天然氣脫碳系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

柯 真,梁其奮,吳桂波

(海洋石油富島有限公司， 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥一部合成氨裝置采用日本千代田ICI-AMV工藝，以天然氣為原料，無(wú)水液氨生產(chǎn)能力為1 000 t/d[1]。該裝置自1996年10月投產(chǎn)以來(lái)，總體運(yùn)行穩(wěn)定。2016年原先采用的原料合同到期后，選擇東方1-1天然氣作為原料氣來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，并對(duì)相應(yīng)工藝及設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造。考慮到東方1-1氣田的天然氣為貧氣(CO2體積分?jǐn)?shù)為20%、N2體積分?jǐn)?shù)為16%、CH4體積分?jǐn)?shù)為60%～64%，熱值約為5 560 kJ/m3)，化肥一部新增了一套處理量為168×104m3/d(基準(zhǔn)態(tài)為20 ℃、101.325 kPa)的脫碳裝置。該裝置采用先進(jìn)的N-甲基二乙醇胺(MDEA)法[2]對(duì)天然氣進(jìn)行脫碳處理，以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)化系統(tǒng)對(duì)天然氣熱值、組分的要求。

MDEA法采用一段吸收、一段再生流程，即原料氣進(jìn)入吸收塔，富液進(jìn)入閃蒸塔和再生塔完全再生，再生后的胺液經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入吸收塔。此工藝流程簡(jiǎn)單、再生溫度低、動(dòng)力消耗小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)處理量為70 000 m3/h，CO2體積分?jǐn)?shù)小于5%。

1 存在的問(wèn)題

脫碳系統(tǒng)自2016年10月投入使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)性能考核，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，但其間也暴露出一些問(wèn)題。為使脫碳系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，逐步進(jìn)行了一些改進(jìn)措施。

1.1 脫碳?xì)獬隹跍囟雀?/h3>

由于脫碳裝置脫碳?xì)獬隹跍囟容^高(設(shè)計(jì)為36 ℃，實(shí)際最高溫度為43 ℃)，天然氣帶水情況嚴(yán)重，天然氣壓縮機(jī)前分離罐冷凝液質(zhì)量大大增加，每天約為50 kg，MDEA占其質(zhì)量的0.2%[3]。這不僅損失了系統(tǒng)的胺液，還會(huì)對(duì)后系統(tǒng)機(jī)組設(shè)備及管線(xiàn)造成一定的危害。

設(shè)計(jì)單位根據(jù)東方1-1天然氣氣源條件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)溫度為20 ℃)，未考慮海南氣候及長(zhǎng)距離管線(xiàn)輸送的影響，造成脫碳入口天然氣溫度比原設(shè)計(jì)值高，脫碳?xì)獬隹跍囟纫蚕鄳?yīng)較高。

1.2 再生塔中部升氣管變形嚴(yán)重

2018年3月，首次開(kāi)罐檢查再生塔，發(fā)現(xiàn)中部升氣管變形嚴(yán)重(見(jiàn)圖1)，原設(shè)計(jì)升氣管氣相通道寬度為150 mm，變形后最小寬度不足50 mm。

圖1 升氣管變形

打開(kāi)升氣管后發(fā)現(xiàn)焊接接頭出現(xiàn)斷裂口，尤其是升氣管底部變形損壞嚴(yán)重,見(jiàn)圖2。

圖2 升氣管斷裂

再生塔中部升氣管設(shè)計(jì)總高度為4 500 mm，生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，再生塔中部液位高度控制范圍為1 500～3 200 mm，正常值為2 500 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì),系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),實(shí)際液位最高不超過(guò)2 500 mm，且基本控制在1 500 mm，排除工藝現(xiàn)場(chǎng)操作原因。

