李鵬飛，吳鵬斌，鄭傳海，宋偉(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400)

0 引言

天然氣作為綠色低碳的清潔能源，在能源消費日益增長和二氧化碳減排日趨嚴格的情況下，需求量呈快速增長的趨勢[1-2]。我國天然氣資源較為豐富，主要分布在塔里木、四川、鄂爾多斯等9個含油氣盆地，可開采資源量占全國總量的84%。其中川渝地區(qū)海相高含硫天然氣資源儲量豐富，先后開發(fā)了普光、元壩等高含硫氣田[3]。高含硫天然氣由于其酸性組分含量高，致使凈化裝置具有工藝流程復(fù)雜、運行能耗高等特點，其中脫硫單元由于溶劑循環(huán)量大等特點[4]，其能耗更是在凈化裝置總體能耗中占比高居第一，因此研究高含硫天然氣凈化裝置能耗結(jié)構(gòu)，對裝置的科學合理運行具有廣闊的實際應(yīng)用前景[5]。本文依據(jù)GB/T 50441中規(guī)定的方法標定了凈化裝置脫硫單元運行能耗，通過與設(shè)計能耗對比分析，得出能耗偏差原因，制定相應(yīng)優(yōu)化改造方案。

1 凈化裝置能耗

凈化廠建設(shè)了4列相同的凈化裝置，每列凈化裝置分為脫硫單元、脫水單元、硫磺回收單元、尾氣處理單元、酸水汽提單元共5個單元，各單元中由于脫硫單元吸收及再生過程溶劑循環(huán)量大、受原料氣氣質(zhì)條件變化影響明顯等原因，致使脫硫單元能耗高于凈化裝置其他單元。對第3列凈化裝置滿負荷運行狀態(tài)下各單元能耗進行標定，結(jié)果如表1所示。

表1 凈化裝置各單元能耗分析

由表1可知：脫硫單元設(shè)計能耗及標定能耗最大；凈化裝置各單元中，脫硫單元、脫水單元和酸水汽提單元標定能耗高于設(shè)計能耗；脫硫單元標定能耗與設(shè)計能耗差值最大。因此對脫硫單元各設(shè)備運行能耗進行標定，通過與設(shè)計能耗對比分析，以得到相應(yīng)優(yōu)化改造方案尤為必要。

2 脫硫單元工藝介紹及能耗分析

2.1 脫硫單元工藝介紹

原料天然氣經(jīng)進料過濾分離器，脫除攜帶的液體及固體顆粒等雜質(zhì)后，進入脫硫塔與貧溶劑逆流接觸，從而脫除氣體中的酸性組分。脫除酸性組分后，天然氣經(jīng)分液罐分離出夾帶的脫硫溶劑后進入脫水單元。貧溶劑吸收酸性組分后變?yōu)楦蝗軇?，富溶劑從脫硫塔底部進入透平減壓膨脹回收能量，減壓后的富溶劑進入閃蒸罐閃蒸出攜帶的輕烴后，與再生塔底的貧溶劑在貧富溶劑換熱器內(nèi)換熱升溫，升溫后的富溶劑從上部進入再生塔，在高溫、低壓條件下完成再生環(huán)節(jié)。再生塔底重沸器以低壓蒸汽為熱源，實現(xiàn)再生塔內(nèi)富溶劑經(jīng)高溫汽提解吸出吸收的酸性組分。酸性氣經(jīng)再生塔頂空冷器、再生塔頂后冷器降溫后進入硫磺回收單元。富溶劑再生為貧溶劑后由再生塔底泵升壓，進入貧富溶劑換熱器與來自閃蒸罐的富溶劑換熱降溫，經(jīng)貧溶劑空冷器、貧溶劑后冷器進一步降溫后，由高壓貧溶劑泵升壓送入脫硫塔實現(xiàn)循環(huán)使用。脫硫單元流程圖如圖1所示。

圖1 脫硫單元工藝流程圖

2.2 脫硫單元能耗分析

脫硫單元能耗設(shè)備主要有：高壓貧溶劑泵P-101、再生塔底泵P-102、液力透平HT-101、貧溶劑空冷器A-101、再生塔頂空冷器A-102、貧溶劑后冷器E-102、再生塔頂后冷器E-103和再生塔底重沸器E-104。其中液力透平為節(jié)能設(shè)備。脫硫單元能耗折算后設(shè)計值及標定值如表2所示，表中折算能耗正值為消耗，負值為節(jié)能或產(chǎn)出介質(zhì)。

由表2可知，高壓貧溶劑泵、液力透平和再生塔底重沸器能耗設(shè)計值與標定值相差較大。液力透平作為節(jié)能設(shè)備與高壓貧溶劑泵相連，以降低高壓貧溶劑泵運行電耗，兩臺設(shè)備性能曲線表明，其功率均隨介質(zhì)流量的增加而增大，設(shè)備性能試驗數(shù)據(jù)如表3所示。凈化廠通過平衡吸收塔塔板數(shù)、溶劑濃度及溶劑循環(huán)量等多方面因素，在滿足產(chǎn)品氣符合國標一類氣標準基礎(chǔ)上，優(yōu)化各項運行參數(shù)，合理降低溶劑循環(huán)量，實現(xiàn)節(jié)能降耗，故而高壓貧溶劑泵、液力透平能耗標定值與設(shè)計值偏差較大。

