天然氣凈化廠MDEA再生系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行探討

唐 浠 瞿 楊 陳庭庫 侯光遠(yuǎn) 張?jiān)乒?/p>

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠)

天然氣凈化廠MDEA再生系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行探討

唐 浠 瞿 楊 陳庭庫 侯光遠(yuǎn) 張?jiān)乒?/p>

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠)

重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠280×104m3/d脫硫裝置MDEA溶液再生系統(tǒng)溶液循環(huán)泵出口壓力一直不穩(wěn)定,極易因泵出口流量驟降導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。從工藝、設(shè)備和管線布置方面進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)彎頭過多不是導(dǎo)致系統(tǒng)壓降高的主要原因,“Π”型管的布置方式可使該處壓力降低,酸氣發(fā)生解析及聚集,進(jìn)而導(dǎo)致溶液循環(huán)泵吸空,引起泵出口壓力波動(dòng),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

天然氣 脫硫 MDEA 溶液再生 壓降 優(yōu)化

重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠脫硫裝置MDEA溶液再生裝置建于2008年,用于對(duì)該廠80 ×104m3/d和200×104m3/d兩套天然氣脫硫裝置產(chǎn)生的MDEA富液進(jìn)行再生[1]。裝置建成后,貧液循環(huán)泵出口壓力波動(dòng)劇烈,極易因泵出口流量驟降導(dǎo)致聯(lián)鎖停車。為了穩(wěn)定貧液循環(huán)泵入口壓力,先后幾次提升再生塔操作壓力,同時(shí)對(duì)相關(guān)管路進(jìn)行了整改。2011年大修后,通過控制操作,使泵的入口壓力趨于平穩(wěn),但再生塔塔頂壓力(表壓,下同)卻一直維持在100 k Pa左右,遠(yuǎn)高于最優(yōu)塔頂設(shè)計(jì)壓力80 k Pa。

1 概述

1.1 主要工藝原理及依據(jù)

醇胺法脫除酸性氣體的反應(yīng)為可逆反應(yīng),在高壓、常溫的條件下,原料氣中的H2S、CO2酸性組分與醇胺發(fā)生反應(yīng)而被脫除,吸收酸性組分的富液在溫度升高、壓力降低的工況下釋放出酸性氣體組分,從而實(shí)現(xiàn)溶液的再生[2]。

1.2 工藝流程

重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠280×104m3/d脫硫裝置流程圖[3]如圖1所示。

原料氣在脫硫塔內(nèi)與MDEA貧液逆流接觸,吸收了H2S和CO2的MDEA富液經(jīng)閃蒸罐及3級(jí)過濾系統(tǒng)除去溶液中溶解的CH4、機(jī)械雜質(zhì)和變質(zhì)產(chǎn)物后,進(jìn)入MDEA貧富液換熱器(E-1202ⅡA/B)與出MDEA再生塔(C-1202Ⅱ)塔底的MDEA貧液換熱,然后進(jìn)入MDEA再生塔上部,富液自上而下流動(dòng),與塔內(nèi)自下而上的蒸汽逆流接觸進(jìn)行再生(再生所需熱量由塔底重沸器E-1201Ⅱ提供),解吸出H2S和CO2氣體。在約125℃下MDEA熱貧液自塔底出來,經(jīng)貧富液換熱器(E-1202ⅡA/B)與富液換熱后進(jìn)入貧液空冷器(E-1203ⅡA/B),再經(jīng)過貧液后冷器(E-1204ⅡA/B)將貧液溫度進(jìn)一步冷卻至30℃左右,然后由MDEA循環(huán)泵(P-1201ⅡA/B)將最大流量為36.3 m3/h、15.7 m3/h、4 m3/h的3股貧液分別送入脫硫吸收塔(C-1201Ⅲ、C-1201Ⅱ)和MDEA閃蒸罐(D-1202Ⅱ),完成整個(gè)溶液系統(tǒng)的循環(huán)。

2 問題分析與相關(guān)計(jì)算

2.1 改造前管道布置

裝置改造前的管道布置示意圖見圖2,主要工藝參數(shù)見圖3。

由圖2、圖3可以看出,雖然再生塔壓力一直維持在100 k Pa左右,但泵入口壓力很不穩(wěn)定,容易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,造成設(shè)備損壞。而要維持泵入口壓力的穩(wěn)定,就必須提高再生塔壓力,但從溶液熱降解和酸氣組分的脫除兩方面考慮,提高再生塔操作壓力不利于再生。