升氣管設(shè)計(jì)材質(zhì)為2 mm厚的304不銹鋼，升氣管變形與材質(zhì)厚度偏薄導(dǎo)致強(qiáng)度不夠有關(guān)。

1.3 機(jī)械過(guò)濾器失效

2017年7月停車(chē)檢修和2018年3月大修更換濾芯時(shí)，均發(fā)現(xiàn)機(jī)械過(guò)濾器失效，其內(nèi)部濾芯端蓋發(fā)生錯(cuò)位(見(jiàn)圖3)，部分端蓋橡膠墊片被擠出(見(jiàn)圖4)，甚至有濾芯封頭濾布崩開(kāi)現(xiàn)象。

圖3 濾芯錯(cuò)位

觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)：原濾芯固定方式不穩(wěn)，在壓力高的情況下可能晃動(dòng)；濾芯端蓋與濾芯之間固定不牢靠，造成端蓋發(fā)生錯(cuò)位、橡膠墊片被擠出，導(dǎo)致過(guò)濾作用失效。

圖4 端蓋橡膠墊片被擠出

1.4 貧液泵入口管線(xiàn)振動(dòng)大

貧液泵是脫碳裝置的關(guān)鍵設(shè)備，出口流量與系統(tǒng)跳車(chē)帶聯(lián)鎖，1開(kāi)1備。2017年3月，貧液泵15P001A入口管線(xiàn)振動(dòng)大，機(jī)泵無(wú)法運(yùn)行，計(jì)劃?rùn)z修處理。但由于該泵出口切斷閥內(nèi)漏，設(shè)備無(wú)法交出檢修，故貧液泵一直處于停備狀態(tài)。

2017年7月裝置停車(chē)檢修，拆卸貧液泵15P001A入口管線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)泵體入口的2片法蘭錯(cuò)位嚴(yán)重，法蘭螺栓不能穿過(guò)法蘭螺栓孔。

該泵從2016年10月投用以來(lái)，入口管線(xiàn)就出現(xiàn)振動(dòng)，但不明顯，機(jī)泵能運(yùn)行；隨著管道受壓力和溫度的影響，原始安裝存在的應(yīng)力得以釋放，加大了管道的振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)泵無(wú)法運(yùn)行。

2 改進(jìn)措施

2.1 降低脫碳?xì)獬隹跍囟?/h3>

在原料氣換熱器15-E001與產(chǎn)品氣分離器15-F002之間安裝產(chǎn)品冷卻器15-E007(見(jiàn)圖5)，降低出口天然氣溫度，改善天然氣帶水的工況。

15-C001—吸收塔；15-E001—原料氣換熱器；15-F001—閃蒸氣吸收塔；15-F002—產(chǎn)品氣分離器；15-E007—產(chǎn)品冷卻器。

2.2 改進(jìn)再生塔中部升氣管結(jié)構(gòu)

2018年3月進(jìn)行大修期間，發(fā)現(xiàn)再生塔中部升氣管變形、斷裂，立即聯(lián)系原供貨單位。被告知加厚鋼板壁的方案需1個(gè)月的供貨期，故在時(shí)間上不能滿(mǎn)足大修要求。

供貨單位現(xiàn)貨鋼板厚度為2 mm，與原鋼板壁厚一樣。通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元分析，建立仿真模擬，對(duì)再生塔升氣管工況進(jìn)行重新計(jì)算，決定在再生塔中部升氣管氣相通道側(cè)添加支撐筋板，即每一節(jié)升氣管加3根角鋼(40 mm×3 mm)支撐以提高升氣管的強(qiáng)度(見(jiàn)圖6)。為了保證焊接質(zhì)量，升氣管節(jié)與節(jié)之間采用手工氬弧焊。同時(shí),為了檢修方便，在升氣管底盤(pán)處增加一個(gè)可拆卸方形人孔。

2.3 機(jī)械過(guò)濾器安裝改進(jìn)

針對(duì)檢修情況對(duì)機(jī)械過(guò)濾器濾芯固定方式進(jìn)

