郭 昊

(中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南 海口 570100)

1 概述

某氣田天然氣中CO2含量通常在20%以上，CO2的存在對天然氣的熱值有較大影響，并造成設(shè)備腐蝕，故必須對其進(jìn)行處理以保證后續(xù)使用過程的安全高效[1]。該天然氣處理廠建有天然氣年處理能力8億方的脫碳裝置一套。該裝置采用主要適用于高含碳天然氣的CO2脫除的天然氣半貧液脫酸工藝[2]。在多年的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，該裝置出現(xiàn)了脫碳能力下降、能耗較高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性不好的問題。

圖1 天然氣半貧液脫酸工藝

為了解決存在問題，技術(shù)人員基于HYSYS實(shí)際工藝計(jì)算模型，以酸氣脫除效果為指標(biāo)，在現(xiàn)有機(jī)泵、再沸器、冷卻器等關(guān)鍵設(shè)備能力范圍內(nèi)，開展工藝參數(shù)的敏感性分析。通過對系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)敏感性分析研究認(rèn)為該裝置吸收塔的吸收效率低、溶液換熱器換熱效率較低，富胺液再生熱負(fù)荷較大，蒸汽消耗較高等是造成脫碳能力降低、能耗較高的主要原因。根據(jù)以上分析結(jié)果和生產(chǎn)狀況制定了對吸收塔塔內(nèi)件改造升級、更換溶液換熱器、貧液泵變頻改造的整體改造方案。

2 吸收塔塔內(nèi)件升級改造

該裝置吸收塔原貧液吸收段和半貧液吸收段采用的是扁環(huán)填料。扁環(huán)填料是常見環(huán)形散裝填料的典型之一，屬于開孔環(huán)形填料。它把填料環(huán)壁的開孔窗葉由傳統(tǒng)的斷開式內(nèi)彎舌片狀改為連續(xù)內(nèi)彎的弧形筋片，取消了環(huán)壁端面的翻邊并且設(shè)計(jì)了較小的環(huán)的高徑比。結(jié)構(gòu)上的改變減小了填料層由環(huán)的翻邊以及內(nèi)彎葉片的端點(diǎn)所形成的匯集分散點(diǎn)。而結(jié)構(gòu)對稱均勻的內(nèi)彎弧形筋片結(jié)構(gòu)，對流體流動的均勻性有較好的影響，并且能夠提高填料的強(qiáng)度，避免使用可能引起液滴聚結(jié)或物料結(jié)焦的翻邊。也可促進(jìn)液滴群分散-匯合-再分散的循環(huán)過程，有效的降低了填料層的軸向返混，提高液液兩相間的傳質(zhì)效率。

孔板波紋規(guī)整填料作為規(guī)整填料之一，具有很高的分離效率。它作為高效規(guī)整填料中的一種，同樣表面積高、氣液分布均勻、持液量小、壓降小等特性。因其特性，孔板波紋規(guī)整填料廣泛應(yīng)用于精餾單元操作，尤其適用于難分離物系和熱敏性物系的減壓精餾過程。

對于貧胺液段的填料：分析是由于現(xiàn)場所使用的扁環(huán)散堆填料在填充時(shí)填料間容易產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象，影響填料層液體的均勻流動，造成填料層內(nèi)液體的偏流、勾流、股流甚至嚴(yán)重的壁流，甚至導(dǎo)致氣體的短路情況，從而影響填料的效率發(fā)揮乃至整塔效率及操作。這是因?yàn)樵诟邏何盏墓r下，氣液相粘度均偏大，尤其是氣相粘度，其擴(kuò)散性能減弱，故氣相往往成為傳質(zhì)的控制因素。對填料塔而言，填料對液體的自分布性能減弱，易造成液體偏流、溝流等不均勻流動。且充了氣的液相、高的氣液相密度比、高的氣液相粘度比，都會使填料層的持液量增加，從而空隙率減小，導(dǎo)致處理能力受到制約，壓降增大。對于填料塔，在高壓下填料壓降小的優(yōu)勢以不甚重要，但軸向返混加劇，降低塔的分離效率。本次改造的吸收塔的操作壓力為3.4MPa(G)，屬于高壓吸收，選用板式塔要優(yōu)于填料塔。

