亢永博，金崗，王新康

(1.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司，北京 100034； 2.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

近年來天然氣作為一種清潔能源受到各國青睞，我國作為一個(gè)天然氣消費(fèi)大國消費(fèi)量已超過3 100× 108m3/a，日高峰用氣量突破10億立方米[1]，每年冬季幾乎總要發(fā)生“氣荒”現(xiàn)象。我國作為天然氣進(jìn)口大國，除應(yīng)加大天然氣勘探開發(fā)外，還應(yīng)重視天然氣集輸、凈化過程中的損耗減量，提高天然氣的商品率，做到開源與節(jié)流并舉。世界各國因天然氣的氣質(zhì)條件和利用成本不同，天然氣的商品率差距較大，英國、德國、俄羅斯和馬來西亞位于第一梯隊(duì)，商品率大于90%，美國、加拿大和印度尼西亞位于第二梯隊(duì)，商品率在80%～90%之間，委內(nèi)瑞拉、阿塞拜疆、阿爾及利亞等國位于第三梯隊(duì)，天然氣商品率甚至不超過50%。我國天然氣商品率20世紀(jì)初期不足90%，近年來隨著撬裝CNG和LNG設(shè)備的投入，天然氣商品率已超過90%。本文不考慮氣質(zhì)條件對商品率的影響，僅分析在處理廠凈化過程中對天然氣商品率的影響因素，并研究提高商品率的具體措施。

1 處理廠天然氣商品率分析

1.1 處理廠天然氣非商品氣分析

一般，上游開采的天然氣因含水、CO2和H2S等酸性氣體無法直接供用戶使用，需要在天然氣處理廠對原料氣進(jìn)行脫硫、脫碳、脫水和脫烴加工處理，以滿足管道輸送的技術(shù)要求和高熱值的商業(yè)要求。不同氣田的氣質(zhì)差異較大，CO2和H2S等酸性氣體在天然氣中占比從百分之幾到百分之十幾不等[2]。為抑制管道輸送時(shí)水合物的形成，還需對天然氣做脫水處理，脫水工藝多為4A分子篩法或TEG溶液法，脫水處理在處理廠造成的商品氣減量很小，一般不到1%。為了調(diào)整天然氣熱值和提高整體經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通常還會(huì)采用低溫分離法對原料氣中C4+組分進(jìn)行脫除，進(jìn)一步造成商品氣減量。此外，處理廠鍋爐、再生氣加熱爐、酸氣焚燒爐和長明火炬需要消耗部分天然氣作為燃料，計(jì)劃停產(chǎn)或故障檢修時(shí)需要放空部分天然氣，以上均會(huì)增加非商品氣量，某處理廠商品氣氣質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 某處理廠商品氣氣質(zhì)指標(biāo)

1.2 處理廠天然氣商品率計(jì)算公式

在處理廠將上游未經(jīng)任何處理的天然氣稱為原料氣，將經(jīng)過脫硫、脫碳、脫水和脫烴并達(dá)到商業(yè)指標(biāo)的天然氣稱為產(chǎn)品氣，將扣除消耗自用后外輸?shù)漠a(chǎn)品氣稱為商品氣。外輸商品氣量所占原料氣量的比重稱為天然氣商品率，它是反映天然氣處理廠加工處理水平的重要指標(biāo)[3-6]，其計(jì)算公式(1)為：

式(1)～(2)中：CRgas為天然氣商品率(%)；Q商品氣為商品氣量(m3)；Q原料氣為原料氣氣量(m3)；Q放空為放空量，主要為裝置開停產(chǎn)放空和設(shè)備故障檢修放空(m3)；Q酸氣為酸氣量，主要為脫除的CO2和H2S等酸性氣體(m3)；Q自用為自用氣量，主要為鍋爐、再生氣加熱爐、酸氣焚燒爐用氣(m3)；Q輕烴為脫除C4+造成的減量(m3)；Q其他為火炬密封氣用氣和“跑、冒、滴、漏”等其他因素引起的減量(m3)。

可以看出，天然氣商品量的高低與產(chǎn)量和非商品氣量密切相關(guān)，減少天然氣生產(chǎn)流向中的非商品氣量可以提高商品氣量，進(jìn)而提高商品率。

