天然气三甘醇脱水装置节能分析.pdf

石油与天然气化工 CHEM l OAL E NG l NEERl NG OF O I L GAS 天然气三甘醇脱水装置节能分析 蒋 洪 杨 昌平。 吴 敏。 朱 聪 1 ． 西 南石 油大学 2 ． 四川科宏石 油天 然气工程有 限公 司 3 ． 中石 油塔 里木 油田分公 司开发处 摘 要 目前 ， 国 内多数三 甘 醇脱 水装 置运 行 状 况正 常 ， 基 本 能达 到 管输 天 然 气水 露点 的要 求， 但现有三甘醇脱水装置普遍存在甘醇贫富液换热效果差、 高压甘醇富液的压力能未得到有效利 用、 工艺参数不够优化等问题 ， 导致脱水装置的能耗偏高。为 了有效降低脱水装置的能耗 ， 实现脱 水装置 的节能运行 ， 本 文分析 了国 内三甘 醇脱 水装置 用能方 面存 在的主要 问题 ， 提 出了甘 醇脱水装 置 的主要 节能措施 ， 并对 常规 的三甘 醇脱水装 置 工艺流程 进行 节 能 改进 。在 流程 中应 用 了先 进 的 能量转 换泵和 高效的板 式换 热 器， 取 消 了甘 醇泵前水 冷却 器、 循 环水 系统及泵 出 口缓冲装 置 。本 文 对脱水工艺的应用实例进行 了工艺模拟和能耗分析 ， 分析表明 与常规三甘醇脱水装置相 比， 改进 后 的甘 醇脱水 工艺节能 效果显著 ， 提 高 了能量综合 利用 率 ， 简化 了工 艺流程 ， 在 工 艺设计 和技 术 改 造 中值 得推广使 用 。 关 键词 天然 气 三甘醇 脱 水装置 节能 能量转换 泵 板式 换热 器 DOI l 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 0 9 三甘醇脱水 是管输 天然气控制 水露点 的常用脱 水方 法 ， 在 国内外管 输 天然气 脱 水工 艺 中得 到 了广 泛应 用 。多年来 ， 国 内三甘 醇脱 水装 置 普遍 存 在甘 醇贫 富液换热效 果 差 、 高压 甘醇 富 液 的压力 能 未能 有效 利用 、 工艺参 数不够 优化 等 问题 ， 从 而导致 脱水 装置 的能耗 偏高 。本 文开展 天然气三 甘醇脱水 装 置的节能研究 ， 对 于 提高脱 水 装 置 的能量 综 合利 用率 ， 实现脱水装 置 的节 能运 行 具有 重 要 的现 实意 义 。论 文分析 了三甘醇脱 水装置用 能方面存 在的主 要 问题 ， 提 出了甘醇脱水装 置节能 的主要措施 ， 对常 规三 甘醇脱水工 艺 流程 进行 了节能 改进 ， 并 对脱 水 工艺 的应 用实例进 行 了工 艺模拟 和能耗分 析 。 1三甘醇脱水装置用能存在的主要I．q] 题 本 文 以J I I 渝地 区含硫 天然气矿 场脱水 的典型装 置 为例 ， 说 明国内现 有甘 醇脱 水 装置 用 能存 在 的 问 题 ， 国内其它气 田的三甘 醇脱 水 装置 工 艺流 程基 本 相同， 仅在闪蒸气及再生尾气的去向、 甘醇贫富液换 热顺序有 所不 同。 为控制天然气集输管线的腐蚀 ， 含硫天然气矿 场脱水 装置 的典型脱水 工艺流程 如 图 1 所 示 。湿 天 然气进 入进 口分离器 ， 分离 出固体杂质 、 游 离水等后 进入 吸收塔底 部 ， 与 塔 顶注 入 的贫 三甘 醇 溶液 逆 流 接触 而脱除水 。吸 收塔 顶部 出来 的天然气 经气体 一 贫 甘醇换热器 换热后进 入外输 管道 。吸收塔底部排 出的三甘醇 富液经 调压 后 ， 与再 生 塔顶 部 气体 换 热 后进 入闪蒸 分离器 ， 尽 可能 闪蒸 出其 中所 溶 的烃类 、 C O 、 H。 S等气体 ， 闪蒸气体 可进入灼烧 炉灼 烧后排 放 。