沈志恒，李 巍，董 超，程新宇，賀相軍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

在工業(yè)石油天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中開(kāi)采的天然氣中通常都含有飽和水蒸氣，而水蒸氣的存在，會(huì)導(dǎo)致在天然氣輸送的過(guò)程中析出液態(tài)水，形成水合物，造成管道的堵塞及腐蝕，需要通過(guò)對(duì)天然氣進(jìn)行脫水處理，降低天然氣的水露點(diǎn)[1]。為了滿足天然氣的輸送標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)輸送管道不被水合物堵塞及腐蝕，必須對(duì)天然氣進(jìn)行脫水，以使壓力露點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，常用的天然氣脫水方法主要有4種：冷凍分離法、溶劑吸收法、固體干燥劑吸附法和化學(xué)反應(yīng)法。三甘醇(TEG)脫水法以其工藝成熟可靠，流程簡(jiǎn)單，能耗低，初期投資及操維成本較低的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于天然氣水露點(diǎn)控制。大量國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都對(duì)目前天然氣脫水工藝方法進(jìn)行了分析研究，其中，蔣洪等人對(duì)天然氣脫水裝置工藝進(jìn)行分析，應(yīng)用板式換熱器提高了貧富甘醇的換熱效率[2]。張書(shū)成等人對(duì)進(jìn)口天然氣橇裝式脫水裝置運(yùn)行情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并且提出了參數(shù)優(yōu)化意見(jiàn)，以降低甘醇損耗率[3]。陳宏福利用HYSYS模擬軟件對(duì)某凈化廠的三甘醇脫水裝置進(jìn)行了模擬研究，并分析了濕天然氣進(jìn)塔溫度、貧液溫度、操作壓力、塔板數(shù)、氣提氣用量等對(duì)三甘醇脫水效果的影響規(guī)律[4]。金樣哲等對(duì)污染物對(duì)三甘醇脫水性和發(fā)泡性影響的研究，并得出了污染物濃度對(duì)三甘醇發(fā)泡性影響的趨勢(shì)[5]。郭彬等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)三甘醇失效的判定給出了定量的推薦參數(shù)，并且給出了廢棄三甘醇的回收方法[6]。而天然氣中含有的游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇等雜質(zhì)對(duì)三甘醇天然氣脫水再生系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱三甘醇系統(tǒng))設(shè)計(jì)具有較大影響，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)工作研究較少，王娜等人對(duì)天然氣脫水脫烴主要方法進(jìn)行了簡(jiǎn)明闡述[7]。但對(duì)于游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇等雜質(zhì)對(duì)TEG系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體影響及去除方法，鮮有提及。針對(duì)上述情況，文章主要針對(duì)天然氣中游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇雜質(zhì)對(duì)三甘醇系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響以及去除天然氣內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行初步分析，并提供三甘醇系統(tǒng)去除相關(guān)雜質(zhì)初步設(shè)計(jì)方案。

2 TEG系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

三甘醇脫水及再生工藝較為成熟，其流程也相對(duì)固定，其主要工藝流程如圖1。

圖1 三甘醇脫水及再生系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of TEG dehydration and regeneration system

從圖1可以看出，含有雜質(zhì)及飽和水的濕天然氣首先進(jìn)入過(guò)濾分離器，去除天然氣中的游離水、液烴、壓縮機(jī)滑油及可能存在的固體雜質(zhì)后，進(jìn)入吸收塔。天然氣在吸收塔內(nèi)自下而上流經(jīng)入口分布裝置、升氣塔盤(pán)、填料，同時(shí)，TEG貧液從塔頂經(jīng)管槽式布液裝置自上而下流經(jīng)填料，通過(guò)天然氣與三甘醇貧液逆流接觸過(guò)程中，天然氣中的水分被吸收，變成干氣，從塔頂排出，經(jīng)干氣/貧甘醇換熱器換熱后進(jìn)行輸送。而吸收了水分的富甘醇從吸收塔頂流出，進(jìn)入三甘醇再生單元。

