再生塔回流介質溫升分析及優化

李 龍 何琳琳 王 剛 任玉生 黃 錕

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油西南油氣田成都天然氣化工總廠, 四川 成都 610213;3. 襄垣縣國新液化天然氣有限公司, 山西 長治 046299;4. 重慶博杰能源有限公司, 重慶 408324

0 前言

液位回流控制是容器液位工藝過程控制的重要手段,對精餾工藝、吸收和再生工藝及容器的液位維持等生產過程起到關鍵作用[1-3]。液化天然氣(LNG)是天然氣的液態形式,生產過程中采用MDEA醇胺法作為天然氣深度脫酸的常用工藝處理方法[4-9]。其中,MDEA溶液再生采用低壓高溫操作,在再生塔頂部設置再生塔頂回流罐,對再生塔頂部被帶出的水分及MDEA溶液進行回收操作,該過程對溶液再生效果和脫酸系統平衡操作具有重要作用[10-12]。本文針對液化天然氣生產過程中MDEA再生塔頂回流罐中液體溫度升高的現象進行原因分析,提出防止再生塔因溶液回流循環造成溶液溫度升高的優化設計方案,對類似具有回流液位控制回路的工程設計和操作具有參考意義。

1 設計簡介

某日處理天然氣50×104m3的LNG工廠,采用MDEA醇胺法深度脫除天然氣中的H2S、CO2酸性氣體,使凈化氣中CO2的體積分數含量低于50×10-6,H2S含量低于3.5 mg/m3,滿足天然氣液化的要求。天然氣摩爾組分見表1。

再生塔頂工藝流程見圖1。來自再生塔的高溫工藝氣物流1進入冷卻器中，經冷卻器冷卻至40 ℃以下的物流2進入分離罐中的分離氣液相。氣相物流3從分離罐頂部分出進入后序裝置處理，液相物流4進入回流泵中，經回流泵增壓后返回至再生塔中，同時分出部分流量作為泵的最小回流量通過物流5返回分離罐中。分離罐液位控制采用單回路控制方案,液位變送器安裝在再生塔分離罐上,流量調節閥安裝在回流泵輸送至再生塔頂部的管線上。根據再生塔分離罐的液位波動情況,通過調節調節閥的開度,從而穩定再生塔頂分離器液位,防止液位過高或過低操作。同時,為了保護泵的回流泵的安全啟動和正常運轉,設置了泵的最小流量回流保護線[13-16]。

表1 天然氣摩爾組分

組分含量/(%)組分含量/(%)N21.291n-C4H100.097CO20.716i-C4H100.116CH494.004n-C5H120.035C2H63.085i-C5H120.027C3H80.567C6H140.062 注:根據設計要求,CO2處理設計負荷按天然氣中最大含量3.5 % (v/v)考慮。

圖1 再生塔頂工藝流程

根據脫酸工藝設計計算數據,再生塔頂設計工況數據見表2。

表2 再生塔頂操作條件

物流號氣相分數溫度/℃壓力/kPa密度/(kg·m-3)比熱/(kJ·kg-1·℃-1)0.72 % CO2工況質量流率/(kg·h-1)3.5 % CO2工況質量流率/(kg·h-1)111051001.781.34461.082 255.3020.407 540804.7282.24461.082 255.303140802.9080.93282.921 384.006040120996.24.31178.16871.3

2 介質溫升情況

2017年8月,LNG生產裝置經投產并達到滿負荷生產能力后,在裝置連續運行過程中,發現回流泵出口管線及最小回流保護線管道外壁溫度偏高,設計條件下要求經冷卻器冷卻之后的工藝介質溫度應小于40 ℃，經檢測,再生塔頂回流罐及回流泵出口溫度分別維持在45 ℃和47 ℃左右,均已超出工藝設計溫度40 ℃。

3 介質溫升原因分析

通過檢測,再生塔頂冷卻器出口工藝介質溫度為37.5 ℃,表明該設備運行正常且滿足工藝設計要求,回流系統介質溫升并不是由于冷卻器冷卻效果差造成的。

對回流系統在全回流工況下做能量平衡分析,分析范圍見圖1虛線標注部分。其中能量輸入部分主要包括主物流2帶入的能量Q2和回流泵電能輸入Q泵;能量輸出部分主要包括分離罐頂部物流3帶出的能量Q3、回流泵外輸物流6帶出的部分能量Q6和系統與外界因溫度差造成的熱量損失Q損。

