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第 29 卷第 5 期 l油 气 加 工 I 3 1O IL A N D G A S T R E A T IN G A N D P R O C E S S IN G I I I 油亏加工 I 天然气净化装置应用水热媒技术探讨 马杰 岑兆海 袁煜 操东冰 1 ． 中国石油西南油气田公司川西北气矿 ， 四川江油 6 2 1 7 0 9 2 ． 中国石油西南油气田公司开发部 ， 四川成都 6 1 0 0 5 1 摘 要 对水热媒技术在 天然气净化装置 的应用进行 了研 究。运用 P R O ／ 1 1 流程模拟软件 ， 计算确认 比 热容 、 动力粘度 、 导热系数 、 焓值 四项物性参数上 ， 水优于 三甘醇溶液 。 通过 与钢铁 、 石化行业 已成功 运行 的水 热媒 技术进行比较 ， 肯定 了该技术应用于天然 气净化 装置 的安全和 可行性 。 与低压蒸汽相 比， 天然气净化装 置采用水热媒技术供热 ， 在 节水 、 节 电、 辅料 消耗 、 本质安全性 能、 降低 操作人 员数 量 等方面具 有显著的优势。 建 议在 天然气净化装置设计或 改造 中， 应依据 实际情况 ， 不拘泥于传统 ， 统 筹考 虑， 选择适 宜的供 热方式。 关键 词 天然 气净化 ； 水 热媒 技术； 低 压饱和蒸汽 文献 标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 1 0 5 0 0 3 1 0 5 0前 言 天然气净化装置通常采用低压饱和蒸汽供热 ， 国 内仅有两套净化装置采用非蒸汽供热。 第一套是 1 9 8 9 年 7月 四川 I 石 油 管 理 局 从 加 拿 大 马 龙 尼 钢 铁 公 司 Ma l o n e y S t e e l L t d ． 引进 的 5 0 x 1 0 m 3 ／ d橇 装 天然 气净 化装置 ， 该装置采用 5 0 ％ 乙二醇溶液作为热媒[ 。 第二套是 中国石油长庆油气 田第一采气厂 ， 即靖边气 田第三净化厂 ， 该厂采用 6 0％ W 三甘醇溶液作为热 媒 1 靖边气 田第三净化厂 1 ． 1 供 热 系统 2 0 0 3年 1 0月 ，靖 边气 田第 三净化 厂 从加 拿 大普 帕 克 系统 公 司 P r o p a k S y s t e m s L t d ． 引进 了一 套 处 理 能 力为 3 0 0 x 1 0 m3 ／ d的天 然气 净 化橇装 装 置 ，该装 置 加 热系 统采 用 甘 醇溶 液作 为热媒 。图 1 为 靖边气 田 第三净化厂热媒供热系统 ， 6 0 ％ W三甘醇溶液储存 于热媒缓 冲罐中， 进缓冲罐i甘醇溶液的温度设定为 1 4 9 o C， 压力设定 为 1 ． 0 MP a ， 由热媒循环泵将三甘醇 溶 液升 压至 1 ． 4 MP a ， 然后 由工艺 加热炉加热至 1 7 7 ， 最后进入脱硫重沸器为胺液再生提供热量 ， 从脱硫重 沸器出来 的冷热媒回到热媒缓 冲罐 ， 形成一个闭路循 环 [ 图 1 靖边气 田第三净化厂热媒供热系统 收 稿 日期 2 01 1 04 29 作 者 简 介 马 杰 1 9 7 7 一 ， 男 ， 四川巴中人 ， 工程师 ， 学士 ， 主要从事 天然气处理 、 天然气化工工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l l 3 2 l 仁 0 1 1 年 1 0 月 1 ． 2模 拟计算 和 分析 本文采用美 国 I n v e n s y s S i mS c i 公司流程模拟软 件 P R O ／ Ⅱ， 对三甘醇溶液的物性参数进行模拟计算 ； 并运用 N R T L热力学计算方法 ，拟合三甘醇溶液 的 气一 液平衡相冈， 进行泡点计算 。 