在三甘醇再生單元內(nèi)，富甘醇被送入塔頂冷凝器進(jìn)行加熱后進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸出富甘醇中溶解的烴類(lèi)組分，經(jīng)過(guò)濾后富甘醇被送到再生塔內(nèi)，與重沸器內(nèi)富甘醇蒸發(fā)出來(lái)的水蒸汽及部分甘醇蒸汽進(jìn)行傳質(zhì)傳熱后進(jìn)入重沸器，通過(guò)加熱使富甘醇中的水分蒸發(fā)出來(lái)，變?yōu)樨毟蚀歼M(jìn)入緩沖罐，由甘醇循環(huán)泵再輸送回天然氣脫水單元。

上述工藝流程為常規(guī)工藝設(shè)計(jì)流程；而實(shí)際的天然氣脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天然氣中除水蒸汽以外，還會(huì)存在其他雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)的存在都會(huì)不同程度對(duì)整個(gè)三甘醇脫水及再生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中均需要考慮，文章主要對(duì)天然氣雜質(zhì)對(duì)三甘醇脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析，同時(shí)提出相應(yīng)解決措施。

3 雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

3.1 游離水及液烴對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

通常情況下，在進(jìn)入到吸收塔的天然氣中不允許存在游離水及液態(tài)烴，即在系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)中，進(jìn)入吸收塔的天然氣中水含量?jī)H考慮天然氣中的飽和水含量。游離水將對(duì)增加天然氣中水含量，進(jìn)而影響三甘醇循環(huán)量的計(jì)算與選取。同時(shí)，增加重沸器內(nèi)加熱器的熱負(fù)荷，同時(shí)，還會(huì)在加熱器表面造成鹽沉積，進(jìn)而使傳熱惡化。液烴的存在，對(duì)于TEG系統(tǒng)的運(yùn)行也是不利的。液烴易溶解于TEG，使TEG產(chǎn)生發(fā)泡趨勢(shì)，進(jìn)而降低脫水效率及增加系統(tǒng)的TEG損耗率。尤其是一些沸點(diǎn)較高的烴類(lèi)，易附著在重沸器內(nèi)加熱管表面，進(jìn)而形成局部高溫，導(dǎo)致TEG分解變質(zhì)。

為了解決上述問(wèn)題，以消除天然氣中的游離水及液態(tài)烴，在TEG脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加過(guò)濾分離器予以解決。過(guò)濾分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用聚結(jié)過(guò)濾的形式，來(lái)最大限度脫除天然氣中的游離水及液烴，其具體形式如圖2。

圖2 過(guò)濾分離器內(nèi)件布置示意圖Fig.2 Layout diagram of internals of filter separator

含有游離水及液烴的天然氣，通過(guò)入口及入口處的氣體分布裝置進(jìn)入到過(guò)濾分離器，氣體分布裝置通常為葉片式分布結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，適用動(dòng)量可以達(dá)到8 000 Pa～10 000 Pa之間。被均布后的天然氣，沿分離器軸向方向上升，通過(guò)一級(jí)絲網(wǎng)除沫裝置，將大于8 μm的液滴捕集下來(lái)，同時(shí)對(duì)于更小的液滴有一定的聚結(jié)作用。穿過(guò)絲網(wǎng)除沫器的天然氣，通常會(huì)夾帶一些更小的液滴，這部分液滴將由聚結(jié)濾芯進(jìn)行過(guò)濾分離，通常情況下，該類(lèi)過(guò)濾分離器除液效率可以達(dá)到98%左右。上述結(jié)構(gòu)僅為在通常工況下的設(shè)計(jì)，如果天然氣中游離水及液烴含量均較大，則需要更有針對(duì)性的內(nèi)件布置設(shè)計(jì)。因此，在TEG脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用聚結(jié)濾器可以很好的消除天然氣中的游離水及液烴。

3.2 CO2及H2S對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

通常，油田開(kāi)采獲得的天然氣中會(huì)含有部分CO2和H2S。針對(duì)海上石油天然氣開(kāi)發(fā)工程，CO2在天然氣中所占的體積份額通常在10%～30%之間。如果天然氣中CO2及H2S的含量較高，將會(huì)引發(fā)如下問(wèn)題：增加天然氣中飽和水含量；CO2及H2S易溶解于富甘醇中，從而降低甘醇的pH值，加速設(shè)備及管線的腐蝕；降低三甘醇再生濃度。