2.2 問題產(chǎn)生的原因及分析

由圖4可知:MDEA貧液出塔后,在進(jìn)入貧富液換熱器之前,溫度尚未降低,但壓力降低明顯。貧液空冷器出口壓力降至系統(tǒng)內(nèi)最低值,此處最易積聚酸氣造成吸空,壓力隨設(shè)備安裝高度的變化也最為明顯。其次是經(jīng)過換熱器時(shí)的壓力損失。經(jīng)過管道、彎頭、閥門處的壓力損失最小。

當(dāng)MDEA溶液循環(huán)泵(P-1201Ⅱ)入口壓力較低時(shí),容易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,造成泵抽空停車,嚴(yán)重時(shí)可能損壞設(shè)備。然而造成斷流的主要原因是MDEA貧液在進(jìn)入貧富液換熱器之前,溫度尚未降低,因壓力降低解析出少量H2S和CO2并發(fā)生聚集。造成壓力降低和氣體聚集的原因如下:

(1)再生塔底部至泵入口管線設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致阻力損失過大。引進(jìn)分廠280×104m3/d胺液再生系統(tǒng)貧液出口可能由于設(shè)計(jì)缺陷,貧液管線上有許多彎頭,增大了系統(tǒng)阻力。阻力損失過大導(dǎo)致管線內(nèi)平均壓力偏低。同時(shí),空冷器采取高位安裝的方式,也導(dǎo)致在其出口處產(chǎn)生低壓點(diǎn),如圖4所示。

(2)管線多處高點(diǎn)導(dǎo)致局部壓力偏低和酸氣累積。溶液循環(huán)泵(P-1201Ⅱ)入口貧液管線形成許多“Π”型管,不僅增大了系統(tǒng)阻力,而且其高點(diǎn)為該段管線壓力最低處,極易使H2S和CO2發(fā)生解析及聚集,如圖4中溶液再生塔至貧富液換熱器和貧液空冷器處。

貧液空冷器入口位置為整條管線的最高點(diǎn),很容易出現(xiàn)酸氣聚集。引進(jìn)分廠2010年大修改造時(shí)在該處增加了排氣管線,以加強(qiáng)日常排氣,但溶液循環(huán)泵(P-1201Ⅱ)入口壓力仍波動(dòng)極大,再生塔壓力也依然偏高,且操作人員定期手動(dòng)排氣也增加了勞動(dòng)強(qiáng)度,故此方法具有一定的局限性。

2.3 壓降計(jì)算

2.3.1 C-1202Ⅱ塔底至P-1201Ⅱ進(jìn)口壓降計(jì)算

再生塔貧液出口垂直高度為2.2 m,而循環(huán)泵入口管線垂直高度為1.2 m,沒有底泵,溶液出塔后管線彎頭較多,且使用了阻力損失較大的板式換熱器作為貧富液換熱器,故系統(tǒng)壓降較大。以下針對(duì)裝置貧液管線計(jì)算管路彎道壓力損失。

分別取貧液出塔處和貧液循環(huán)泵入口處粗濾器前作為截面1、2,列柏努利方程[4]:

式中,△p為管路及換熱器阻力損失所造成的壓降, MPa。Δp=Δp1+Δp2。

前已述及,MDEA貧液出塔后,經(jīng)過3臺(tái)換熱器,溫度從125℃左右降至30℃左右。為簡(jiǎn)化計(jì)算,分別取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的MDEA水溶液在125℃、60℃及30℃下的密度和黏度,求取平均值進(jìn)行計(jì)算,見表1。

因而可取ρ1=ρ2=1 005.5 kg/m3,又由于溶液在同等直徑管路中作穩(wěn)態(tài)流動(dòng),所以可取u1=u2= u,其中u為溶液在管內(nèi)瞬時(shí)流速,m/s。

表1 50%(w)MDEA水溶液參數(shù)Table 1 Properties of 50wt%MDEA solution

由式(1)可得泵入口處壓力,見式(2)。

前已述及,h1=2.2 m,h2=1.2 m。

貧液管線內(nèi)徑為150 mm,根據(jù)以往的操作經(jīng)驗(yàn),以目前裝置處理量而言,貧液循環(huán)量平均約為40 m3/h,即0.01 m3/s。由式(3)可以求得管路中的瞬時(shí)流速:

