天然氣處理裝置脫水系統再生效果異常研究

高文輝(中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519000)

1 脫水系統工藝流程介紹

某天然氣處理裝置中脫水系統設計處理能力為33×108m3/a，設置兩臺分子篩干燥器，主要是利用球型4A分子篩填料去除脫碳單元出口天然氣中的水分，以保證天然氣在進入下游制冷單元時的水露點滿足設計要求(≤1 mg/L)，天然氣在深冷單元降溫后不會發生凍堵。脫水單元分子篩再生(12 h置換一次，再生時間6 h，冷吹時間5.5 h，補時等待0.5 h)則是通過等壓加熱的方法再生出分子篩所吸附的水分[1]。再生氣經再生氣壓縮機增壓，再經再生氣換熱器、再生氣加熱器加熱到290 ℃進分子篩干燥器，將分子篩吸附的水分帶出。再生氣加熱采用導熱油，該天然氣處理裝置設有4臺導熱油爐，三用一備，出爐設計溫度是330 ℃。

2 脫水系統再生效果異常描述

該天然氣處理裝置自投產以來，脫水系統運行狀況良好，出口水露點均能滿足設計要求。在投產第四年運行過程中發現，分子篩再生出口溫度達不到工藝設計要求，設計分子篩干燥器再生入口溫度290 ℃，進出口溫差<10 ℃，實際脫水單元分子篩的再生入口只能達到280 ℃，出口溫度只能達到270 ℃，再生時間遠超工藝設計的6 h。脫水系統分子篩再生溫度下降，由280 ℃下降至270 ℃左右，并仍有緩慢下降的趨勢。再生溫度不達標導致分子篩再生不合格，分子篩出口水露點不合格，進而導致天然氣處理量下降，嚴重時甚至造成下游制冷單元凍堵，液態產品回收率降低。長期處于凍堵狀態，需注入大量甲醇解堵，生產成本上升。一旦注入甲醇無法短時間解堵，需停運制冷單元，對系統泄壓自然升溫解堵，造成天然氣產量損失，設備運行時率下降。為了保證脫水系統正常運行及出口水露點合格，需要臨時降低脫水系統處理量。

由于脫水系統剛更換分子篩不足一年，因分子篩更換效果不佳造成再生效果下降的可能性較小，因此判斷是脫水系統再生工藝流程上出現問題。

3 原因分析

在工藝系統流程未進行任何調整的情況下，脫水系統出現分子篩再生溫度偏低的問題，可以分析判斷應是再生加熱流程本身出現偏差。通過對再生氣加熱器導熱油進出口流程進行檢查，發現導熱油通過量不受影響；對再生氣加熱器導熱油流程進行內漏測試，未發現有內漏情況，初步懷疑可能造成再生溫度下降的原因如表1所示。

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3.1 分子篩再生時間不足

分子篩再生時間作為影響分子篩再生效果的一個重要因素，如果再生時間不足，則可能造成分子篩沒有徹底再生，造成分子篩吸附能力下降并影響下一次分子篩再生效果。為了驗證是否由該原因造成，通過逐步延長分子篩再生時間，觀察再生效果及分子篩再生溫度。在實際測試中發現，再生時間從10 h延長至13 h，再生溫度沒有顯著提升，即證明再生時間不足不是由于再生溫度造成的影響。

3.2 提高熱媒爐出爐溫度及流量

再生氣加熱的熱源來自導熱油，如果導熱油溫度不足或流量不足，同樣會影響分子篩再生效果。為驗證這一可能性，調整錯開兩套脫水單元的分子篩再生時間，提升熱媒爐出口溫度和流量，觀察發現再生溫度有提高，但效果不明顯，排除再生溫度及再生氣量影響的可能性。

3.3 降低再生氣量至設計值

觀察到分子篩再生氣量在4.0×104～4.4×104m3/h范圍波動，為流量計的最大計量值，較設計的再生氣量大(3.11×104m3/h)。再生氣量遠遠超過設計量，超出再生氣加熱器的換熱負荷，導致同等供熱負荷條件下，再生氣溫度無法提升。根據系統運行情況，將再生氣流量按0.2×104m3的梯度逐步調整至再生氣壓縮機的設計流量3.11×104m3/h。通過多個周期的觀察與數據統計分析，經過降低再生氣流量的操作，分子篩在熱吹11 h的情況下，再生出口溫度上升至275.8 ℃。分子篩再生出口溫度較之前提升了5 ℃，輕微改善了分子篩的再生效果。