1 ． 2 ． 1 三甘醇 溶液 物性 参数 相同换热负荷 ， 热媒的比热容越大 ， 循 环量越小 ； 动力粘度越小 ， 循环泵的功耗越小 ； 导热系数越大 ， 换 热设备的尺寸越小 ， 越有利于减少投资 ； 焓值越大 ， 循 ∞ ● 日 凸_ 鲁 颦 1 ． 6 1 ． 4 0 4 0． 2 0 O- 6 o． 5 一 ● 图 2 比 热容 0 ． 1 0． 2 0． 3 0 ． 4 0． 5 0 ． 6 0． 7 0 ． 8 0． 9 1 T E G质量 分数 图 3动 力粘 度 0 0． 1 0． 2 0 ． 3 0 ． 4 0． 5 0 ． 6 0． 7 0． 8 0． 9 1 T E G质量分 数 图 4导 热 系 数 b D ● i 四 图 5焓值 环 量越 小 ， 循 环泵 能 耗也越 低 。 图 2 、 图 3 、 图 4 、 图 5反 映 出 相 同温 度 和压 力下 ， 三甘 醇质 量分 数越 大 ，三甘 醇 溶液 的 比热 容 越小 、 动 力粘度越大 、 导热系数越小 、 焓值越小 ； 三甘醇质量分 数 为 0 即水 ， 比热 容 最 大 、 动 力粘 度 最 小 、 导 热 系 数 最 大 、 焓 值 最大 。 因此在 比热容 、 动力粘度 、 导热系数 、 焓值四项物 性 参数 上 ， 水 优 于任何 质 量分 数 的三甘 醇溶 液 。 1 ． 2 - 2泡点 确 定 泡点 的意 义 热媒 被 加 热后 ， 可 能 出现 汽化 ， 形成 气液 两 相 ，这对 系 统 的安 全运 行 是 非 常不 利 的 ， 因此应避免热媒出现气相 ， 亦即确保热媒始终处于泡 点温 度 以下 即液相 运行 。 从 图 6 、 图 7得 出 1 ． 0 MP a、 1 ． 4 MP a下 ， 6 0％ W 摩 尔 分 数 为 1 5 ． 2 5％三 甘 醇 溶 液 的泡 点 分 别 为 1 91 ． 6 5℃ 、 2 0 6 ． 3 7 。 表 1将 1 ． 0 MP a 、 1 ． 4 MP a三 甘 醇溶 液 泡点 、水 沸 点 、设 定操 作 温度 进行 了 比较 ，由表 l可见 1 ． 0 MP a 下 ，水的沸点高于 1 4 9℃的设定温度 ； 1 ．4 MP a下 ， 水 的沸点高于 1 7 7℃的设定温度 。 4 20 4 00 38 0 3 60 3 40 3 2 0 篝3 0 o 28 0 2 60 2 40 22 0 2 00 l 8 0 图 6 1 ． 0 MPa三 甘醇 溶 液 气 一 液 平 衡 相 图 4 3 2 1 0 O 0 O g ． 李、 瓢 蕞蹄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 7 1 ． 4 MP a三甘醇溶液气一 液 平衡相 图 表 1 泡 点 、 沸点 对 比 从理论计算来看 ， 在现有温度 、 压力设定条件下 。 采用水替代 6 0％ 三甘醇溶液作为热媒 ， 更适合靖 边气 田第三净化厂。 为什么弃廉价的水而选用 昂贵的三甘醇溶液呢 唯一 可行 的解 释是 气 温 。6 0％ 三 甘 醇溶 液 的 凝固点为一 3 5℃_ 5 ] ， 靖边地处陕西北部 ， 年极端最低气 温一 2 8 ． 5℃_ 6 ] ， 为防止热媒冻结 、 损坏设备 ， 所 以才选择 了凝 固点更低 的 6 0％ 三甘醇溶液。 2水 热媒技术 2 ． 1 应用 实例 目前 ， 国内天然气净化装置无纯水作为热媒 的先 例 ， 但在类似工业装置 中， 已有采用 除盐水作为热媒 的实例， 通常称为水热媒技术。 2 ． 1 ． 