式中,qv為瞬時(shí)體積流量(m3/s),由式(3)可得管路中瞬時(shí)流速u=0.57 m/s。又由式(4)可求得管路中流體流動(dòng)雷諾準(zhǔn)數(shù):

式中,u為溶液黏度,Pa·s;由式(4)求得管路中流體的雷諾數(shù)為Re=24 128.61?4 000,因而管路中流體為湍流。管線材質(zhì)為20#碳鋼,可取絕對(duì)粗糙度ε=0.2 mm,因而管路相對(duì)粗糙度為:

查相應(yīng)圖表可得管路阻力系數(shù)λ=0.028。

統(tǒng)計(jì)管道中直管長度和彎頭、大小頭及閥門等的數(shù)量,并查得相應(yīng)的局部阻力系數(shù),見表2。其中,貧液自塔底進(jìn)入管線為突然縮小,閘閥、球閥處于全開狀態(tài)時(shí)局部阻力極小,可忽略不計(jì)。

表2 管道阻力情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of pipeline resistance

由設(shè)備性能參數(shù)和日常操作經(jīng)驗(yàn)可知,溶液流經(jīng)換熱器E-1202II、E-1203II和E-1204II時(shí)的壓降分別為20 k Pa、16 k Pa和15 k Pa,則溶液流經(jīng)換熱器產(chǎn)生的總壓降Δp1=20+16+15=51 kPa。由式(6)可求得管路阻力損失所造成的壓降:

其中,l為直管長度,m;Σξ為管路局部阻力系數(shù)之和,由表2可知,Σξ=0.75×35+0.17×2+0.5= 27.09,計(jì)算后可得:Δp2=6 620.31 Pa,故總壓降Δp=Δp1+Δp2=57.62 k Pa。

當(dāng)再生塔塔頂壓力為100 k Pa,塔底壓力約為120 k Pa時(shí),若塔底液位為50%,則塔底液面到管線入口處的垂直深度為1.05 m,即:p1=120×103+1 005.5×9.81×1.05=130 357.15 Pa,即130.36 k Pa。代入式(2)可得,此時(shí)泵入口端壓力p2=82.6 k Pa,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本一致。

當(dāng)再生塔塔頂壓力降至80 k Pa,塔底壓力降為約100 kPa時(shí),則p2相應(yīng)地降為62.6 kPa,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),在入口和管線高點(diǎn)已充分排氣的情況下,泵可以正常運(yùn)行。若維持液位在70%,則垂直深度變?yōu)?.35 m,此時(shí),p1為113.32 k Pa,p2相應(yīng)地為65.56 kPa。當(dāng)冬季氣溫較低時(shí),可將溶液切換至E-1203旁路流通。減少空冷器壓降后,p2值為81. 56 k Pa。由計(jì)算可知,管路本身所造成的壓降較小,但仍可通過變更管線走向、減少彎頭數(shù)量的方式減小管路阻力損失。而對(duì)于泵入口粗濾器而言,要求其壓差不得超過10 k Pa。只要溶液過濾裝置操作維護(hù)得當(dāng),溶液中雜質(zhì)較少,同時(shí),在進(jìn)行動(dòng)設(shè)備月度切換時(shí)按規(guī)定對(duì)粗濾器進(jìn)行定期清洗,因此,粗濾器所產(chǎn)生的壓降幾乎可以忽略不計(jì)。

2.3.2 貧液空冷器E-1203Ⅱ出口壓力計(jì)算

用以上方法按塔底液位為50%計(jì)算,可求得貧液空冷器E-1203Ⅱ出口壓力p3=-19 kPa。

2.3.3 MDEA再生塔至貧富液換熱器之間最高點(diǎn)壓力計(jì)算

同理可得,MDEA再生塔至貧富液換熱器之間最高點(diǎn)壓力p4=111 k Pa。

2.4 計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算可知,雖然貧液管線彎頭處有壓力損失,但損失較小,不足以對(duì)再生塔及泵入口壓力造成影響,因此,“Π”型管處存在氣體聚集是產(chǎn)生壓力損失的主要原因,主要包括以下位置:

