天然氣凈化中影響裝置能耗工藝參數的分析

白 聰

(1 天津市大和勞務服務有限責任公司，天津 300457； 2 中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津 300457)

長慶氣田第三凈化廠于2003年建成天然氣凈化裝置一套，目的是脫除天然氣中的CO2和H2S，其中凈化裝置采用傳統的吸收再生工藝，設計能力300×104Nm3/d，設計采用美國DOW化學公司生產的50%(wt)的配方溶液進行脫硫和脫碳。

長慶氣田第三凈化廠凈化裝置工藝流程示意圖見圖1。

圖1 長慶氣田第三凈化廠凈化裝置工藝流程示意圖(優化后)

目前因上游氣質及產量的變化，原料天然氣中CO2和H2S含量及處理量均有一定程度上的波動，裝置能耗較大，為降低裝置能耗，確保裝置的安全穩定運行，有必要對現有的生產運行參數進行分析，并找出影響裝置能耗最大的關鍵參數。

1 裝置主要運行參數分析

該裝置處理量為300×104Nm3/d，操作彈性為80%～120%，進料氣壓力為5500 kPa，溫度為30 ℃，年開工天數為330天。進料氣組成如表1所示。

表1 進料氣組成

在滿足凈化效果的工藝要求的前提下，需要對影響裝置能耗的各個參數進行分析，而裝置的能耗包括再沸器、泵、冷凝器、冷卻器四個設備的能耗，影響能耗的參數有吸收塔和再生塔的理論塔板數、再生塔壓力、再生塔回流比、胺液循環量以及胺液中DEA和MDEA的比例、原料氣入塔溫度和壓力等。對于給定的凈化工藝系統，吸收塔和再生塔的物質交換能力是給定的，即吸收塔和再生塔的塔板數是一定的。因此本論文選擇這幾個分析目標是在滿足凈化要求的條件下，在實際生產能夠在節能降耗得到一定的指導。

通過對流程分析，裝置中可調整優化的設計變量有:胺液循環量、胺液配比、原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、回流比、節流閥出口壓力。其表2列出了對脫酸單元能耗有影響的變量。

表2 可調變量表

為明確流程中工藝參數對裝置能耗的影響，進而找到優化變量，現對可調變量對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響進行分析。

1.1 胺液配比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在生產工藝中確定混合胺液的MDEA和DEA配比時，需要考慮裝置的腐蝕程度裝置的腐蝕程度，DEA腐蝕性比MDEA強。因此本文根據經驗[1]取得以下五種胺液配比來分析對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響，從中確定一組較優的配比，如表3所示。

表3 胺液DEA與MDEA的配比

在滿足凈化要求的條件下，根據以上胺液配比作出對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響的變化關系圖如圖2所示。

圖2 不同胺液配比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的變化曲線圖

由圖2可以看出，泵、冷凝器和冷卻器的能耗隨著DEA量的減少，MDEA量的增加變化趨勢不大，趨于直線。而再沸器的能耗則是在DEA量從25%到21%是直線下降的趨勢，從1024577073 kJ/h降低到59086801.6 kJ/h，減少了965490271.4 kJ/h，折合成功耗為2.703×105kW。從21%到17%有小幅度降低，從59086801.6 kJ/h降低到28168600.7 kJ/h，減少了30918200.9 kJ/h，折合成功耗為8657 kW；從17%以下基本上為直線。因此根據經驗，DEA的含量一般控制在10%～13%，因此可取DEA質量分數為13%，MDEA質量分數為40%的混合胺液作為吸收劑。以下因素分析是基于該配比進行。

1.2 貧胺液循環量對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設定貧液循環量的初值為2000 kmol/h，以100 kmol/h為步長，在2000～3800 kmol/h范圍內變化，研究貧液循環量對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進行分析，其變化的趨勢見圖3。