圖6 新設(shè)計(jì)的升氣管

行了改進(jìn)：通過(guò)車(chē)床加工，減少端蓋厚度2 mm，以增加端蓋插入濾芯的深度，防止端蓋與濾芯脫開(kāi)；在端蓋與壓板之間增加1個(gè)固定螺母，加強(qiáng)端蓋與濾芯的固定強(qiáng)度(見(jiàn)圖7)。

圖7 濾芯固定結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.4 改進(jìn)貧液泵15P001A入口管線(xiàn)振動(dòng)

針對(duì)檢修情況對(duì)貧液泵15P001A入口管線(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)[4]：拆除貧液泵15P001A入出口相連管線(xiàn)及保溫層；切割泵入出口及相關(guān)影響泵法蘭連接的其他管口，使貧液泵及相關(guān)管線(xiàn)處于自由狀態(tài)；檢查連接法蘭并找正，檢查、調(diào)整各地腳螺栓使之受力均勻；根據(jù)泵相關(guān)管線(xiàn)各管道支撐的受力情況，調(diào)整泵進(jìn)口及相關(guān)管線(xiàn)的焊接位置，在找平找正的過(guò)程中，減小泵入出口與泵相關(guān)管線(xiàn)之間的空間偏差，使泵入出口及相關(guān)影響法蘭連接的其他管口在自由、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下組對(duì)焊接，消除此前運(yùn)行中的振動(dòng)。調(diào)整各泵相關(guān)管道支撐架后，經(jīng)檢驗(yàn):各管道支撐受力均勻，法蘭螺栓不需借助外力均可自由穿入；法蘭緊固過(guò)程中，泵體百分表監(jiān)控結(jié)果合格，泵體及相關(guān)管線(xiàn)受力狀態(tài)符合要求。

3 改造效果

(1) 安裝產(chǎn)品冷卻器15-E007后，MDEA脫碳?xì)獬隹谄骄鶞囟容^安裝前下降了5.2 K，且最高溫度只有34.3 ℃，受環(huán)境溫度影響的波動(dòng)較小，但受循環(huán)冷卻水溫度的影響較大(見(jiàn)表1)。同時(shí)，由于安裝了產(chǎn)品冷卻器15-E007,原脫碳出口排水導(dǎo)淋帶水量變少。

表1 脫碳出口天然氣溫度數(shù)據(jù)表 ℃

15-F002分離器底部液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度由大修前平均28.8%增加到43.2%(同時(shí)期對(duì)比,見(jiàn)表2)，說(shuō)明15-F002分離器可使分離水量增加，相應(yīng)的出口氣帶水量減少。

表2 脫碳15-F002分離器液位控制閥開(kāi)度 %

(2) 再生塔中部升氣管共有16個(gè)，因其中2個(gè)變形不嚴(yán)重更換了另外14個(gè)。2020年6月大修，打開(kāi)設(shè)備發(fā)現(xiàn)升氣管未變形。在實(shí)際生產(chǎn)中提升了再生塔運(yùn)行效率，提高了溶液再生度，貧液中CO2殘余量減少了20%，降低了貧液腐蝕性，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的安全性產(chǎn)生了積極的影響。

(3) 2019年1月更換機(jī)械過(guò)濾器濾芯時(shí)，未發(fā)現(xiàn)濾芯端蓋發(fā)生錯(cuò)位、橡膠墊片被擠出的現(xiàn)象，從根本上解決了機(jī)械過(guò)濾器失效的問(wèn)題。

(4) 有效降低了貧液泵15P001A入口管線(xiàn)的振動(dòng)，為裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)打下了良好基礎(chǔ)，也為其他同類(lèi)型設(shè)備的管理提供了參考。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前脫碳系統(tǒng)改進(jìn)所采取的措施，很大程度上改善了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，但仍存在貧液式換熱器結(jié)垢嚴(yán)重、循環(huán)水過(guò)濾器堵塞、胺液污染等問(wèn)題，值得進(jìn)一步關(guān)注。