(1)MDEA再生塔至貧富液換熱器之間的管線。雖然此段管線的最低壓力與MDEA再生塔出口相比下降不大,但由于流經(jīng)此段的溶液還沒有經(jīng)過貧富液換熱器降溫,微小的壓降也會(huì)導(dǎo)致飽和溶液中的H2S和CO2發(fā)生解析及聚集。

(2)貧液空冷器E-1203Ⅱ出口管線。此處是MDEA溶液系統(tǒng)的壓力最低點(diǎn),有時(shí)甚至為負(fù)壓,故此管線也是H2S和CO2最容易發(fā)生解析及聚集的地點(diǎn)。

2.5 改造后主要流程及參數(shù)

將MDEA再生塔至貧富液換熱器之間的管線進(jìn)行以下優(yōu)化改造:

(1)減少彎頭數(shù)量。

(2)降低此段管道最高點(diǎn)高度。

(3)去除“Π”型管段。

具體做法如圖2、圖5所示,將部分管線從管架上向下調(diào)整0.5 m,既減少了兩個(gè)彎頭,又降低了該段管線最高點(diǎn)的高度,同時(shí)可去除系統(tǒng)中的“Π”型管段。

圖6為優(yōu)化改造后的工藝參數(shù),由圖6可以看出,改造后泵入口壓力趨于穩(wěn)定,同時(shí),再生塔壓力也下降了20 k Pa,可在提高再生效率的同時(shí),保證整個(gè)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論及建議

(1)改造時(shí)對(duì)貧富液換熱器前的“Π”型管線進(jìn)行了整改,對(duì)于裝置的平穩(wěn)運(yùn)行起到了一定作用。但在工藝參數(shù)變化較大情況下,仍難以滿足工況要求,需在再生塔底增加溶液增壓泵才能從根本上解決問題。

(2)彎頭過多在一定程度上會(huì)造成壓力損失,但不是主要原因,在飽和態(tài)液相存在的管路中,“Π”型管的布置方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有較大影響,在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

(3)雖然改造后運(yùn)行條件趨于穩(wěn)定,但裝置再生壓力仍較高,在溶液系統(tǒng)的穩(wěn)定性和裝置能耗方面仍有潛力可挖?？梢酝ㄟ^減少垂直方向的“Π”形彎,增加水平方向“Π”形彎的方式消除管路系統(tǒng)的熱應(yīng)力影響。在不改變運(yùn)行條件的前提下,使裝置平穩(wěn)運(yùn)行,同時(shí)降低裝置能耗。

[1]熊勇,張廷洲,王軍,等.重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠適應(yīng)性改造情況綜述[J].石油與天然氣化工,2010,39(增刊1):9-12.

[2]陳賡良,朱利凱.天然氣處理與加工工藝原理及技術(shù)進(jìn)展[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[3]蔣維鈞,戴猷元,顧惠君.化工原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[4]諸林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2008.

Optimal operation of MDEA regeneration system in natural gas purification plant

Tang Xi,Qu Yang,Chen Tingku,Hou Guangyuan,Zhang Yunguang
(Chongqing Natural Gas Purification Plant General,PetroChina Southwest Oil&Gasfield Com pany,Chongqing 401259,China)

Serving as the critical equipment of solution regeneration system in 2 800×103m3/d MDEA desulfurization unit in Yinjin Branch of Chongqing General Natural Gas Purification Plant,the solution circulation pump has an unstable outlet pressure.The system interlock shutdown due to the sudden drawdown of pump outlet flow rate occurred frequently.The process,equipment and pipeline layout were analyzed,and the results showed that excessive elbows were not the main reasons of system pressure drop.The layout ofΠtype pipeline would reduce the pressure and result in the evolution and accumulation of acid gas,thereby leading to the suction of MDEA circulation pump and the fluctuation of pump outlet pressure,which would bring great influence to the operation of system.

natural gas,desulfurization,MDEA,solution regeneration,pressure drop,optimization

TE644

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.006

2013-11-22;

2014-03-13;編輯:溫冬云

唐浠(1976-),男,化工工藝工程師,1998年畢業(yè)于承德石油高等?？茖W(xué)校熱工專業(yè),2004年畢業(yè)于華東石油大學(xué)石油工程專業(yè),長期從事天然氣凈化生產(chǎn)技術(shù)管理工作,現(xiàn)任重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠副廠長。地址:(401236)重慶市長壽區(qū)海棠鎮(zhèn)重慶天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠。電話:023-74651197。E-mail:tangxi1122@petrochina.com.cn