當Q2+Q泵>Q3+Q6+Q損時,系統內溫度將升高；

當Q2+Q泵=Q3+Q6+Q損時,系統內溫度將維持；

當Q2+Q泵

通過能量平衡分析可以看出,主物流2帶入的能量Q2,正常可以通過物流3的能量Q3和物流6的能量Q6以及少量的熱損失Q損帶出系統,因此回流泵的電能輸入Q泵是造成系統內能量累積的主要原因,最終通過機械能轉化為系統熱能,從而使系統內介質溫度升高。

從現場觀察發現,系統內溫度維持在45 ℃左右,并未出現持續上升的趨勢,主要原因是回流泵選型后功率固定,能量輸入有限。系統熱損失及物流帶出的能量將隨系統介質溫度的升高而增加,當系統介質溫度上升至一定程度后,此時系統累積的能量與系統熱損失及物流帶走的能量達到平衡狀態,從而使系統內介質溫度出現維持現象。

因回流泵循環輸入的能量有限,因此系統內介質溫升有極限值。根據系統物料平衡分析,由物流2帶入的物料最終通過物流3和物流6帶出系統。在不考慮系統熱損失Q損及物流3不被加熱的情況下,能量全部用于加熱分離出的液相介質并被帶出系統,此時系統能量平衡,液相介質獲得最大溫升。根據熱量計算公式:

Q=cp×m×Δt

式中:cp為介質平均比熱容,kJ/(kg·℃);m為介質的質量,kg;Δt為介質溫升,℃。

可計算介質最大溫升為Δtmax=Qmax÷(cp×mmin)=2.3×3 600÷(4.31×178.16)=10.78 ℃,即該系統最大溫升約為10.77 ℃。通過平衡分析可知,隨著物流6外輸量的加大,系統內介質溫升累積將減少,同時考慮到物流3和系統熱損失帶走部分,系統內介質溫升將更低,對系統影響更少。

4 介質溫升處理措施

4.1 優化回流設計流程

考慮到液位控制系統持續回流狀態下,能量將不斷通過泵輸送至系統內，為持續移走富余能量,將泵的最小回流線接入至前端冷卻器入口,通過冷卻器將能量帶出系統。

4.2 優化泵的選型

針對離心泵功率較大的類似工況,建議結合系統設計最大負荷處理工況與實際運行工況需求,選擇負荷匹配、經濟高效的輸送泵。同時在經濟性可行的情況下,選用變頻控制方式節省能耗[17-19],尤其確保在低流量工況下減少能量輸入,提高能量利用效率,同時又滿足輸送要求。

4.3 優化回流控制方式

針對離心泵功率較大的類似工況,建議在泵的最小回流線上安裝調節閥[13-14],減少泵的最小回流量,充分利用泵的額定外輸能力,從而減少系統能量累積和因最小回流線關閉造成憋泵傷害,防止泵空轉造成汽蝕[20-22]。

5 結論

1)造成再生塔頂回流系統介質溫升的主要原因是脫酸裝置H2S和CO2處理負荷低,造成再生塔頂帶出液量少,回流泵處于小流量回流狀態,持續向系統內輸入能量,電能在系統內累積并最終轉化為熱能,使系統內介質溫度升高。由于在回流泵選型后系統內介質溫升將存在上限值,因此在系統設計時,可進行各工況下的能量平衡和物料平衡計算,分析回流系統最大溫升情況。

2)在系統無法接收介質溫度升高的情況下,可將離心泵最小回流線返流至前端換熱器入口,從而將回流系統內的能量通過冷卻器移走,確保系統內能量平衡,有效防止回流系統內介質溫度升高。

3)回流系統流程設計及泵的選型需進行詳細計算和整體分析,盡量減少全回流工況的出現。針對大功率離心泵,建議在離心泵的最小回流線上安裝調節閥,控制泵的最小回流量,充分利用泵的額定外輸能力,從而減少系統能量累積和因最小回流線關閉造成憋泵傷害,防止泵空轉造成汽蝕。