天然氣凈化裝置長周期運行對策分析

周斯雅 李 濤 劉文祝 雷 宇 楊子海

中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川中油氣礦, 四川 遂寧 629000

0 前言

天然氣凈化裝置屬于易燃易爆、高溫高壓、有毒有害生產場所,設備及管線長期處于酸性服役環境且受上游氣質、供水供電穩定性等影響,易出現設備及管線腐蝕穿孔、脫硫溶液污染、過濾設備堵塞、換熱設備結垢效率低等問題[1-3],可能造成裝置非計劃停產、凈化氣不達標,降低了平穩運行率,影響了裝置處理量。因裝置需連續生產運行,部分問題必須依靠裝置檢修期間處理,對設備設施、安全附件、管線等，進行檢查、清洗、改造、部分更換與測試,確保裝置在下個檢修周期平穩運行。現階段中國石油川渝兩地凈化裝置一般多采用“一年一修”的檢修模式,近年來也積極響應、貫徹、落實天然氣凈化裝置低成本高質量發展要求,逐步探索與嘗試“三年兩修、兩年一修”或者更長檢修周期的凈化裝置長周期運行模式,其中13座在運天然氣凈化廠中有5座實現過“兩年一修”的檢修周期。同時天然氣凈化廠具有組織機構健全、人才隊伍專業、管理標準統一、工藝技術完善、設備設施完整、信息系統先進等特點,裝置安全環保受控、生產運行平穩,為探索天然氣凈化裝置長周期運行模式提供先決條件與有力保障。

本文將對川渝兩地13座在運天然氣凈化廠和30套天然氣凈化裝置從關鍵因素、管理保障措施等方面進行深入分析,深挖問題根源,提出針對性舉措,為推進天然氣凈化裝置長周期運行提供借鑒,進一步實現天然氣凈化裝置低成本高質量發展。

1 關鍵因素與對策

1.1 依法合規是長周期運行的基礎

天然氣凈化裝置中特種設備、電氣儀表種類多且復雜,依據國家相關法律法規,應定期開展特種設備(含安全閥等附件)檢驗、電氣設備預防性試驗、儀器儀表校驗的工作,確保設備使用的依法合規[4-8]。裝置主要設備強制檢驗、試驗、校驗周期見表1。

表1 裝置主要設備強制檢驗、試驗、校驗周期表

1.1.1 壓力容器檢驗

對標TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》、TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》,天然氣凈化裝置在運的壓力容器等級主要為1、2、3、4級,滿足2～3年一修的運行條件;而鍋爐一般都有備用且2年內檢1次。對評定為4級的監護設備需進行監控使用且及時更換,累計監控使用時間不得超過3年。

1.1.2 安全閥校驗

按照TSG ZF001—2006《安全閥安全技術監察規程》,安全閥一般每年至少校驗1次。要滿足長周期運行條件,需要對部分凈化廠的安全閥增加前截止閥或增加后截止閥,實現在線校驗及檢修。

1.1.3 電氣設備預防性試驗

按照DL/T 596—2005《電力設備預防性試驗規程》,電氣預防性試驗一般1～3年進行1次。建議對部分天然氣凈化廠進行雙電源、單母線分段及供電設備改造,實現分段預防性試驗。

1.2 原料氣氣質是長周期運行的前提

原料氣夾帶雜質進入裝置,尤其是上游清管、氣量調整、新開井等操作,易造成脫硫系統發泡攔液、預處理分離器堵塞、脫硫溶液污染、產品氣不合格等,甚至需停產更換溶液。

1.2.1 影響因素

原料氣夾帶雜質進入裝置影響因素主要有：原料氣夾帶氣田水、緩蝕劑以及濕氣輸送的飽和水;新開井的入井液隨氣帶入;原料氣夾帶腐蝕產物、井下污物。夾帶緩蝕劑對裝置的影響見圖1。