表2 脫硫單元能耗分析

表3 設(shè)備性能試驗數(shù)據(jù)

再生塔底重沸器能耗標定值大于設(shè)計，主要原因為貧富溶劑換熱器運行溫度高、內(nèi)部介質(zhì)腐蝕性強，長周期運行導(dǎo)致設(shè)備本體內(nèi)存在結(jié)垢、內(nèi)漏等情況，降低換熱效率，富溶劑經(jīng)換熱后入再生塔溫度低于設(shè)計值。為保證再生效果，需增加重沸器低壓蒸汽用量來維持再生塔內(nèi)溫度，是造成脫硫單元運行能耗高于設(shè)計能耗的主要原因。

3 貧富溶劑換熱器運行現(xiàn)狀

凈化廠4列裝置共計8臺貧富溶劑換熱器，自投產(chǎn)運行至今設(shè)備本體內(nèi)均存在不同程度的結(jié)垢及內(nèi)漏情況。貧富溶劑換熱器運行環(huán)境為脫硫單元高溫區(qū)段，貧溶劑經(jīng)高溫再生后進入換熱器溫度高于100 ℃，長期高溫環(huán)境易導(dǎo)致脫硫溶劑降解并形成熱穩(wěn)定性鹽，聚集附著在換熱器內(nèi)壁導(dǎo)致其結(jié)垢嚴重，降低了換熱效率。脫硫溶劑吸收原料氣酸性組分后，對設(shè)備腐蝕性增強，長期沖蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器板芯穿孔內(nèi)漏，當脫硫單元負荷波動較大時會導(dǎo)致?lián)Q熱器偏流，嚴重影響換熱效果[6-7]。貧富溶劑換熱溫度及再生蒸汽用量如表4所示。

表4 貧富溶劑換熱溫度及再生蒸汽用量

4 貧富溶劑換熱器優(yōu)化改造

貧富溶劑換熱器起著貧、富溶劑換熱的效果，直接影響再生后貧液品質(zhì)和脫硫后天然氣中硫化氫的含量，是凈化裝置脫硫單元的關(guān)鍵設(shè)備。針對貧富溶劑換熱器換熱效果差、脫硫單元運行能耗較設(shè)計值高這一情況，在第1列凈化裝置檢修期間對貧富溶劑換熱器進行優(yōu)化改造，貧富溶劑換熱器優(yōu)化改造前后參數(shù)如表5所示，優(yōu)化改造前后低壓蒸汽用量如圖2所示。

表5 貧富溶劑換熱器優(yōu)化前后參數(shù)對比

圖2 貧富溶劑換熱器優(yōu)化前后再生塔底重沸器 低壓蒸汽用量

再生塔底重沸器低壓蒸汽設(shè)計用量為38.8 t/h，由圖2可以看出，貧富溶劑換熱器優(yōu)化前蒸汽用量高于設(shè)計值，優(yōu)化后蒸汽用量降低明顯且低于設(shè)計用量。通過計算得出，貧富溶劑換熱器優(yōu)化改造前低壓蒸汽用量平均約為40.3 t/h，優(yōu)化改造后低壓蒸汽用量平均約為37.7 t/h，較改造前節(jié)約蒸汽用量2.6 t/h，實現(xiàn)改造后低壓蒸汽用量低于設(shè)計值。能耗折算后，脫硫單元運行能耗降低至96 353.4 MJ/h，實現(xiàn)脫硫單元運行能耗低于設(shè)計能耗。經(jīng)優(yōu)化改造后，貧溶劑出口溫度由78.9℃降低到71.0℃，富溶劑入再生塔溫度由85.9 ℃升高到92.5 ℃，換熱效果明顯提升。第1列凈化裝置運行時間按8 000 h/a計算，可實現(xiàn)節(jié)約蒸汽用量約20 800 t，年節(jié)約成本約180萬元。

5 結(jié)語

(1)對第3列凈化裝置滿負荷運行狀態(tài)下各單元能耗進行標定，結(jié)果表明，脫硫單元設(shè)計能耗及標定能耗最大，脫硫單元能耗在凈化裝置總能耗中占比最高。且脫硫單元標定能耗大于設(shè)計能耗，兩者差值為凈化裝置各單元最高。

(2)對脫硫單元各設(shè)備運行能耗進行標定，并通過與脫硫單元設(shè)計能耗對比，分析得出貧富溶劑換熱器換熱效果降低，致使再生塔底低壓蒸汽用量高于設(shè)計值，是脫硫單元運行能耗高于設(shè)計能耗的主要原因。利用1列凈化裝置停工檢修期間對貧富溶劑換熱器進行優(yōu)化改造，優(yōu)化改造后可實現(xiàn)脫硫單元運行能耗低于設(shè)計能耗，年節(jié)約蒸汽用量約20 800 t，年節(jié)約成本約180萬元。