TEG脫水工藝在凝析氣田集氣站的應用

湯國軍 李牧松 周 軍 劉 棋 程 林 黃文峰 許 言

1.中國石油工程建設有限公司西南分公司,四川 成都 610041;2. 中國石油工程建設有限公司,北京 100120;3. 中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠,重慶 401259

0 前言

若凝析氣或油田伴生氣在輸送過程中形成水合物和析出液體,則可能造成管線凍堵、腐蝕等問題,如氣體中含有硫化氫,析出的酸性液體可能腐蝕管線,因此通常需要對凝析氣或油田伴生氣進行脫水以滿足干氣輸送的要求[1]。中國有很多油氣田產生凝析氣或油田伴生氣(比如塔里木油田、長慶油田、大慶油田等)，以往油氣田產生的凝析氣或油田伴生氣與常規天然氣相比,除烴含量稍高外,其他方面并無太大差異[2]。但隨著國家對天然氣開采力度的加大,近年來中國也逐漸開采了一些含硫化氫、重烴、高溫、高壓的凝析氣或油田伴生氣[3-5],因此有必要加強對凝析氣田三甘醇(TEG)脫水工藝的研究。本文以國外某凝析氣田集氣站為例介紹了含硫化氫、重烴,高溫、高壓的凝析氣TEG脫水裝置的設計和運行特點,分析了存在的問題,并提出了有效的優化措施,可為類似凝析氣田集氣站TEG脫水裝置的建設提供借鑒。

1 工藝流程及參數

TEG脫水工藝具有流程簡單、可獲得較大露點降、熱穩定性好、易于再生、損失小、投資和操作費用省等優點[6]。TEG溶液再生時使用汽提氣,以提高脫水深度、節約能耗,可滿足產品天然氣對不同水露點的要求。國外某凝析氣田集氣站設計原料氣處理量為600×104Nm3/d(Nm3為標方,標準狀態在0 ℃,101.325 kPa,下同),原料氣溫度30～52 ℃,操作壓力10.8 MPa，原料氣組分見表1。經過方案比選[7-8],該氣田選用TEG脫水工藝。

表1 原料氣組分表Tab.1 Components of raw gas

1.1 工藝流程

TEG脫水裝置采用質量分數約99.5%的TEG作脫水劑,可脫除原料氣中絕大部分飽和水,經TEG吸收塔脫水后的干天然氣進入外輸管線(滿足在出站壓力條件下水露點≤-5 ℃)。吸水后的TEG富液采用常壓火管式重沸器加熱再生,熱TEG貧液經換熱、加壓、冷卻后返回TEG吸收塔,循環使用。TEG富液再生過程產生的廢氣主要為水蒸氣,同時含有少量的硫化氫、二氧化碳、烴類氣體,通過廢氣灼燒爐灼燒后的廢氣排入大氣,排放廢氣滿足當地大氣污染物排放標準[9]。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 The process flow diagram

1.2 主要工藝參數及設備參數

1.2.1 主要工藝參數

國外某凝析氣田集氣站為了滿足干氣輸送的需要,避免在管道輸送過程中有凝液析出,要求干氣實際水露點溫度低于出站壓力條件下的水露點5 ℃(即冬季0 ℃,夏季5 ℃),溶液循環量為10 m3/h,主要工藝參數見表2。

表2 主要工藝參數表Tab.2 Main process parameters

1.2.2 主要設備參數

TEG脫水工藝的主要設備有吸收塔、重沸器、TEG閃蒸罐等,主要設備參數見表3。

2 裝置運行情況、存在問題及原因分析

2.1 裝置運行情況

國外某凝析氣田集氣站TEG脫水裝置自2019年投產以來,總體運行平穩,已累積處理含硫原料天然氣59.4×108Nm3,主要運行參數見表4。

表3 主要設備參數表Tab.3 Main equipment parameters

表4 主要運行參數表Tab.4 Main operation parameters

2.2 存在問題及原因分析

TEG脫水裝置在初期試運行過程中整體較為平穩,但由于重烴溶解到TEG溶液中引發了一些問題[10-12]。

2.2.1 TEG溶液循環泵振動

TEG溶液系統在脫水過程中夾帶大量烴液,TEG和烴液混合物在經過TEG溶液循環泵入口時由于壓力降低,部分烴液汽化,導致TEG溶液循環泵泵頭運行時柱塞腔內的TEG溶液夾雜氣體,產生氣液混輸現象,進而影響TEG溶液循環泵正常工作,在出、入口管線和泵頭上產生較大振動。經現場檢測,TEG溶液循環泵出、入口管線和泵頭前、后端的振動值均較大,分別達到9.8 mm/s、4.8 mm/s、4.6 mm/s和4.9 mm/s,TEG溶液循環泵入口管線振動值最高達到31.8 mm/s,振動值檢測見圖2。TEG溶液循環泵的振動會加大泵內易損件損耗,引發管路移位,情況嚴重時會導致固定件脫落,造成柱塞頂缸等設備事故。

2.2.2 TEG溶液過濾器頻繁堵塞

由于原料氣帶入的烴類和雜質較多,TEG溶液會將原料氣中的烴類和雜質溶解或洗滌下來,原料氣帶入的重烴對TEG溶液系統影響較大,極易造成濾芯堵塞。TEG溶液過濾器濾芯更換頻繁,約10 d需要更換1次濾芯。