圖1 夾帶緩蝕劑對裝置的影響照片Fig.1 Influence of entrained inhibitor on equipment

1.2.2 對策措施

可采用在集氣站增加脫水裝置,實現干氣輸送;在天然氣凈化裝置前增加高效過濾分離器、段塞流捕集器,減少氣田水夾帶;制定新井投產方案,采取科學合理的分離和消泡措施,重點關注帶液量變化或發泡情況,減少液體夾帶;強化上下游一體化,針對清管、調產、開關井等操作,建立統一協調、聯動機制,明確專人現場負責。井站氣液分離設備見圖2。

圖2 井站氣液分離設備照片Fig.2 Gas-liquid separation equipment of well station

1.3 供水供電是長周期運行的保障

供水供電穩定性和可靠性不夠,導致天然氣凈化裝置電壓波動或停電、供水量不足或水質不合格[9]。

1.3.1 影響因素

供水供電對天然氣凈化裝置的影響因素主要有：供電等級低、電壓波動;供水設備設施和管道失效、水質超標。

1.3.2 對策措施

采用雙電源供電,提高供電等級;增加快速切換裝置;利用全線避雷、抗晃電技術、電力質量在線監測等新技術;密切跟蹤原水水質濁度、懸浮物、細菌等指標變化,及時調整水質處理工藝,確保水質質量達標;應用漏磁檢測、無人機巡管、設備在線監測等技術,保障供水管道和轉水泵等設備完好。

1.4 兩劑質量是長周期運行的核心

脫硫溶劑因雜質、降解造成質量降低,導致發泡攔液、換熱效率下降、產品氣不合格等;催化劑因失活、粉化造成質量降低,導致硫回收率下降、尾氣排放超標、反應器床層堵塞等。

1.4.1 影響因素

催化劑和溶劑(以下簡稱兩劑)質量對天然氣凈化裝置的影響因素主要有：溶劑摻入天然氣凈化裝置運行的腐蝕產物、活性炭粉末等雜質;溶劑熱降解和氧化降解產生熱穩定鹽;催化劑因長期高溫運行,導致失活、粉化。兩劑質量對裝置的影響見圖3。

a)貧富液換熱器積渣a)Slagging of poor-rich liquid heat exchanger

b)催化劑積碳b)Carbon deposition of catalyst圖3 兩劑質量對裝置的影響照片Fig.3 Influence of catalyst and solvent quality on the equipment

1.4.2 對策措施

增加原料氣水洗裝置,減少原料氣中固體和液體夾帶;增加及充分利用溶液在線過濾和SSU溶液復活裝置;溶液儲罐利用氮氣密封保護;定期開展溶液熱穩定性鹽、醇胺溶液起泡趨勢、致泡物質含量等性能分析與評價;催化劑比表面積、孔結構、活性評價等性能分析與評價,指導兩劑補充或更換;依據各轉換器溫度、尾氣排放組分含量,充分應用回收單元H2S/SO2在線分析設備,精準輔助調節配風。新增SSU溶液復活系統見圖4。

1.5 系統水質控制是長周期運行的重點

鍋爐水、凝結水與循環水的水質超標,造成設備及管線結垢、腐蝕,導致設備換熱效率降低、管束竄漏或堵塞[10-11]。

圖4 新增SSU溶液復活系統照片Fig.4 New SSU solution reactivation system

1.5.1 影響因素

系統水質對天然氣凈化裝置的影響因素主要有：鍋爐水、凝結水水質超標;循環水水質超標。系統水質對裝置的影響見圖5。

a)凝結水閥門穿孔a)Perforation of condensate valve

b)后冷器管束結垢b)Encrustation of back cooler bundle圖5 系統水質對裝置的影響照片Fig.5 Influence of system water quality on the equipment

1.5.2 對策措施

加強系統水質跟蹤分析,做好過濾、加藥、除鹽除氧和排污等操作,嚴格控制濁度、pH、溶解氧、電導率等指標;凝結水設備及管線材質升級,增加抗腐蝕性能;增加凝結水除氧工藝;開展超聲波疏水閥性能檢測;選用配伍性好的循環水緩蝕阻垢、殺菌滅藻藥劑,應用EST電解水處理技術等,提高循環水過濾、除垢、殺菌等效果。