圖3和圖4分別為CO2和H2S飽和水含量圖。從圖中可以看出，在相同壓力條件下，CO2中飽和水含量大于天然氣中飽和水含量，H2S也存在同樣的問(wèn)題。即與純凈天然氣相比，含有CO2及H2S雜質(zhì)的天然氣，其飽和水含量更高。在計(jì)算天然氣入口水含量時(shí)，要綜合考慮天然氣中CO2及H2S組分含水量的影響，可以通過(guò)增加三甘醇循環(huán)量解決天然氣中CO2及H2S組分含水量對(duì)TEG脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

圖3 天然氣中CO2的有效含水量圖[8]Fig.3 Effective water content of CO2 in natural gas

圖4 天然氣中H2S的有效含水量圖Fig.4 Effective water content of H2S in natural gas

在三甘醇再生單元內(nèi)，富甘醇被送入塔頂冷凝器進(jìn)行加熱后進(jìn)入閃蒸罐，通常富甘醇將被加熱到60 ℃～70 ℃，閃蒸出富甘醇中溶解的烴類(lèi)組分的同時(shí)，也將溶解在其中的CO2及H2S一并閃蒸出來(lái)，這樣就能將天然氣中CO2及H2S去除。

此外，為緩解酸性氣體為三甘醇系統(tǒng)帶來(lái)的腐蝕，通常在三甘醇系統(tǒng)中會(huì)定期注入pH平衡試劑，以確保三甘醇系統(tǒng)pH值保持在合理區(qū)間，通常推薦pH值為6.5～8之間。當(dāng)天然氣中CO2含量較高時(shí)，pH平衡試劑的選擇應(yīng)避免與CO2發(fā)生反應(yīng)。

3.3 甲醇對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

在海洋石油天然氣開(kāi)采過(guò)程中由于需要抑制水合物的生成會(huì)在天然氣內(nèi)注入甲醇，這樣天然氣內(nèi)會(huì)含有甲醇；而對(duì)于三甘醇系統(tǒng)而言，甲醇會(huì)被三甘醇吸收，進(jìn)而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行帶來(lái)一系列不利影響。該影響主要體現(xiàn)如下：(1)增加重沸器內(nèi)加熱器的熱負(fù)荷；(2)增加再生塔內(nèi)氣相負(fù)荷；(3)增加再生塔頂冷凝器的負(fù)荷，而且會(huì)長(zhǎng)期積聚在冷凝段。

為減少或消除甲醇等雜質(zhì)對(duì)TEG脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，需要采用如下方法：適當(dāng)增加重沸器內(nèi)加熱器的功率；在再生塔設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮甲醇?xì)饣髮?duì)再生塔的影響，適當(dāng)增加再生塔塔徑，否則，可能引起再生塔內(nèi)發(fā)生液泛，進(jìn)而增加甘醇的損耗量；定期降低冷凝器內(nèi)介質(zhì)流量，對(duì)對(duì)冷凝器進(jìn)行加熱，以便將甲醇排出再生系統(tǒng)。

4 結(jié)論

綜上所述，天然氣中的游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇雜質(zhì)對(duì)TEG脫水及再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響較大，為了解決相關(guān)雜質(zhì)對(duì)TEG脫水及再生系統(tǒng)的影響，提出了部分解決方法。

三甘醇系統(tǒng)中過(guò)濾分離器設(shè)計(jì)十分重要，通常采用聚結(jié)過(guò)濾形式以確保游離水及液烴有效去除。

在進(jìn)行三甘醇系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮天然氣中CO2及H2S組分含水量的影響，可適當(dāng)增加三甘醇循環(huán)量予以消除。

當(dāng)天然氣中存在CO2及H2S時(shí)，應(yīng)在三甘醇系統(tǒng)中設(shè)置pH平衡試劑注入接口。同時(shí)，當(dāng)CO2含量較高時(shí)，應(yīng)注意pH平衡試劑選型，避免其與CO2發(fā)生反應(yīng)。

當(dāng)天然氣中存在甲醇時(shí)，在三甘醇系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要加大重沸器內(nèi)加熱器增加率及增加再生塔塔徑，同時(shí)，在TEG系統(tǒng)的運(yùn)行中，定期對(duì)冷凝器進(jìn)行加熱從而降低甲醇濃度。