2 處理廠影響天然氣商品率的主要因素

2.1 天然氣放空

在處理廠造成放空的原因很多，主要可以歸納為開停產(chǎn)放空和設(shè)備故障臨停檢修放空兩種類型。在啟動(dòng)開產(chǎn)的初始階段，由于所生產(chǎn)的天然氣水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)超標(biāo)，無法達(dá)到商品氣的質(zhì)量要求而被迫放空。年度計(jì)劃停產(chǎn)檢修，設(shè)備故障臨停檢修時(shí)需要對整列裝置或設(shè)備進(jìn)行放空泄壓，為檢修提供工藝條件。此外，還存在著因下游外輸站管道、設(shè)備故障導(dǎo)致處理廠內(nèi)管線、設(shè)備壓力過高情況，為保障安全需臨時(shí)放空。

2.2 凈化處理損耗

未經(jīng)處理的天然氣中常含有H2S、CO2和有機(jī)硫化合物(統(tǒng)稱酸性組分)，這些酸性組分的存在不僅會(huì)對下游金屬管道和設(shè)備造成腐蝕。當(dāng)以其為原料合成化工品時(shí)也會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒，其泄漏后更是對環(huán)境和人體健康造成巨大危害。而CO2含量過高會(huì)降低天然氣的熱值，使其無法滿足銷售標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對原料氣進(jìn)行脫硫脫碳處理。此外，為防止天然氣在輸送過程中形成水合物冰堵管道，還需要對天然氣中的水做進(jìn)一步的深度脫除，不同季節(jié)、不同地域和不同壓力下對水露點(diǎn)的要求不同。一般說來，在凈化處理過程中脫除酸性氣體造成的商品氣減量最大，脫水造成的商品氣減量相對較小。

2.3 生產(chǎn)自用

在天然氣凈化處理的過程中需要消耗部分天然氣以維持處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，處理廠自耗氣主要是鍋爐燃料氣、再生氣加熱爐燃料氣、酸氣焚燒爐燃料氣、火炬燃料氣和生活(食堂)燃?xì)?，對于偏遠(yuǎn)和供電不便地區(qū)，處于經(jīng)濟(jì)性考慮，有的處理廠還建有天然氣發(fā)電裝置。

2.4 低溫脫烴

脫除天然氣中C4以上重?zé)N不僅可以降低天然氣烴露點(diǎn)、調(diào)整天然氣熱值、改善商品氣質(zhì)量，同時(shí)可提高整個(gè)天然氣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。處理廠常用脫烴工藝主要包括J-T閥節(jié)流降溫、丙烷預(yù)冷膨脹和膨脹機(jī)制冷工藝。由于分離出的烴液輸送至凝析油穩(wěn)定裝置，處理后形成穩(wěn)定凝析油單獨(dú)進(jìn)行銷售，不再以天然氣形式銷售給用戶，不再計(jì)入商品氣量。

2.5 計(jì)量誤差

處理廠通常將上游井口或集氣站計(jì)量的數(shù)據(jù)作為原料氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將外輸站計(jì)量的數(shù)據(jù)作為商品氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此原料氣和商品氣的計(jì)量如果存在誤差，會(huì)直接影響商品率的準(zhǔn)確性，尤其是采氣廠計(jì)量采用多相流量計(jì)輪換進(jìn)行計(jì)量，誤差較大。因此，在天然氣計(jì)量時(shí)要合理選型，在出廠運(yùn)輸過程中防止損壞，在安裝過程中謹(jǐn)慎操作，并定期調(diào)校流量計(jì)。

2.6 其他損耗

處理廠的長明火炬設(shè)置有分子封，其主要功能是在一定量的密封氣體作用下，可保證火炬在排放氣中斷后或小流量運(yùn)行狀態(tài)時(shí)阻止空氣倒流入火炬筒體內(nèi)，確保再次排放時(shí)不會(huì)發(fā)生回火或爆炸。處理廠一般用天然氣作為密封氣，其耗氣量每小時(shí)幾百方不等。此外，處理廠的其他損耗還有跑、冒、滴、漏，該部分損耗相對較小，可通過加強(qiáng)巡檢及時(shí)處理解決。