此外，胺液屬于易發(fā)泡物系。胺液脫硫過程泡沫形成主要有以下幾方面因素：

①傳統(tǒng)脫硫塔均采用浮閥塔盤，浮閥塔盤屬于鼓泡傳質(zhì)，這種氣液接觸狀態(tài)為泡沫的形成創(chuàng)造了有利條件；②由于吸收過程存在物理、化學(xué)變化，氣液接觸時(shí)間要求較高，板上液層厚，增加了泡沫停留時(shí)間；③進(jìn)氣口的水溶性表面活性劑(胺溶液添加劑、管道腐蝕抑制劑)，它們會降低胺溶液的表面張力，過量的消泡劑也會導(dǎo)致發(fā)泡；④液態(tài)烴類(壓縮機(jī)中的潤滑油伴隨在原料氣中、在胺溶液冷凝下來的烴類)導(dǎo)致胺液更容易發(fā)泡；⑤顆粒污染物(FeS腐蝕產(chǎn)物，鐵銹)，存在于原料氣中或者在胺處理單元中產(chǎn)生，像FeS之類的固體物質(zhì)本身并不會導(dǎo)致發(fā)泡，但是這些顆粒會在氣液表面聚集進(jìn)而通過提高表面的黏度使泡沫穩(wěn)定，所以延遲了泡沫的破裂；⑥由于氧氣進(jìn)入系統(tǒng)導(dǎo)致胺和氧反應(yīng)生成羧酸和熱穩(wěn)定鹽類，溶解的鐵離子會催化胺與氧的反應(yīng)；⑦檢修時(shí)被油脂或其他油類污染；⑧補(bǔ)充水中的水處理劑、緩蝕劑等。

胺液的發(fā)泡會引起突發(fā)性攔液沖塔問題，會給安全平穩(wěn)生產(chǎn)帶來威脅，其帶來的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①胺液損失加大，同時(shí)胺液被帶入下游導(dǎo)致下游產(chǎn)品質(zhì)量降低；②降低了酸性氣體的脫除效率，并且達(dá)不到產(chǎn)品出廠的合格指標(biāo)，在生產(chǎn)中不得不降量處理；③整個吸收塔或再生塔的壓力快速上升，或者壓力表讀數(shù)不準(zhǔn)確，給安全操作帶來困難；④攔液造成整個系統(tǒng)波動較大，并對其他并行裝置，如硫磺回收單元等裝置平穩(wěn)運(yùn)行帶來較大危害。

針對胺液脫硫過程攔液發(fā)泡以及吸收效果差等問題，需要從兩方面解決這些問題，一方面是開展脫硫吸收溶劑凈化提質(zhì)技術(shù)研究，旨在提高胺液質(zhì)量，降低發(fā)泡傾向，提高吸收效果；另一方面是開發(fā)具有抑制發(fā)泡功能的新型塔盤，改變塔盤鼓泡傳質(zhì)形式，由噴射態(tài)傳質(zhì)取代傳統(tǒng)鼓泡態(tài)傳質(zhì)。且隨著胺液的循環(huán)使用，胺液中可能夾雜固體顆粒，而板式塔的抗堵塞能力要優(yōu)于填料塔。另外，填料塔的造價(jià)高于板式塔。因此，吸收塔貧胺液段采用高效噴射態(tài)塔板替代原扁環(huán)填料為最佳選擇。

對于半貧胺液段的填料：分析是由于現(xiàn)場所使用的扁環(huán)散堆填料在填充時(shí)填料間容易產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象，影響填料層液體的均勻流動，造成填料層內(nèi)液體的偏流、勾流、股流甚至嚴(yán)重的壁流，甚至導(dǎo)致氣體的短路情況，從而影響填料的效率發(fā)揮乃至整塔效率及操作。但是半貧胺液段不建議更換為板式塔，原因是半貧胺液段的液相流量較貧胺液段大很多，但是氣相流量與貧胺液段相差不大，此時(shí)如果選用板式塔，則容易發(fā)生液相短路(即返混)現(xiàn)象。故建議將半貧胺液段的扁環(huán)散堆填料更換為規(guī)整填料。

對于貧胺液段和半貧胺液段的分布器：分析是由于現(xiàn)場所使用的分布器存在布液點(diǎn)個數(shù)較少、噴淋點(diǎn)密度較小、液體分布較不均勻，從而導(dǎo)致填料的潤濕效果較差，嚴(yán)重影響填料效率的發(fā)揮。因此需將現(xiàn)場所使用的分布器進(jìn)行更換，以減小液體初始不良分布造成的填料效率的損失，同時(shí)解決因液體的不良分布導(dǎo)致的填料效率下降及塔的分離效率下降的問題。

通過對天然氣脫酸裝置吸收塔的分析診斷，以及對分布器、填料、塔板的一系列試驗(yàn)研究，現(xiàn)場進(jìn)行了如下改造：將原貧液吸收段的兩段扁環(huán)填料及配套分布器更換為22層高效的具有抑制發(fā)泡作用的新型膜噴射塔板；將原半貧液吸收段的兩段扁環(huán)填料更換為表面積更大、效率更高的新型高效填料孔板波紋規(guī)整填料，同時(shí)將上段填料上方的現(xiàn)有分布器更換為液體分布效果更好的新型槽式分布器，并在兩段填料之間增加一套槽盤式氣液分布器。

完成改造后在總氣量及胺液循環(huán)量不變的前提下，改造后胺液脫出的酸性氣總量提高了5.7%以上，且酸性氣脫除率較改造前由93.8%提高至95.3%，說明吸收塔的吸收效果有了明顯改善。