闪蒸后 的 三甘 醇 富 液 经 过 甘 醇 过 滤 器 除去 固 体 、 液体 杂质 ， 进入 再 生 塔 换 热 罐 与 甘 醇 贫 液换 热 后 ， 三 甘醇 富液进 入再生塔 提浓 ， 再 生后 的三甘醇贫 液经冷 却后 由泵 输送 至 吸 收塔 ， 实 现三 甘 醇贫 液 的 循环利 用 。甘 醇再生塔 出来 的含硫 再生尾 气进入灼 烧炉灼 烧后排放 。 如图 1所示 ， 三 甘 醇脱水 装 置 的耗能 主要 由甘 醇再 生 、 甘醇循 环及循环 水系统 的能耗决定 ， 通过分 析现有三甘醇脱水装置用能情况 ， 其主要问题如下。 1 ． 1甘 醇贫富 液 换热 效 果差 ， 高温 甘醇 贫 液 的热 能 未 完全有效 回收利 用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9 卷 第2 期 天然气 三甘醇 脱水 装置节 能分析 长期 以来 ， 各气 田甘 醇脱 水装 置 中的甘 醇 贫 富 液换 热通 常是在 换热 罐 中设 置水 平 盘 管式 换 热 器 ， 但 因换 热罐 中流速 很低 ， 管外 传热 系数小 ， 罐 内各处 温度 大致接 近 ， 平 均 温差 不 大 ， 因此 ， 甘 醇贫 富液 换 热效果 差 ， 即使整个 盘管 在液 面下 ， 换 热后 的甘 醇富 液 温度 也不能 升至 9 3 。 C以上 ， 换 热后 三 甘 醇贫 液温 度 较高 一般在 9 5 。C以上 ， 导 致 高温 甘醇 贫 液具 有 的热 能未能有 效 利用 ， 增 加 了甘 醇再 生 塔 重沸 器 的热 负荷 ， 增大 了脱水装 置 的运行 成本 。 为 了降低甘 醇贫液 的温 度 以达到适宜 的泵 入 口 D 一 1 0 1 一原料 气过滤分 离器；T 一 1 0 l 脱水吸收塔；D ～ 1 0 2 闪蒸罐 ；E - 1 0 1 一贫富液换热 器；E 一 1 0 2 重沸 器； E 1 0 3 甘醇换热罐；E - 1 0 4 一甘醇冷却 器F - 1 0 1 机械预过滤器；F 一 1 0 2 一活性炭过滤器；F 一 1 0 3 一机械后过滤 器 T 一 1 0 2 T E 6 再生塔；P 一 1 0 1 一甘 醇循环 泵；H - 1 0 1 灼烧炉 图1典型 天然气甘醇脱水装置工艺流程 温度 ， 国内多数三甘醇脱水装置常设置 了水冷却器 和循 环水 系统 ， 增 加 了脱 水装 置 的能耗 和投 资 。根 据气 体处理 规模 的不 同 ， 水 冷 却 器 的主 要 型式 有 水 浴冷却 器和 管壳 式 换 热器 。在 夏 季 气 温较 高 时 ， 水 浴冷却 器换热 效果 较差 ， 导致甘 醇人 泵温度 偏高 ， 影 响泵的工作寿命 。大型脱水装置 如克拉 2气 田三 甘醇脱 水装置 处 理规 模 为 5 0 0 1 0 m ／ d等 采 用 管壳式换 热器作 为 甘 醇贫 液 的冷却 器 ， 实现 甘 醇 与 循 环水换 热 ， 但 是管壳 式换 热器结 垢严 重 ， 导 致甘醇 贫 液人泵 温度和 进吸 收塔 温度偏 高 。 L 2高压甘醇富液的压力能未得到有 效利用 ， 能量 的综合利用率低 根据 三甘 醇 脱水 原 理 ， 三 甘醇 脱水 系统 由高 压 吸收 系统 、 低压 再 生 系 统组 成 。从 吸 收 塔底 部 出来 的高压 甘醇 富液 常采 用 液位 控 制 阀调 节 压 力 ， 其 压 力 能消耗 于控 制 阀上 ， 未得 到有 效利用 ， 低压 甘醇 贫 液采用 甘醇循 环泵 增 压将 消耗 一 定 的 能量 ， 使 能 量 的综合 利用率 低 。国 内三 甘醇脱 水装 置 的甘醇泵 普 遍 采用 柱塞式 计量泵 或 隔膜 式计 量泵 。 