3 提高處理廠商品率的主要措施和方法

3.1 減少放空量

天然氣放空是影響商品率的主要因素之一，在日常生產(chǎn)運(yùn)行中通過優(yōu)化工藝參數(shù)“積攢”幾天、甚至一個(gè)月的商品量可能因?yàn)橐淮畏趴斩吨T東流，因此合理規(guī)劃裝置開停產(chǎn)、降低設(shè)備故障率，控制放空量，對提高商品率具有極大的意義。

3.1.1 做好裝置檢維修計(jì)劃，減少開停產(chǎn)放空

處理廠一般每兩年會(huì)對全廠裝置開展一次全停大修，在檢修期間需要放空管存氣以保證具備工藝條件，造成天然氣大量浪費(fèi)。如單列處理能力680×104m3/d的裝置，因停產(chǎn)放空和啟動(dòng)初始階段不合格產(chǎn)品放空總量可達(dá)15×104m3。做好裝置檢修計(jì)劃，充分利用每次檢修機(jī)會(huì)對設(shè)備保養(yǎng)、維護(hù)，減少裝置啟停次數(shù)，可節(jié)約天然氣，提高商品率。

3.1.2 加強(qiáng)設(shè)備完整性管理，減少搶修臨停放空

處理廠在日常生產(chǎn)運(yùn)行中，常會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備故障檢修而不得不對某個(gè)單元甚至整列裝置放空。因此，加強(qiáng)處理廠貧液循環(huán)泵、再生氣壓縮機(jī)、膨脹壓縮機(jī)等關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備的預(yù)防性檢維修、做好維護(hù)保養(yǎng)，延長切換周期內(nèi)的使用時(shí)長和降低停車次數(shù)可有效降低放空量。加強(qiáng)故障頻發(fā)的再生氣空冷器和繞管式換熱器等靜設(shè)備的完整性管理，盡量避免臨停檢修放空。同時(shí)，加強(qiáng)巡檢，杜絕因?yàn)榉趴照{(diào)節(jié)閥、安全閥內(nèi)漏而造成的放空損失。

3.1.3 精心操作，避免商品氣不合格放空

加強(qiáng)全員工作責(zé)任心，實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，避免由于所生產(chǎn)的天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)及H2S/CO2含量超標(biāo)，無法達(dá)到商品氣的質(zhì)量要求而被迫放空。同時(shí)盡量減少整列裝置的開車次數(shù)，減少裝置啟動(dòng)初期產(chǎn)品氣不合格的放空量。

3.1.4 合理調(diào)度，避免超壓放空

強(qiáng)化調(diào)度功能，合理調(diào)配產(chǎn)能，避免因“供大于求”導(dǎo)致的下游管網(wǎng)超壓而不得不放空的事情發(fā)生。裝置發(fā)生故障時(shí)，要及時(shí)匯報(bào)調(diào)度，聯(lián)系上游關(guān)井，降低因處置故障而導(dǎo)致的放空損失。

3.2 降低自氣耗用量

3.2.1 提高爐類設(shè)備的燃燒效率，降低自耗氣用量

處理廠的生產(chǎn)自耗氣主要為爐類設(shè)備燃料氣用氣，因此提高爐類設(shè)備燃燒效率，可實(shí)現(xiàn)節(jié)氣目的。一是要定期檢查爐類設(shè)備的爐膛，保證爐膛完好，減少不必要的熱量損耗；二是要通過煙氣分析儀器(如燃燒效率測定儀、氧化鈷氧含量測定儀)連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分，分析煙氣中的氧含量和燃?xì)夂浚暉煹乐械哪芰繐p失情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空燃比，在滿足溫度情況下，盡量減少燃料量和鍋爐配風(fēng)，以節(jié)約燃料氣。

3.2.2 做好蒸汽系統(tǒng)保溫，杜絕跑冒滴漏

全廠蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行效率直接決定了鍋爐燃料氣的消耗，做好蒸汽系統(tǒng)的保溫工作，提升加熱效率，對節(jié)約燃料氣，提高商品率具有重要意義。一是要定期對全廠范圍內(nèi)的蒸汽保溫系統(tǒng)進(jìn)行大檢查，整改現(xiàn)場蒸汽和凝結(jié)水“跑、冒、滴、漏”；二是要對保溫層缺失、裸露進(jìn)行及時(shí)恢復(fù)，防止在冬季造成更大能量的散失，從而消耗更多的燃料氣。

