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[1, 2, 3], 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。
本文以川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-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、CO2、H2S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。
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93℃以上, 换热后三甘醇贫液温度较高(一般在95℃以上) [2], 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, 导致甘醇入泵温度偏高, 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500×104 m3/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, 导致甘醇贫液入泵温度和进吸收塔温度偏高。
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[4], 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98.74%, 甘醇贫液由常压增至6.8 MPa时, 甘醇泵需消耗的理论能耗为2.6 kW/m3TEG。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。
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[3]。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。
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。
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Rotor-Tech公司开发生产的能量转换泵及Hydra-Lectrik甘醇泵和美国Ameritech公司生产的kimray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。
Rotor-Tech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。Rotor-Tech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0.17 MPa~17.24 MPa, 流量范围为0.04 m3/h~22.70 m3/h, 泵正常操作温度可达93.3℃。
美国Rotor-Tech公司生产的另一种能量转换泵(Hydra-Lectrik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Rotor-Tech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Ameritech公司开发的kimray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-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93.3℃, 排出压力可达10 MPa。
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Rotor-Tech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。
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[5]。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, 提高甘醇富液进入再生塔的温度, 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23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, 6, 7]。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150℃以上, 三甘醇贫液温度降低至80℃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, 且换热面积小、重量轻。
三甘醇脱水装置的再生能耗是脱水装置的主要能耗, 占脱水装置总能耗的60%以上。与甘醇贫液浓度、循环量和适宜的再生塔回流比等工艺参数密切相关。通过优化工艺流程和工艺模拟, 控制合理的甘醇贫液浓度、循环量和甘醇损耗量, 确保脱水装置节能运行。
分析国内三甘醇脱水装置的常规流程, 依据上述节能措施, 以降低脱水装置的能耗, 实现装置的节能运行为目标, 对常规三甘醇脱水工艺流程进行节能改进, 改进后的三甘醇脱水工艺流程如图 3所示。与常规三甘醇脱水流程相比, 改进后的脱水工艺流程特点如下:
(1) 应用高效的板式换热器替换传统的盘管换热器, 改善了甘醇贫富液的换热效果, 换热后甘醇贫液的温度得到有效降低, 达到甘醇泵的入泵温度要求, 取消了泵前水冷却器和循环水系统;
(2) 应用Rotor-Tech能量转换泵替换传统的柱塞式计量泵, 有效回收高压甘醇富液的压力能, 甘醇泵无需外部电源, 节省甘醇泵的动力消耗。
(3) 采用甘醇富液与贫液先换热再闪蒸的工艺流程, 提高了甘醇富液闪蒸温度, 有利于改善闪蒸效果;
(4) 为满足天然气对不同的水露点要求, 在流程中设置了甘醇贫液汽提精馏柱;
(5) 对于现有的脱水系统易于进行技术改造和替换, 更换设备少, 节能效果明显。
现以重庆气矿龙门气田天东9井站的天然气气质条件为应用实例, 通过工艺模拟分析改进后的甘醇脱水装置能耗情况, 原料气处理量为100×104 m3/d, 原料气压力、温度分别为6600 kPa (绝)、20℃, 要求脱水后的天然气实际水露点为-5℃。
如图 1和图 3所示, 对常规三甘醇脱水装置和节能改进后的脱水装置进行工艺模拟, 并对流程中甘醇循环量、甘醇贫液浓度、再生塔重沸器温度、甘醇富液进再生塔温度等主要工艺参数进行优化与分析, 常规三甘醇脱水装置与改进后的的工艺参数模拟结果见表 1, 其主要能耗指标见表 2。从表 1可以看出, 天然气在6600 kPa、20℃的正常工况下, 三甘醇贫液循环量为0.6 m3/h, 两种脱水流程的天然气平衡水露点都为-17℃, 无需采用气提气, 天然气脱水的实际水露点都可控制在-5℃以下, 达到水露点的要求。
分析表 1和表 2中的工艺模拟结果, 与常规脱水装置相比, 改进后的脱水装置再生塔重沸器热负荷由66.35 kW降低至29.69 kW, 热负荷降低了65.9%。甘醇脱水装置每年按330个工作日计, 改进后的脱水装置每年可减少燃料气用量5.4×104 m3, 节省电能5.0×104 kW·h, 其单位能耗降低了76.5 MJ/104 m3。因此, 改进后的脱水装置节能效果显著, 降低了脱水装置的运行成本, 提高了能量的综合利用效率。
如图 2、图 3所示, 采用Rotor-Tech能量转换泵作为甘醇泵, 取驱动模块端的等熵效率为75%, 泵模块端的绝热效率为70%, 并考虑10%的能耗损失, 对脱水工艺流程和甘醇泵进行模拟计算, 当甘醇富液压力由6600 kPa降低至650 kPa, Rotor-Tech能量转换泵可将甘醇贫液压力由105 kPa提高至7714 kPa, 完全能满足甘醇循环的入塔压力要求。
因此, 采用Rotor-Tech能量转换泵作为甘醇泵是完全可行的, 不仅可节省甘醇泵的动力消耗, 而且消除了泵出口流量不稳定的问题, 降低了泵工作噪声, 安装和维护也更方便。
如图 3所示, 节能改进的脱水流程中甘醇贫富液换热采用两个串联的板式换热器((E-103、E-104)可满足设计要求, 其工艺计算及设计结果见表 3。从表 3可以看出, 板式换热器(E-103、E-104)的总传热系数为盘管换热器总传热系数(一般小于100 W/ (m2·℃))的3倍以上, 有效地改善了三甘醇贫富液换热效果, 两个板式换热器的冷热流体最小温差都达到34.0℃。因此, 将甘醇富液进再生塔的温度提高165℃是能够实现的。
为了降低甘醇脱水装置的能耗, 提高能量的综合利用率, 本文分析了在用的三甘醇脱水装置中用能方面存在的主要问题, 对三甘醇脱水装置提出了节能工艺措施和改进的工艺流程, 并应用实例进行工艺模拟和能耗分析, 主要结论如下:
(1) 国内多数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, 但脱水装置在用能方面还存甘醇贫富液换热效果差、高温甘醇贫液的热能和高压甘醇富液的压力能未得到有效利用、工艺操作参数不够优化等问题, 导致脱水装置能耗偏高, 增加甘醇脱水装置的运行成本;
(2) 在三甘醇脱水装置中采用能量转换泵作甘醇循环泵, 能有效回收利用高压甘醇富液的压力能, 节省甘醇泵的电能消耗。应用高效的板式换热器作为甘醇贫富液换热器, 有效回收高温甘醇贫液的热能, 降低了再生塔重沸器的热负荷;
(3) 应用实例模拟与分析表明:节能改进的三甘醇脱水装置提高了能量综合利用率, 其节能效果明显, 在工艺设计和技术改造中值得推广使用。
2010, Vol. 39 Issue (2): 122-127
2010, Vol. 39 Issue (2): 122-127