电动柱塞泵 出 口压力 波动 较大 ， 流量不 稳定 ， 在泵 出 口处设 有缓 冲罐 ， 流量 调节 不便 ， 噪音 大 ， 泵 使 用 寿命 及 维 护周 期较 短 。现在部 分三 甘醇脱 水装 置通过 对 电机 加装 变频 器实现 流量 调节 ， 有利 于降低 泵 的能耗 ， 但 高 压甘 醇富液 的压力 能仍 然未得 到有 效利用 。 当甘 醇贫 液质 量 浓 度 为 9 8 ． 7 4 ， 甘 醇 贫 液 由 常压增 至 6 ． 8 MP a时 ， 甘醇泵 需 消耗 的理论 能耗 为 2 ． 6 k W／ m。 TE G。对于 大 型脱水 装 置 ， 甘醇 循 环 泵 的动力 消耗将 随着 甘醇循 环量 的增加 而增 大 。 1 ． 3 T艺操作 参数 不够优 化 ， 增加 了脱水装 置能耗 目前 ， 国 内多 数三 甘 醇脱 水装 置 普 遍缺 少 在线 或 便携 式 露 点分析 仪 、 酸度 计 、 甘醇组 分分析 仪等 设备 ] 。现 场操作 人员 对脱 水装置操 作参 数 的调节 和控 制存在 一定 的盲 目性 ， 致 使 甘 醇贫 液循 环量 及 浓度 、 再生 塔重沸 器温度 、 再 生气塔 顶温度 等工 艺参 数不合 理 ， 从 而导致 脱水 装置 的能耗 增加 ， 甚至造 成 脱水 效果下 降和 甘醇损 失量 增加 。 另外 ， 再 生重 沸器火 管表 面结垢 ， 将 降低 火管 的 传热效率， 增加再生重沸器的燃料气消耗。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEE Rl NG OF Ol L GAS 2三甘醇脱I 装置节能措施 根据三甘 醇脱水原 理和 国内现有脱水 装置用 能 方 面存 在 的问题 ， 对 三甘 醇 脱水 装置 提 出 了节 能改 进措 施 ， 其 主要 措施如下 。 2 ． 1 采用能量转换泵有效利用高压甘醇富液的压力能 应用 能量 转换泵 替代常规 的柱塞式计 量泵作 为 甘 醇泵 ， 可有效 回收高压 甘醇 富液 的压力 能 ， 节省甘 醇泵 的 电 能 消耗 。 目前 ， 能 量 转 换 泵 主要 有 美 国 R o t o r Te c h公 司开 发生产 的能 量转换 泵及 Hy d r a L e c t r i k甘 醇 泵 和 美 国 Ame r i t e c h公 司 生 产 的 k i mr a y能量转 换泵 。三 种 能 量转 换 泵 都 已在 国外 三 甘醇脱 水装置 得到成功 应用 。 Ro t o r Te c h能量转 换泵是 将富甘 醇 的压 力能 转换 为同轴 的机 械能 ， 实 现三甘醇 贫液 的增压 ， 从 而 完成 三甘醇溶液 的循环 。能量转换 泵 由驱 动模块 和 泵模块组 成 ， 其 结构 示 意如 图 2所 示 。驱 动模块 接 收甘 醇吸收塔 出来 的高 压三 甘 醇 富液 ， 通过 驱 动模 块 中的驱动齿轮 ， 将 甘醇 富 液 的压力 降低 至 闪蒸 压 力 ， 并将甘醇富液的压力能转换同轴的机械能， 驱动 泵模块 中 的泵齿 轮将低压 甘醇贫 液增压至 吸收塔所 需 的压力 ， 实 现 三 甘 醇 贫 液 的循 环 利 用 。R o t o r T e c h能 量转 换 泵 采 用 旋 转 齿 轮 设 计 ， 无 需 外 部 电 源 ， 实 现了节能 降 耗 。能 量 转换 泵 的排 出压 力 范 围 为 0 ． 1 7 MP a ～1 7 ． 2 4 MP a ， 流 量 范 围为 0 ． 0 4 m。 ／ h ～ 2 2 ． 7 0 m。 ／ h ， 泵正 常操作温度 可达 9 3 ． 3 。 C。 泵 富甘醇 进入 12 1 1 一 泵齿轮；2 - 轴 密封；3 - 注油／ 排油塞；4 - 主动轴； 5 一 驱动齿轮；6 - 轴套；7润滑油存储室；8 - 滚珠止推轴承 图2 R o t o r - T e c h ⋯ le 量转换泵 美 国 Ro t o r T e c h公 司 生 产 的 另一 种 能 量 转 换泵 Hy d r a L e c t r i k泵 是 利 用 高 压甘 醇 富 液 的 能量来 驱动一个 液压 的旋 转 主 动齿 轮 ， 该 主动齿 轮 可驱 动一个特定 设计并 与之相 匹配的齿轮 泵 ； 同时 ， 在泵中设置一台小功率的电机 ， 来克服泵的机械损 耗和连接管路的水力摩阻， 实现甘醇贫液的增压和 循环 。其 工 作 原 理及 特 点 与 R o t o r Te c h能量 转 换泵相 似 ， 只是 附加 了一 个小功率 的 电机 ， 泵 的耗 电 量很低 ， 可用 变频器 转换 器 来 控 制泵 和 电机 的 速 度 。 美 国 Ame r i t e c h公 司 开发 的 k i mr a y能量 转换 泵 ， 将来 自吸收塔 高 压甘 醇 富液 的压 力 能周 期性 传 输给甘 醇泵 的动力气 缸 ， 动 力气 缸 以相 同的周期 驱 动贫甘 醇进入气 体 一甘 醇吸收塔 。为 了实 现甘醇溶 液 的循 环 ， 需要 克服 泵机 械 损耗 和 连接 管 路水 力摩 阻 的附加能量 ， 其 附加能 量 由 吸收塔 底 部 的高 压气 体提供 ， 省去 吸收 器所 需 的液 位控 制 。泵 正常 操作 温度可 达 9 3 ． 3 ℃ ， 排 出压力可 达 1 0 MP a 。 上述三种 能量转换 泵都能有 效 回收 高压甘醇 富 液 的压力 能 ， 节 省 甘醇 泵 的 电能 消耗 。尤其 以美 国 R o t o r Te c h开 发 的 能 量 转换 泵 采 用旋 转 齿 轮 设 计 ， 其性能优势更突出。与传统 的柱塞式计量泵相 比 ， 能量转换泵 的 出 口流量 稳 定 ， 泵 的使 用寿 命长 、 维护 简单及方便 、 噪声小 ， 且价格 较低 。 2 ． 2应用 高效的板 式换热器 ， 降低甘醇 再生热负 荷 板 式换热器 具有 总传 热 系数 大 、 传热 效率高 、 换 热 面积小 、 对数 平均温差 大 、 组装 灵活 、 操 作弹性大 、 使用 维修方便 等优点 ] 。为 了将 高温甘醇 贫液热量 有效 回收利用 ， 甘醇 贫 富液 换 热采 用 高效 的波 纹 板 式换 热器代替换 热 罐 的换热 盘 管 ， 能有 效 改善 甘 醇 贫 富液 换热效果 ， 提高 甘醇 富液进 人再生 塔的温度 ， 降低甘醇再生塔重沸器 的热负荷， 换热后的甘醇贫 液温度可满足甘醇泵的进 口温度要求， 取消了甘醇 泵前 的水冷却 器和循环 水系统 。 目前 ， 国外 三甘 醇脱 水装 置 的甘 醇贫 富液 换 热 器 已广 泛应用板 式 换热 器 ， 国 内的 中原文 2 3气 田 、 重庆 忠县净化 厂 、 重 庆 五宝 场气 田等脱 水装 置 都成 功应 用 了板 式 换热 器 作 为贫 富 液 换 热 器_ 1 。通 过板式 换热器 的高 效换 热 ， 可将 进 三甘 醇再 生 塔 的 富甘醇温度提高至 1 5 0 |C以上， 三甘醇贫液温度 降 低至 8 O C以下 。与换 热罐 中的换 热 盘管 相 比 ， 采用 板式换 热器可 大幅 降低 再生 塔 重沸 器 热负 荷 ， 且换 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m