1 钢铁行业的应用 水热媒技术在钢铁行业 的运用较早 ， 1 9 9 0年宝钢 就成功采用水热媒热风炉余热 回收装 置对 1 号 高炉 进 行 节能 改造 表2三甘醇溶液 、 水 作为热媒对 比 OI L AND GAs TRE AT I NG AN 第 D OCE SSI N 期 G l 油 号 加 工 b 3 I I A S P R I油 号 加 工 p 、， 宝钢 1号高炉热风炉烟气余热 回收装置由烟气 、 空气、 煤气换热器各 1台， 水热媒压送系统组成 。以循 环水 泵提供 的动力 ， 使热媒水在 由 3台换热器 、 循环 水泵和连接 管路组成 的密闭系统中作周而复始 的运 动。热媒水在烟气换热器 中吸收烟气放 出的热量 ， 使 烟气 的温度从 2 4 0 ～ 3 0 0℃降低到 1 5 0 o C，热媒水温度 由 1 2 0℃升至 1 9 0 o C 在空气和煤气换热器 中， 热媒水 又把这些热量传递给空气和煤气 。 使空气和煤气从常 温加热到 1 3 0 1 6 0 c I 二 ， 自身温度降至 1 2 0℃。 循环水泵 前压 力设 定 为 2 MP a ，循 环 水泵 出 口压力设 定 为 2 ． 4 ～ 2． 5 MP a E 引。 2 ． 1 ． 2 石 化行 业 的应用 从 2 0 0 0年起 ， 中 国石 油 、 中国石 化 下属 石 化企 业 开始采用水热媒空气预热器替代原有管式空气预热 器和热管式空气预热器 ， 对常减压 、 延迟焦化 、 加氢 、 连续重整装置的加热炉 、 催化裂化装置的余热锅炉进 行改造 ” ] 。 据 文献 介 绍 中石 化 长 岭分 公 司 采用 水 热 媒 空 气预热装置替代原有热管空气预热器 ， 对 2号常减压 装 置 进 行改 造 。热媒 水 的设 定压 力 为 2 ． 0 MP a ， 1 3 0 o C 热媒水 回收两 台烟气换热器热量后温度升至 1 9 0 o C， 再在 2台空气换热器和 1台低 温水换热器 中分别加 热加热炉燃料所需的空气和用于发 电的低温水 ． 温度 降至 1 3 0 o C，然后经过循环水泵 回到烟气换热器 ， 如 此循环周转 。 2 ． 1 ． 3 实例 综 述 水热媒技术在钢铁 、石化行业 已成功运用 2 0年 和 1 0年时间。高炉烟气余热 回收、 石化行业加热炉烟 气余热 回收 中， 热媒水 的压力设定范围 、 操作温度区 间与天然气净化装置供热系统的工况条件基本相同， 因此 天然 气 净 化 装 置 应 用水 热 媒 技 术 在 工 业 运 行 上 是 安全 、 可行 的。 2 ． 2能 耗对 比 靖边气 田第三净化厂 6 0％ 三甘醇溶液循环量 为2 3 0 m ／ h _ 3 ] ，经计算重沸器换热负荷为 1 8 ． 6 4 1 l x 1 0 k J ／ h 注 ①理论功耗， 即假设泵的效率为 1 0 0 ％； ②循环泵型号以表 2中参数为依据选取。 O 0 O O O 0 O O O 0 0 O 0 0 ” 驺 “ ＼ 越赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 0 1 1 年1 0 月 表 2将靖边气 田第三净化厂分别采用水 、 j甘醇 溶液作为热媒 的密度 、 动力粘度 、 流量 以及循环泵 的 功耗 进行 了对 比 ， 从表 2可得 出 a 采用除盐水替代 6 O％ W 三甘醇溶液 ， 热媒循 环量可 由 2 3 0 r n 3 ／ h降至 1 6 6 ． 6 7 5 m 3 ／ h ，可相应减小设 备 、 管道的尺寸 ， 这对于橇装装置具有较大意义 ； b 采用除盐水替代 6 0％ W 三甘醇溶液 ， 循环泵 电耗也能大幅降低 。按每年 8 0 0 0 h运行时间计 。 循环 泵理论功耗可降低 4 3 4 4 0 k W；以电机额定功率计算 的电耗可降低 6 4 0 0 0 k W c 目前 ， 三甘醇市价 7 5 0 0元／ t 左右 ， 远高于除盐 7 k 。 因此 ， 采用除盐水替代三甘醇溶液 ， 能进一步降 低天然气净化装置的采购 、 运行成本 。 2 ． 