TEG脱水工艺在凝析气田集气站的应用

汤国军 李牧松 周 军 刘 棋 程 林 黄文峰 许 言

1.中国石油工程建设有限公司西南分公司,四川 成都 610041;2. 中国石油工程建设有限公司,北京 100120;3. 中国石油西南油气田公司天然气净化总厂,重庆 401259

0 前言

若凝析气或油田伴生气在输送过程中形成水合物和析出液体,则可能造成管线冻堵、腐蚀等问题,如气体中含有硫化氢,析出的酸性液体可能腐蚀管线,因此通常需要对凝析气或油田伴生气进行脱水以满足干气输送的要求[1]。中国有很多油气田产生凝析气或油田伴生气(比如塔里木油田、长庆油田、大庆油田等)，以往油气田产生的凝析气或油田伴生气与常规天然气相比,除烃含量稍高外,其他方面并无太大差异[2]。但随着国家对天然气开采力度的加大,近年来中国也逐渐开采了一些含硫化氢、重烃、高温、高压的凝析气或油田伴生气[3-5],因此有必要加强对凝析气田三甘醇(TEG)脱水工艺的研究。本文以国外某凝析气田集气站为例介绍了含硫化氢、重烃,高温、高压的凝析气TEG脱水装置的设计和运行特点,分析了存在的问题,并提出了有效的优化措施,可为类似凝析气田集气站TEG脱水装置的建设提供借鉴。

1 工艺流程及参数

TEG脱水工艺具有流程简单、可获得较大露点降、热稳定性好、易于再生、损失小、投资和操作费用省等优点[6]。TEG溶液再生时使用汽提气,以提高脱水深度、节约能耗,可满足产品天然气对不同水露点的要求。国外某凝析气田集气站设计原料气处理量为600×104Nm3/d(Nm3为标方,标准状态在0 ℃,101.325 kPa,下同),原料气温度30～52 ℃,操作压力10.8 MPa，原料气组分见表1。经过方案比选[7-8],该气田选用TEG脱水工艺。

表1 原料气组分表Tab.1 Components of raw gas

1.1 工艺流程

TEG脱水装置采用质量分数约99.5%的TEG作脱水剂,可脱除原料气中绝大部分饱和水,经TEG吸收塔脱水后的干天然气进入外输管线(满足在出站压力条件下水露点≤-5 ℃)。吸水后的TEG富液采用常压火管式重沸器加热再生,热TEG贫液经换热、加压、冷却后返回TEG吸收塔,循环使用。TEG富液再生过程产生的废气主要为水蒸气,同时含有少量的硫化氢、二氧化碳、烃类气体,通过废气灼烧炉灼烧后的废气排入大气,排放废气满足当地大气污染物排放标准[9]。工艺流程见图1。

图1 工艺流程示意图Fig.1 The process flow diagram

1.2 主要工艺参数及设备参数

1.2.1 主要工艺参数

国外某凝析气田集气站为了满足干气输送的需要,避免在管道输送过程中有凝液析出,要求干气实际水露点温度低于出站压力条件下的水露点5 ℃(即冬季0 ℃,夏季5 ℃),溶液循环量为10 m3/h,主要工艺参数见表2。

表2 主要工艺参数表Tab.2 Main process parameters

1.2.2 主要设备参数

TEG脱水工艺的主要设备有吸收塔、重沸器、TEG闪蒸罐等,主要设备参数见表3。

2 装置运行情况、存在问题及原因分析

2.1 装置运行情况

国外某凝析气田集气站TEG脱水装置自2019年投产以来,总体运行平稳,已累积处理含硫原料天然气59.4×108Nm3,主要运行参数见表4。

表3 主要设备参数表Tab.3 Main equipment parameters

表4 主要运行参数表Tab.4 Main operation parameters

2.2 存在问题及原因分析

TEG脱水装置在初期试运行过程中整体较为平稳,但由于重烃溶解到TEG溶液中引发了一些问题[10-12]。

2.2.1 TEG溶液循环泵振动

TEG溶液系统在脱水过程中夹带大量烃液,TEG和烃液混合物在经过TEG溶液循环泵入口时由于压力降低,部分烃液汽化,导致TEG溶液循环泵泵头运行时柱塞腔内的TEG溶液夹杂气体,产生气液混输现象,进而影响TEG溶液循环泵正常工作,在出、入口管线和泵头上产生较大振动。经现场检测,TEG溶液循环泵出、入口管线和泵头前、后端的振动值均较大,分别达到9.8 mm/s、4.8 mm/s、4.6 mm/s和4.9 mm/s,TEG溶液循环泵入口管线振动值最高达到31.8 mm/s,振动值检测见图2。TEG溶液循环泵的振动会加大泵内易损件损耗,引发管路移位,情况严重时会导致固定件脱落,造成柱塞顶缸等设备事故。

2.2.2 TEG溶液过滤器频繁堵塞

由于原料气带入的烃类和杂质较多,TEG溶液会将原料气中的烃类和杂质溶解或洗涤下来,原料气带入的重烃对TEG溶液系统影响较大,极易造成滤芯堵塞。TEG溶液过滤器滤芯更换频繁,约10 d需要更换1次滤芯。