3.3 調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝操作

3.3.1 優(yōu)化吸收塔工藝參數(shù)，減少酸氣處理損耗

在保證產(chǎn)品氣H2S和CO2含量滿足商業(yè)要求的前提下，對脫硫脫碳單元胺液吸收塔進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化操作參數(shù)，合理控制貧液溫度、氣液比、溶液濃度及吸收塔盤數(shù)，充分體現(xiàn)出MDEA溶液的選吸性能，在保證產(chǎn)品合格的前提下避免過度脫除酸氣而降低天然氣商品率。

3.3.2 調(diào)節(jié)再生塔塔頂溫度，降低蒸汽耗量

處理廠脫硫再生塔塔頂設(shè)計(jì)控制溫度為105 ℃左右，經(jīng)研究、探索和實(shí)踐，在保證產(chǎn)品氣H2S和CO2指標(biāo)合格的前提下，逐步將再生塔頂溫度從105 ℃逐步下調(diào)至100 ℃左右仍可滿足需求。經(jīng)核算，再生塔塔頂溫度每降低1 ℃，脫硫脫碳裝置可節(jié)約蒸汽量5.3 t/h，每節(jié)約1 t蒸汽，相當(dāng)于節(jié)約燃料氣78 m3。

3.3.3 優(yōu)化工藝流程，回收閃蒸氣

部分處理廠因凝析油穩(wěn)定塔閃蒸出來的輕組份量較小，且不穩(wěn)定無法達(dá)到壓縮機(jī)啟運(yùn)條件而直接放空燃燒，造成浪費(fèi)。可通過工藝優(yōu)化，在閃蒸氣壓縮機(jī)前增設(shè)緩沖罐，并從廠區(qū)內(nèi)燃料氣罐補(bǔ)充部分燃料氣至緩沖罐滿足壓縮機(jī)最低啟用負(fù)荷要求，從而回收閃蒸氣量，提高商品率。

3.3.4 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)火炬密封氣量，降低自耗氣

根據(jù)處理廠所在地季節(jié)風(fēng)速變化，在保證火炬長明火不熄滅的前提下，及時(shí)調(diào)整高、低壓放空火炬密封氣量，以減少燃料氣耗量。

3.4 充分利用廠區(qū)熱能，降低自耗氣

3.4.1 充分利用爐類設(shè)備廢熱，降低鍋爐自耗氣

處理廠裝置區(qū)內(nèi)鍋爐煙氣、再生氣加熱爐煙氣和酸氣焚燒爐煙氣均排向大氣，造成熱量的浪費(fèi)。以各種爐子排出的高溫?zé)煔鉃闊嵩?，通過余熱加熱鍋爐生產(chǎn)壓力為0.6 MPa的飽和蒸汽，向廠區(qū)供熱不僅提高了熱能利用率，還可節(jié)約大量的燃料氣。此外，對于設(shè)置有發(fā)電裝置的處理廠，可考慮將燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔庾鰹闊嵩磳S區(qū)鍋爐水加熱生產(chǎn)蒸汽，以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式生產(chǎn)即可滿足用電及用汽的雙重需求，又可大大提高天然氣能源綜合利用率。

3.4.2 回收除氧器和凝結(jié)水罐蒸汽，節(jié)約鍋爐自耗氣

處理廠鍋爐單元設(shè)置大氣式熱力除氧器和凝結(jié)水罐，除氧器和凝結(jié)水罐中的蒸汽直接排放至大氣，不僅造成能量和水資源浪費(fèi)，同時(shí)增加了反滲透膜、保安過濾器濾芯的消耗。通過新增換熱器、凝結(jié)水箱、凝結(jié)水泵可實(shí)現(xiàn)鍋爐水和蒸汽的換熱，回收熱能和除鹽水，降低鍋爐自耗氣量。

4 結(jié)語

天然氣商品率由天然氣商品量和原料氣量決定，減少凈化處理過程中的非商品氣量可以有效提高天然氣商品率。

影響處理廠天然氣商品率的主要因素包括放空、凈化處理損耗、生產(chǎn)自用、低溫脫烴、計(jì)量誤差和其他損耗等多個(gè)方面，其中凈化處理損耗和生產(chǎn)自用損耗對商品率影響最大。

調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝操作，減少放空量，降低自耗氣量可有效提高處理廠天然氣商品率。通過挖掘和回收利用處理廠的熱能，可以降低自耗氣使用量，提高天然氣商品率。