3结冰 问题 水的冰点为 0℃，当气温低于 0 o C，热媒水会结 冰 ， 可能 损坏 热媒 系统 ， 对该 问题 作 如下考 虑 除高纬度 、 高海拔地区 ， 通 常只有冬季气温低于 0 ， 而冬季正是天然气需求高峰 ， 除非特殊情况 ， 天 然气净化装置应当满 负荷 、 正常运行 ； 若采用水热媒 技术 ， 运行期间热媒 水温度维持在 1 4 9 ～ 1 7 7℃， 不存 在结 冰问题 。 针对冬季临时停产情况 ， 可考虑在热媒缓冲罐内 设置电加热器 ，将供热系统内的热媒水退人缓 冲罐 ， 采用电加热将热媒水温度维持在 0℃以上 若冬季停 产时 间较长 ， 认 为电加热成本高 ， 可考虑将热媒水移 出供热系统 ， 以保护设备 。 2 ． 4适 用规 模 传统观念认为 热媒供热只适用 于规模较小的天 然气净化装置 ， 处理量 8 0 1 0 m3 ／ d以下。 靖边第三净化厂重沸器换热负荷 1 8 ． 6 4 1 1 1 0 k J ／ h ， 若采用 0 ． 4 5 MP a A 饱和蒸汽加热 ， 需 8 ．7 9 l ／ h 。 与国内天 然气净化装置蒸汽耗量 比较， 8 ． 7 9 帆 的量已非常大。 靖边第三净化厂的投运用 事实证 明热媒 供热同 样适用于处理量较大的天然气净化装置。 3应 用优 势 与传统低压饱和蒸汽供热相 比， 水热媒技术在天 然气净化装置应用优势如下 3 ． 1 水 耗低 靖边第 三净化 厂热媒 系统 自 2 0 0 3年 1 0月底投 运 ， 至 2 0 0 4年 1月 5日， 热媒系统的储罐液位没有变 化 ， 说 明其损耗低 。水热媒供热系统密闭循环使用 ， 其 水 耗非 常低 。 目前 ， 国内天然气净化装置通常采用离子交换制 备 除盐水 ， 以供 给锅炉和脱硫溶液 ， 其 中用于补充脱 硫溶液的除盐水所 占比例非常小 ， 除盐水主要是作为 锅炉给水 ； 水热媒供热方式装置的水耗主要为补充脱 硫溶液 ， 热媒 的水耗非常低 ， 因此水热媒供热方式能 大幅降低装置对除盐水的需求 ， 除盐水制备系统规模 也可大幅缩减； 若条件许可 ， 可采用外供 除盐水 ， 从而 取消除盐水制备系统 。 水热媒供热方式的装置也无需 设 置凝 结水 回收系统 。 蒸汽供热方式 由于存在锅炉排污 、 除盐水制备系 统 阴 阳离子 交换 树脂 的再 生 ， 其水耗 很 大 。 因此 ，水热媒供热方式与蒸汽供热方式相 比， 在 节水方面具有显著的优势。 我 国天然气主产区集中在西部的内蒙古鄂尔多 斯 、 新疆 、 青海 ， 而水资源恰恰是这些地 区的短板 ； 川 渝天然气产区很多地处盆地边缘 山区 ， 取水 、 供水系 统 的投资 以及 运 行 费用 也相 对较 高 ； 西 气 东输 二 线 主 气 源位于 中亚腹地 ， 其水资源更是紧缺 ； 由于水热媒 技 术 采用 密 闭循 环 ， 在节 水 方 面 的显 著优 势 对 于我 罔 天然 气净 化具有 积极 的现实 意义 。 3 ． 2易橇 装化 国 内两套热媒供 热 的净化 装置都 采用橇装 ， 同 理 ． 水热媒技术亦易实现橇装 。 橇装化优势在于 缩短 建设周期 、 占地面积小 、 可靠性高 、 安装简便 。 3 ． 3辅料 消耗低 采用蒸汽供热方式 的净化装置在运行期 间， 除盐 水制备系统需消耗酸 、 碱用于阴阳离子交换树脂的再 生 ， 锅炉运行需消耗磷 酸盐 水热媒技术可大 幅降低 酸 、 碱 的消耗 ， 无需 消耗 磷 酸盐 。 3 ． 4本质 安全 性能 更高 水热媒为液态 。 而蒸汽为气态 ， 因此相较于蒸汽供 热方 式 ， 水热 媒供热 方式潜 在的安全 风 险要 小很 多。 从国内天然气净化装置的运行情况来看 ， 脱硫重 沸 器 的腐 蚀 较 大 ， 这 主 要 是 因为蒸 汽供 热存 在 汽 液相 变 ， 容 易在 脱硫 重 沸器 管板 汽 、 水 界 面处 造 成腐 蚀 ， 而 水热媒技术 由于不存在相变 ， 对设备 、 管道 的腐蚀相 对 较小 。 