圖3 貧胺液循環量對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的變化曲線圖

由圖3可以看出，泵和塔頂冷凝器的能耗隨著循環量的增加變化不大。而再沸器和貧液冷卻器的能耗有明顯的變化趨勢。當貧液循環量由2000 kmol/h變化到3800 kmol/h時，其他設備的能耗變化如表4所示。

表4 貧胺液循環量對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

可見在研究的范圍內，相較于對泵和塔頂冷凝器能耗的影響，循環量對再沸器和貧液冷卻器的能耗影響非常大。

1.3 原料氣入塔溫度對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設定原料氣入塔溫度的初值為25 ℃，以1 ℃為步長，在25～40 ℃范圍內變化，研究原料氣入塔溫度對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進行分析，其變化的趨勢見圖4。

圖4 原料氣入塔溫度對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖4可以看出，泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗隨著原料氣入塔溫度的增加變化不大，循環冷卻器的能耗僅有一定的變化。具體變化情況如表5所示，在研究的范圍內，原料氣入塔溫度對泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗影響很小，可以忽略。對循環冷卻器的能耗的影響也不大，僅為895.90 kW。

表5 原料氣入塔溫度對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.4 原料氣入塔壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設定原料氣入塔溫度的初值為5500 kPa，以50 kPa為步長，在5500～6000 kPa范圍內變化，研究原料氣入塔壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進行分析，其變化的趨勢見圖5。

圖5 原料氣入塔壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖5可以看出，泵、塔頂冷凝器、再沸器以及循環冷卻器的能耗隨著原料氣入塔溫度的增加變化不大，從以表6實際數據可知，在研究的范圍內，原料氣入塔壓力對泵、塔頂冷凝器、再沸器以及冷卻器的能耗影響很小，可以忽略。

表6 原料氣入塔壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.5 再生塔回流比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設定再生塔回流比的初值為0.3，以0.1為步長，在0.3～0.8范圍內變化，研究再生塔回流比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進行分析，其變化的趨勢見圖6。

圖6 再生塔回流比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

由圖6可以看出，泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗隨著再生塔回流比的增加變化不大，循環冷卻器的能耗僅有一定的變化。具體變化情況如表7所示，在研究的范圍內，再生塔回流比對泵、塔頂冷凝器以及再沸器的能耗影響很小，可以忽略。而對循環冷卻器的能耗的影響也不大，僅為895.90 kW。

表7 再生塔回流比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

1.6 節流閥出口壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在滿足凈化要求的條件下，設定節流閥出口壓力的初值為200 kPa，在200～300 kPa變化范圍，以10 kPa為步長；在300～600 kPa變化范圍，以50 kPa為步長，研究節流閥出口壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器的能耗進行分析，其變化的趨勢見圖7。

圖7 節流閥出口壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響

在分析節流閥出口壓力對能耗分析過程中，發現以300 kPa為節點，300 kPa以上的出口壓力，尤其是600 kPa以上對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響差別不大，特別是對冷凝器和泵的影響的變化趨勢幾乎為直線。因此本文下限取值為600 kPa。而在300 kPa以下的節流閥出口壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響較為顯著，隨著出口壓力的增加，再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗逐漸增加，表現突出的是對再沸器和冷卻器能耗的影響。如由圖7所示，具體變化情況如表8所示，在研究的范圍內，節流閥出口壓力對再沸器和冷卻器的能耗影響較大，分別為1264.71 kW和1249.61 kW。對塔頂冷凝器以及泵的能耗影響很小，可以忽略。

表8 節流閥出口壓力對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響變化值

2 結 語

(1)對于混合胺溶液來說，不同的胺液配比的醇胺液作為吸收劑時，對再生塔的功耗影響很大，勢必要控制DEA的含量在10%～13%(質量分數)。

(2)在確定的胺液配比的條件下，通過對貧液循環量、原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、節流閥出口壓力以及回流比對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響進行分析，得出貧液循環量是對再沸器、泵、冷凝器、冷卻器能耗的影響最大的因素，因此在要實際操作中，一定要控制貧液循環量。其次是節流閥出口壓力和再生塔回流比。