2.2.3 废气灼烧炉振动及超温

由于TEG再生后的废气中含有大量的凝析油与水,大量凝析油与水随再生时的汽提气进入废气灼烧炉,造成废气灼烧炉内燃烧不充分、冒黑烟甚至产生火焰,见图3,同时造成废气灼烧炉振动甚至炉内耐火材料脱落;炉膛内燃烧温度达到850～900 ℃,远高于设计温度600 ℃,造成废气灼烧炉超温,温度计容易损坏;再生时产生的废气气量大、流速高，产生较大噪音。

图3 废气灼烧炉运行情况照片Fig.3 Photo of tail gas incinerator in operation

3 优化措施

为保障TEG脱水装置在处理含重烃的原料气时能平稳、安全运行,根据含重烃原料气气质特点及类似工程的运行经验[13-15],提出以下优化措施。

3.1 TEG溶液循环泵振动优化措施

重烃进入TEG溶液系统后,随TEG贫液进入TEG溶液循环泵，在泵入口及泵体中析出,造成TEG溶液循环泵振动、运行不稳定,影响TEG溶液循环泵的长周期安全运行。建议在TEG溶液循环泵入口设置缓冲罐或管道阻尼器,若TEG脱水装置处理的原料气中重烃含量特别多(质量分数≥0.5%),则应在泵入口设置一定容积的缓冲罐,若原料气中重烃含量较少则可设置管道阻尼器。同时为避免由于TEG溶液循环泵入口温度高引起的振动,应对泵入口介质进行冷却。为便于调节溶液循环量和避免启泵时负荷大对供电系统冲击大,建议TEG溶液循环泵采用变频泵[16]。

3.2 TEG溶液过滤器频繁堵塞优化措施

将TEG溶液的前过滤器滤芯精度由50 μm更换为100 μm,TEG溶液的后过滤器滤芯精度由25 μm更换为50 μm。同时建议在TEG富液进入重沸器之前设置三相分离器,将溶解到TEG溶液中的重烃进行有效分离。

3.3 废气灼烧炉振动及超温优化措施

若无液滴进入废气灼烧炉就不会造成炉内的爆燃或液体膨胀汽化,因此建议在废气灼烧炉入口增加烃液分离罐,烃液分液罐内部设置高效分离元件,对100 μm烃液滴捕集效率≥99%,减少进入废气灼烧炉的重烃液滴,降低废气的热值,可缓解炉内燃烧不稳定、频繁低频振动的问题。同时在烃液分离罐出口管线增加电伴热(中高温型),伴热温度为可调,避免进焚烧炉前有液体冷凝。

除以上措施外，还可在TEG脱水装置入口增设原料气重力分离器、原料气聚结器，在TEG重沸器后增加再生气冷凝器等[17-18],降低原料气带入的杂质及烃含量。

4 实际应用效果

应用部分上述优化措施对国外某凝析气田集气站原TEG脱水工艺进行优化[19-20],并对部分优化措施进行了模拟计算,结果表明应用效果良好。

4.1 TEG溶液循环泵振动问题优化措施应用

在TEG溶液循环泵的出、入口增设了管道阻尼器,同时将泵入口管线从DN80扩径到DN150，系统容积增加(受空间限制,无法增加缓冲罐),优化后TEG溶液循环泵的入口振动大大减小。

4.2 TEG溶液过滤器频繁堵塞措施应用

将TEG溶液过滤器滤芯精度降低后,滤芯更换频率由1次/10 d降低到1次/60～90 d,更换频率大大降低。

在TEG富液进入重沸器前设置三相分离器，提高了撇油频率,使溶液中的含油量大大降低,效果明显。

4.3 废气灼烧炉振动及超温优化措施应用

在废气灼烧炉增加烃液分液罐,同时将烃液分离罐出口管线增加电伴热(中高温型)后,进入废气灼烧炉的液滴减少,废气灼烧炉振动减小,优化效果较好。对在TEG重沸器顶部增加冷却器进行了模拟计算[21-22],优化前后模拟计算结果对比见表5。

表5 含重烃原料气TEG脱水优化前后模拟计算结果对比表Tab.5 Comparison before and after TEG dehydration optimization based on simulation for heavy hydrocarbon-containing raw gas

5 结论与建议

本文结合含重烃的凝析气或油田伴生气气质特点对实际生产过程存在的问题进行了深入分析研究,提出了有效的优化措施。

1)为避免溶解于TEG中的重烃在TEG循环泵中析出影响泵的稳定运行,建议在TEG循环泵入口设置缓冲罐或管道阻尼器,若原料气中重烃特别多(质量分数≥0.5%)建议设置缓冲罐,重烃较少则设置管道阻尼器。

2)在TEG富液进入重沸器前设置三相分离器,将溶解到TEG中的重烃分离出来。

3)需对TEG重沸器顶部产生的再生气进行冷却后再分离,尽可能将再生气中的水和重烃分离出来。若再生气需进入废气灼烧炉进行灼烧处理,应在进入废气灼烧炉之前设置烃液分离罐,且分离器应靠近废气灼烧炉布置,以减少再生气中的游离液体进入废气灼烧炉,保障废气灼烧炉平稳运行。

4)在TEG脱水装置入口应设置原料气重力分离器和原料气聚结分离器,进行两级过滤分离,减少进入TEG溶液系统的重烃及杂质含量,保障TEG脱水装置平稳运行。