1.6 儀表系統穩定是長周期運行的關鍵

天然氣凈化裝置儀表系統自動化程度高,經常出現儀器儀表檢測失真,聯鎖、控制系統故障,造成自動控制失效或裝置聯鎖。

1.6.1 影響因素

儀表系統對天然氣凈化裝置的影響因素主要有：卡件損壞、程序故障、通訊中斷、電腦病毒;現場儀表檢測失真或設備故障。

1.6.2 對策措施

定期開展儀表系統測試和分析診斷,規范DCS、SIS、FGS等控制系統的巡檢、操作與維護管理;定期開展儀表檢定、校驗和標定,應用PST行程測試技術,實現調節閥、聯鎖閥等在線調試;開展SIL安全完整性分析,確保儀表系統可靠性;應用工業控制完整性管理系統,對DCS運行狀態實時監控,實現通信及硬件故障預警;完善儀表信息安全防護系統。

1.7 腐蝕預防是長周期運行的瓶頸

天然氣凈化裝置壓力容器及管線介質高溫高壓、易燃易爆且有毒有害,經常因氧腐蝕、酸腐蝕、電化學腐蝕等原因發生泄漏和失效,導致裝置緊急停產[12]。

1.7.1 影響因素

腐蝕對天然氣凈化裝置的影響因素主要有：氧腐蝕、酸腐蝕、電化學腐蝕;水擊、介質及所含固體顆粒的沖刷腐蝕;設備、材料及焊接的質量缺陷。

1.7.2 對策措施

對貧富液換熱器、酸氣管線、富液管線、凝結水回水管線等易腐蝕設備及管線，進行材質升級或應用內防腐涂層技術[13-14];應用超聲波和在線腐蝕監測技術,開展定期跟蹤測厚和檢測檢驗;開展RBI風險評價分析,加強設備完整性管理;充分運用快速捆扎堵漏、機械堵漏、焊補堵漏、金屬粘補堵漏等帶壓堵漏技術。腐蝕預防對策措施見圖6。

a)內防腐涂層a)Internal anticorrosion coating

b)腐蝕點帶壓堵漏b)Leak stoppage under pressure of corrosion spot圖6 腐蝕預防對策措施照片Fig.6 Preventive measures against corrosion

2 管理保障措施

通過對依法合規、原料氣氣質、供水供電、兩劑質量、系統水質控制、儀表系統穩定、腐蝕預防等關鍵因素分析，制定科學合理對策措施,同時還需建立配套完善的管理措施和長效機制,助推天然氣凈化裝置實現長周期運行。

2.1 完善機制,提高效率

2.1.1 開展裝置系統性風險評估

利用HAZOP[15]、SIL、RBI[16-17]、RCM[18]等工具方法，對工藝、設備、儀表、電氣運行狀況進行風險分析與評價,評估裝置存在問題及隱患對生產運行的影響程度,作為調整檢修的依據與指南。2013年至今,在運行一半天然氣凈化廠已成功運用風險分析與評價,推遲天然氣凈化裝置檢修周期,同時實現檢修周期推遲期間的平穩運行。

2.1.2 調整成本費用

對于非檢修年度,因天然氣凈化裝置連續運行增加的日常運行維護、裝置能耗、備品備件、生產現場管理提升等費用,需調整生產單位生產成本。建立長周期運行激勵機制,對于實現長周期平穩運行的生產單位,結合天然氣凈化裝置檢修、臨停次數、質量安全環保等情況實行專項獎勵。

2.1.3 推行上下游聯動模式

上游清管、調產、開井等操作,通過工作聯絡單及時告知下游天然氣凈化廠做好應對操作;下游天然氣凈化裝置發現氣質異常、緊急停產等情況,及時告知上游作業區積極排查和響應配合。樹立大開發理念,全面推行上下游一體化管理。