2.2.3 廢氣灼燒爐振動及超溫

由于TEG再生后的廢氣中含有大量的凝析油與水,大量凝析油與水隨再生時的汽提氣進入廢氣灼燒爐,造成廢氣灼燒爐內燃燒不充分、冒黑煙甚至產生火焰,見圖3,同時造成廢氣灼燒爐振動甚至爐內耐火材料脫落;爐膛內燃燒溫度達到850～900 ℃,遠高于設計溫度600 ℃,造成廢氣灼燒爐超溫,溫度計容易損壞;再生時產生的廢氣氣量大、流速高，產生較大噪音。

圖3 廢氣灼燒爐運行情況照片Fig.3 Photo of tail gas incinerator in operation

3 優化措施

為保障TEG脫水裝置在處理含重烴的原料氣時能平穩、安全運行,根據含重烴原料氣氣質特點及類似工程的運行經驗[13-15],提出以下優化措施。

3.1 TEG溶液循環泵振動優化措施

重烴進入TEG溶液系統后,隨TEG貧液進入TEG溶液循環泵，在泵入口及泵體中析出,造成TEG溶液循環泵振動、運行不穩定,影響TEG溶液循環泵的長周期安全運行。建議在TEG溶液循環泵入口設置緩沖罐或管道阻尼器,若TEG脫水裝置處理的原料氣中重烴含量特別多(質量分數≥0.5%),則應在泵入口設置一定容積的緩沖罐,若原料氣中重烴含量較少則可設置管道阻尼器。同時為避免由于TEG溶液循環泵入口溫度高引起的振動,應對泵入口介質進行冷卻。為便于調節溶液循環量和避免啟泵時負荷大對供電系統沖擊大,建議TEG溶液循環泵采用變頻泵[16]。

3.2 TEG溶液過濾器頻繁堵塞優化措施

將TEG溶液的前過濾器濾芯精度由50 μm更換為100 μm,TEG溶液的后過濾器濾芯精度由25 μm更換為50 μm。同時建議在TEG富液進入重沸器之前設置三相分離器,將溶解到TEG溶液中的重烴進行有效分離。

3.3 廢氣灼燒爐振動及超溫優化措施

若無液滴進入廢氣灼燒爐就不會造成爐內的爆燃或液體膨脹汽化,因此建議在廢氣灼燒爐入口增加烴液分離罐,烴液分液罐內部設置高效分離元件,對100 μm烴液滴捕集效率≥99%,減少進入廢氣灼燒爐的重烴液滴,降低廢氣的熱值,可緩解爐內燃燒不穩定、頻繁低頻振動的問題。同時在烴液分離罐出口管線增加電伴熱(中高溫型),伴熱溫度為可調,避免進焚燒爐前有液體冷凝。

除以上措施外，還可在TEG脫水裝置入口增設原料氣重力分離器、原料氣聚結器，在TEG重沸器后增加再生氣冷凝器等[17-18],降低原料氣帶入的雜質及烴含量。

4 實際應用效果

應用部分上述優化措施對國外某凝析氣田集氣站原TEG脫水工藝進行優化[19-20],并對部分優化措施進行了模擬計算,結果表明應用效果良好。

4.1 TEG溶液循環泵振動問題優化措施應用

在TEG溶液循環泵的出、入口增設了管道阻尼器,同時將泵入口管線從DN80擴徑到DN150，系統容積增加(受空間限制,無法增加緩沖罐),優化后TEG溶液循環泵的入口振動大大減小。

4.2 TEG溶液過濾器頻繁堵塞措施應用

將TEG溶液過濾器濾芯精度降低后,濾芯更換頻率由1次/10 d降低到1次/60～90 d,更換頻率大大降低。

在TEG富液進入重沸器前設置三相分離器，提高了撇油頻率,使溶液中的含油量大大降低,效果明顯。

4.3 廢氣灼燒爐振動及超溫優化措施應用

在廢氣灼燒爐增加烴液分液罐,同時將烴液分離罐出口管線增加電伴熱(中高溫型)后,進入廢氣灼燒爐的液滴減少,廢氣灼燒爐振動減小,優化效果較好。對在TEG重沸器頂部增加冷卻器進行了模擬計算[21-22],優化前后模擬計算結果對比見表5。

表5 含重烴原料氣TEG脫水優化前后模擬計算結果對比表Tab.5 Comparison before and after TEG dehydration optimization based on simulation for heavy hydrocarbon-containing raw gas

5 結論與建議

本文結合含重烴的凝析氣或油田伴生氣氣質特點對實際生產過程存在的問題進行了深入分析研究,提出了有效的優化措施。

1)為避免溶解于TEG中的重烴在TEG循環泵中析出影響泵的穩定運行,建議在TEG循環泵入口設置緩沖罐或管道阻尼器,若原料氣中重烴特別多(質量分數≥0.5%)建議設置緩沖罐,重烴較少則設置管道阻尼器。

2)在TEG富液進入重沸器前設置三相分離器,將溶解到TEG中的重烴分離出來。

3)需對TEG重沸器頂部產生的再生氣進行冷卻后再分離,盡可能將再生氣中的水和重烴分離出來。若再生氣需進入廢氣灼燒爐進行灼燒處理,應在進入廢氣灼燒爐之前設置烴液分離罐,且分離器應靠近廢氣灼燒爐布置,以減少再生氣中的游離液體進入廢氣灼燒爐,保障廢氣灼燒爐平穩運行。

4)在TEG脫水裝置入口應設置原料氣重力分離器和原料氣聚結分離器,進行兩級過濾分離,減少進入TEG溶液系統的重烴及雜質含量,保障TEG脫水裝置平穩運行。