3 更換溶液換熱器

該系統(tǒng)的溶液換熱器是全焊式板式換熱器。全焊式板式換熱器是一種通用換熱設(shè)備，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、電力、礦山、石油、化工等工業(yè)系統(tǒng)中?？蓾M足各種介質(zhì)的冷卻、加熱、冷凝、濃縮和余熱回收等工藝的需求。但是，由于板式換熱器一般換熱溫度較高，且其換熱效率高，所以容易結(jié)垢。同時(shí)板式換熱器內(nèi)部流通孔徑較小，結(jié)構(gòu)后使內(nèi)部通道截面積變小甚至堵塞，造成板式換熱器效率降低，從而影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和設(shè)備的安全。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)測試和模型模擬分析得知該溶液換熱器設(shè)計(jì)傳熱負(fù)荷為8232kW，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為5147 kW，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的62%。換熱器實(shí)際運(yùn)行的壓降值分別為150kPa(貧液)、80kPa(半貧液)，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值的24kPa和43kPa。通過對溶液換熱器的直接觀測及換熱器壓降數(shù)據(jù)的分析可以明確換熱器存在比較嚴(yán)重的結(jié)垢。換熱器結(jié)垢一方面降低了換熱器的傳熱負(fù)荷，另一方面各流路壓降也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。

該溶液換熱器已經(jīng)使用十多年，如果進(jìn)行清洗脫垢作業(yè)可能效果并不明顯。另外，清洗脫垢作業(yè)時(shí)間太長，對上游生產(chǎn)和下游用氣有較大影響。綜合考慮后，此次改造為用一臺全新的板式換熱器替代原來的舊設(shè)備。

更換全新的板式溶液換熱器后，溶液換熱器的溶液進(jìn)出口溫度都有了明顯變化，運(yùn)行的壓降值也明顯降低。

4 貧液泵變頻改造

在脫碳工藝中胺液吸收原料氣中的CO2達(dá)到脫碳的目的，胺液吸收再生的循環(huán)過程依靠泵進(jìn)行驅(qū)動，通過對胺液的配方優(yōu)化可以降低半貧液及貧液的循環(huán)量，減小半貧液泵、貧液泵的流量。充分利用原貧胺液泵、液力透平半貧液泵所帶電機(jī)等基礎(chǔ)件，制定電機(jī)變頻的改造方案，通過對半貧液透平泵及貧液泵的電機(jī)變頻改造，在保證正常的脫碳能力情況下，實(shí)現(xiàn)節(jié)約裝置能耗的目的。整個工藝流程在滿負(fù)荷運(yùn)行狀況時(shí)，貧液流量約為220 m3/h、半貧液流量約為1120 m3/h。在整個裝置中半貧液泵及貧液泵的實(shí)際運(yùn)行流量大，消耗的電能最多。因此對半貧液透平泵及貧液泵進(jìn)行變頻改造是裝置降低能耗的有效方式。但由于半貧液的流量變化對液力透平端的輸出功率影響極大，需要結(jié)合原液力透平段的工作參數(shù)進(jìn)行綜合判斷。綜合現(xiàn)場工作人員操作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該透平泵對流量變化敏感性強(qiáng)，不建議優(yōu)化改造過程中減少半貧液的流量，因此此次改造只對貧液泵進(jìn)行變頻改造。

變頻調(diào)速的基本原理：由于離心泵原理，在相似情況下水泵的流量、揚(yáng)程和功率分別與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。

三相交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率、級數(shù)以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系如下：

n=60f(1-s)/p

其中：

n—每分鐘的轉(zhuǎn)速

f —交流電的頻率

s—轉(zhuǎn)差率

p—磁極對數(shù)

在三相電動機(jī)中對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有多種方法，如通過調(diào)整交流電的頻率、電動機(jī)的級數(shù)以及轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻控制技術(shù)的不斷成熟，通過調(diào)整電源的頻率調(diào)速效果更好。

貧液泵的變頻改造主要是通過配套增加一套與原貧液泵匹配的變頻器及其控制系統(tǒng)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少能耗。泵的變頻系統(tǒng)主要由變頻器、信號采集及處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。

經(jīng)過改造與原來的定頻貧液泵相比可節(jié)約電能約93 kW，按照每年運(yùn)行8000小時(shí)，電費(fèi)1元/ kW h計(jì)算，年節(jié)約電能7.44×105kW h，約合74萬元。

5 改造后效果

通過對該天然氣脫酸裝置吸收塔塔內(nèi)件改造升級、更換溶液換熱器、半貧液泵變頻改造不但提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，顯著提高了吸收塔的吸收效果，而且在裝置現(xiàn)有運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將該脫酸裝置用電及蒸汽費(fèi)用降低了10%，實(shí)現(xiàn)了降本增效，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本大大降低。