3.4 再生氣加熱器效果變差

脫水單元再生氣加熱器為管殼式換熱器，殼體為圓筒形，內部裝有管束。再生氣加熱器管程為導熱油，殼程為天然氣[2]。在脫水系統再生效果出現問題期間，終端其他導熱油設備運轉良好，加熱正常。由于導熱油系統正常，影響再生氣加熱器與換熱器效果變差的原因，初步懷疑可能是再生氣換熱器或再生氣加熱器天然氣側存在異物結垢，造成換熱效率降低。為了進一步驗證是否由于結垢造成影響，對脫水再生流程附件進行拆檢觀察內窺，確定是否存在結垢。通過查閱設計資料，該陸岸處理終端在設計之初上岸組分中不含硫化氫，但實際生產過程中，終端上岸組分中含有硫化氫，在脫碳系統、脫水系統中均檢測到有硫化氫的存在。硫化氫在高溫、有水的情況下可能與鐵等發生反應生成硫化物，減小換熱器的有效換熱面積，進而影響分子篩的再生溫度[3]。

4 解決方案

針對脫水系統加熱器臟堵的問題，擬采取兩種方式進行：

(1)對加熱器進行清洗；

(2)對加熱器整體更換。

4.1 再生氣加熱器清洗

通過對再生氣加熱器進行化學清洗，力圖恢復再生氣加熱器換熱效果。再生氣加熱器計劃進行抽芯清洗，但在拆卸封頭螺栓時因銹蝕無法拆卸封頭進行抽芯清洗，僅對再生氣加熱器進行內部循環化學清洗。由于循環量較小，無法確保盤管外壁污垢全部剝離出來。清洗完成后對脫水系統再生效果進行測試，在相同熱吹時間的情況下清洗前后再生終點溫度變化不大，由272 ℃上升至278 ℃，清洗效果觀察不明顯。

4.2 再生氣加熱器更換

通過對再生氣加熱器內窺結果及清洗效果可以看出，影響脫水系統再生效果的主要原因為盤管異物結垢。但由于受設備影響，無法將盤管拆出清洗，在內部進行化學清洗時藥劑循環量無法得到有效保證。綜上所述，在清洗效果不佳的情況下，為了改善脫水系統再生效果，對再生氣加熱器進行整體更換。

5 效果驗證

按照上述方案在檢修期間對再生氣加熱器進行更換。設備更換后，在系統運行工況不變的情況下，脫水系統再生效果有明顯提升，再生終點溫度由282 ℃上升至301 ℃，同時脫水系統出口水露點也滿足設計要求小于1 mg/L，具體效果如表2所示。

表2 再生氣加熱器更換的效果

由上表可以看出再生氣加熱器更換后加熱器出口溫度由286 ℃升至304.7 ℃，分子篩再生入口溫度由282 ℃升至301.2 ℃，分子篩再生出口溫度由274.2 ℃升至289.9 ℃，分子篩再生熱吹時間由之前的11 h降至6.5 h的情況下。加熱器出口溫度及再生溫度明顯提升，更換后效果顯著。

6 結語

通過對脫水系統整體研究和分子篩再生流程異常問題的原因分析，結合工藝系統實際入口天然氣組分與設計的區別，對可能影響因素進行逐一排查，找出影響脫水系統再生效果的主要因素：由于上岸組分與ODP中存在偏差，導致在終端生產工藝流程中出現硫化氫及含硫化合物，并在脫水系統再生氣加熱器盤管上形成臟堵物。對解決該問題提出的相應解決方案進行對比，從實際效果、現場實施的難度上綜合分析考慮，采用更換再生氣換熱器的方案，為降低作業成本，可訂購新的管束進行更換。更換后在工藝流程沒有發生變化的前提下，再生效果明顯提升，直接解決了分子篩可能再生不合格的問題，同時避免了由于分子篩再生不合格造成減產帶來的產量經濟損失，保證了脫水系統下游制冷系統不會產生凍堵，避免了由于對制冷系統解堵或設備檢修造成的經濟損失。為提升脫水系統分子篩再生效果，確保工藝系統安全平穩運行提供了有力的保障。