“他們三個大仙兒，”克里斯蒂娜依次指了指皮特、德魯和莫莉，“實際上，白娘胎里爬出來就整天湊在一起。我特別討厭他們。”

2.2 技術革新,科技創效

2.2.1 兩劑研發

一是新型脫硫溶劑,應用空間位阻胺脫硫配方溶劑[19](如CT8-26)和高效有機硫脫除溶劑(如CT8-24B),降低CO2共吸率，提高有機硫脫除,提高天然氣商品氣率與質量；二是新型催化劑,應用尾氣低溫加氫催化劑[20](如CT6-11),降低反應器入口溫度要求,促進加氫水解。尾氣低溫加氫催化劑見圖7。

圖7 尾氣低溫加氫催化劑照片Fig.7 The low temperature and hydrogenation of tail gas catalyst

2.2.2 涂層應用

應用高分子陶瓷金屬涂層,內涂換熱設備花板、內浮頭蓋,液硫儲罐上部氣相空間等,降低脫硫溶液、循環水水質、酸性環境等引起的腐蝕和沖蝕,提高設備抗腐蝕能力,確保設備本質安全。高分子陶瓷金屬涂層見圖8。

圖8 高分子陶瓷金屬涂層照片Fig.8 The coating of polymer ceramic metal

2.2.3 新材料應用

一是超級不銹鋼,適用于強酸性介質接觸的設備及管線,已應用于康索夫尾氣處理裝置的電除霧器、文丘里組合塔和中和儲罐等部位；二是“316+碳鋼”復合鋼板,適用于高H2S、高CO2腐蝕環境的設備及管線,已應用于部分天然氣凈化廠再生塔。

2.2.4 檢測技術

圖9 低頻導波照片Fig.9 Low frequency guided wave

2.3 兩化融合,管理提升

以“裝置安全高效運行、產品氣質量合格、三廢排放達標”為準則,實施兩化融合,建設“全面感知、自動操控、智能預測、輔助決策”的智能工廠。

2.3.1 物聯網和數字化管理平臺建設

應用物聯網技術,數據實時采集和存儲,推行智能巡檢平臺、機器人巡檢,實現辦公無紙化、數字化。

2.3.2 應用系統拓展與整合

應用設備在線監測系統,推行關鍵設備預防性維護管理,確保設備本質安全;應用三維數字化模擬與智能定位技術,模擬事故推演,提升應急救援能力;應用 AR/VR 虛擬培訓,實現操作在線智能輔助,前后方遠程協作;應用大數據與機器學習等技術,建立智能預警模式,實現安全管理關口前移等。

2.3.3 大數據管理平臺

整合信息化系統,推進系統融合、信息共享,實現智能工廠。

2.4 油公司模式，轉型升級

深化油公司改革,對標國際一流油公司,以質量效益為目標,堅持“業務歸核化、管理扁平化、職能精干化”改革方向,全面推動企業轉型升級。

2.4.1 業務歸核化

剝離非主營業務和低端低效業務,對天然氣凈化裝置關鍵設備設施的維護維修和生產輔助設施運維管理實行業務外包;對后勤服務、生產輔助服務等實行第三方用工機制。

2.4.2 管理扁平化

精簡管理層級,取消工段級,實現廠—班組兩級管理模式,落實靠前指揮,提高工作效率,管理重心前移。

2.4.3 職能精干化

推行“大崗位、大工種”管理模式,打破操作崗位工種多樣化限制,倡導一崗多能,強化員工技能培訓和素質提升,培養核心技能崗位的人才隊伍。

3 結論

為確保天然氣凈化裝置長周期平穩運行,應重點關注依法合規、原料氣氣質、供水供電、兩劑質量、系統水質控制、儀表系統穩定、腐蝕預防等關鍵因素,充分應用四新技術、信息化技術,建立配套完善的管理措施和長效機制,全面提升人員素質能力,通過設計、制造、施工、運行、維護、管理、操作等方面的適應性改造與優化提升,全面實現凈化裝置長周期運行目標,扎實推進提質增效專項行動,貫徹落實低成本高質量發展要求。