋爐的燃料氣消耗,增加硫黃回收裝置的蒸汽產量。由于凝結水壓力較高,鍋爐給水泵的電耗相應有所減少[10,16]。

3)單臺功率在200 kW及以上的電動機,宜采用高壓電動機,如選用10 kV電動機[10]。

3 結論

降本增效涉及項目全生命周期,但工程設計是關鍵環節,可以通過優化設計降低投資與能耗。設計質量的好壞會極大地影響項目的經濟效益,要嚴把設計質量關。方案論證要有足夠的工期,充分地進行專家論證,不能匆忙做決策。初步設計和施工圖設計也應有合理的工期,避免因趕工期而影響設計質量,要通過精細化設計,提高設計質量,為項目降本增效打下堅實的基礎。