3 ． 5有效 降低 操 作人 员数 量 蒸汽供热天然气净化装置通常需在锅炉 、 除盐水 制备系统设置数名操作人员 ； 而水 热媒供热系统无需 专人操作管理 ， 其 除盐水需求量的大幅下降 ， 也可不 配备 或少配备 专人操作管理除盐水制备系统。 目前 ， 国内从事天然气净化操作管理的人员并不 富余 ． 随着 国家对天然气资源需求 、 开发力度 的加大 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I I 2 9 O L AND GAS TREAT NG AND PROCES SI N 期 G I油 气 加 工 l 3 5 I I l油 亏 刀 口 工 l u J 如何充分挖掘现有人力资源 ， 以满足不断增加 的含硫 天然气开发需要 ， 是我们必须思考的问题 ； 这方面 ， 水 热媒技术是一条可供参考的思路。 4结论与认识 a 天 然气 净 化装 置 供 热 系统 采 用水 热 媒 技术 ， 较 之三甘醇溶液 ， 在 比热容 、 动力粘度 、 导热 系数 、 焓值 方面的性能更好 ， 能进一步降低装置能耗。 b 水 热媒技术在钢铁 、 石化行业的广泛应用 ， 说 明该技术是安全 、 可行 的。 c 水热媒技术同样适用于处理量较大的天然气净 化装置 d 天然气净化装置应用水热媒技术易实现橇装化。 e 水热媒技术可显著降低天然气净化装置 的水耗 和辅料 消耗 。 f 水热媒技术可进一步降低天然气净化装置的操 作人员数量。 与低压饱和蒸汽供热相 比。 水热媒技术有其独特的 优势 ， 在设计或改造中 。 应根据实际情况 ， 不拘泥于传 统， 统筹考虑， 选择天然气净化装置适宜的供热方式。 参考文献 [ 1 ] 岑 兆海 ， 谢林． 乙二醇在天 然气净化 装置 中的应 用[ J ] ． 石 油与 天然 气化 工 ， 1 9 9 2， 2 0 1 3 4 3 7 ． [ 2 ]张乃骞． 橇装 装置的发展及橇 装特 点 [ J ] ． 天然 气与石 油 ， 1 9 9 6， 1 4 3 1 6 1 9 ． [ 3 ]宋丽丽 ， 李亚萍， 张剑波 ， 等． 三甘 醇作 为热媒 的供 热方式在 天然气净化装置中的应用[ ‘『 ] ． 宁夏石油化工， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 8-3 0． [ 4 ] 张 书成 ， 赵 玉君 ， 胡兴民 ， 等． 净化单元热媒替代 蒸汽供 热可 行性 分析研 究[ J ] ． 石 油化工应用 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 5 2 5 7 ． [ 5 ] Ca mp b e l l J M Ga s C o n d i t i o n i n g a n d P r o c e s s i n g [ M] ． Ok l a h o ma Ca mp be l l Pe t r ol e um S e r i e s ， 1 99 0， Vo 1 ． 1 1 72 ． [ 6 ]李正才． 靖边 天然气净化 厂总 图设 计 [ J ] ． 天然 气与 石油 ， 1 9 9 7， 1 5 3 3 6 3 9 ． [ 7 ] 谢 泽民． 高炉热风 炉水 热媒 余热 回收 [ J ] ． 宝钢技 术 ， 1 9 9 1 ， 9 4 4 5 -4 9 ． [ 8 ] 谢 泽民． 宝钢 1 号 高炉热风 炉水热媒余热回收装置设计 [ J ] ． 炼铁 ， 1 9 9 1， 1 0 4 3 2 3 5 ． [ 9 ] 钱卫国． 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