五宝场气田三甘醇脱水装置优化分析_工程实践

摘要

摘要：针对常用三甘醇脱水工艺存在“计量泵的出口压力和流量波动较大，泵流量调节不便，换热效果差，甘醇再生热负荷大”的不足，五宝场气田三甘醇脱水装置采用先进的齿轮泵

摘要：针对常用三甘醇脱水工艺存在“计量泵的出口压力和流量波动较大，泵流量调节不便，换热效果差，甘醇再生热负荷大”的不足，五宝场气田三甘醇脱水装置采用先进的齿轮泵和高效的波纹板式换热器，取消了泵出口缓冲罐、甘醇贫液水冷却器及循环水系统。为此，论述了该气田三甘醇脱水装置工艺流程及设计特点，探讨了现有三甘醇脱水装置中甘醇泵和甘醇贫富液换热器存在的问题，分析了装置的优化设计。该装置的成功运行表明：与同类常规三甘醇脱水装置相比，采用先进的齿轮泵和高效的波纹板式换热器，三甘醇脱水装置的再生塔重沸器热负荷降低了54kW，燃料气用量减少了8m³/h，其单位综合能耗降低了72MJ/10⁴m³，节能效果明显。

关键词：天然气净化；三甘醇；脱水；装置；工艺流程；齿轮泵；板式换热器

五宝场气田三甘醇脱水装置在设计中采用了先进的齿轮泵、高效的波纹板式换热器，简化了脱水工艺流程，降低了脱水装置的能耗，减少了脱水装置投资和运行成本。

1 五宝场气田三甘醇脱水工艺设计基础数据

五宝场气田三甘醇脱水装置天然气处理规模为100×10⁴m³/d，原料气绝对压力为7.3MPa，进口温度为35℃，干气外输绝对压力为7.2MPa，干气水露点要求小于-5℃，原料气组成见表1。

表1 原料气(干基)组成表 %

组分	氮气	氦气	二氧化碳	甲烷	乙烷	丙烷	异丁烷	正丁烷	异戊烷	正戊烷	己烷
摩尔分数	1.9391	0.1376	0.2410	93.2560	3.0142	0.8640	0.1738	0.2241	0.0693	0.0602	0.0207

2 五宝场气田三甘醇脱水工艺流程和特点

五宝场气田三甘醇脱水装置工艺流程图如图1所示。来自集气装置的湿天然气经过滤分离器分离出游离水、液烃、固体杂质等后，自吸收塔下部进入吸收塔(T-101)，与塔上部进入的三甘醇贫液在塔内逆流接触，天然气中的饱和水被三甘醇吸收而脱除，脱除水分的天然气经干气/贫甘醇换热器(E-101)换热后外输。在外输干气申引出少量天然气调压后作为甘醇再生塔重沸器(E-104)气提气。

三甘醇富液从吸收塔下部流出，经液位控制阀至重沸器富液精馏柱顶部盘管换热、进入甘醇贫富液换热器(E-103)换热，再进入三甘醇闪蒸罐(D-102)闪蒸出烃类等气体。闪蒸后的三甘醇富液经固体颗粒机械过滤器(F-101)和活性炭过滤器(F-102)，以除去其中的杂质及降解产物，此后甘醇富液进入甘醇贫富液换热器(E-102)与高温甘醇贫液换热，甘醇富液被加热后进入再生塔的富液精馏柱(T-102)。三甘醇溶液在三甘醇再生塔中被提浓再生。再生后的三甘醇贫液依次进入甘醇贫富液换热器(E-102、E-103)换热，降温后进入三甘醇循环泵(P-101)升压进入干气/贫甘醇换热器(E-101)换热，再进入三甘醇吸收塔上部，完成三甘醇脱水吸收、甘醇再生循环过程。脱水工艺的主要设计参数见表2。

表2 五宝场气田三甘醇脱水装置设计参数表

项目	工艺参数
原料气流量(m³/d)	100×10⁴
原料气绝对压力(kPa)	7300
原料气温度(℃)	35
三甘醇贫液质量分数(%)	99.3
三甘醇贫液循环量(m³/h)	0.85
闪蒸气绝对压力(kPa)	550
闪蒸温度(℃)	65.0
富液进再生塔温度(℃)	157
重沸器温度(℃)	204
重沸器再生压力(kPa)	125
重沸器热负荷(kW)	40.67
贫液进甘醇泵温度(℃)	82.56
汽提量(m³/h)	8.9
干气水露点(℃)	-9.57

本脱水装置与国内其他三甘醇脱水装置相比，有以下主要特点：

1) 采用先进的齿轮泵作甘醇循环泵(P-101)，与柱塞式计量泵相比，其流量稳定，无需设置缓冲罐，使用寿命长，噪声小。

2) 采用高效的波纹板式换热器作甘醇贫富液换热器(E-102、E-103)，取消了水冷却器和循环水系统，简化了脱水流程。降低了甘醇再生装置的能耗。

3 五宝场气田三甘醇脱水装置优化分析

3.1 齿轮泵的应用

长期以来，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。柱塞式计量泵的出口压力波动较大，泵出口需设缓冲罐，噪声较大，泵使用寿命及维护周期短，轴封为填料密封，存在泄漏问题，需周期性调节填料。填料与塞柱易磨损，需对填料环作压力冲洗和排放^[1～2]。柱塞式计量泵流量调节困难，传统的调速、调节流量的方式不节能，需对电机加装变频器改变电机转速来调节泵排量。

五宝场气田脱水装置采用美国Rotor-Tech公司开发的新一代天然气处理系统低黏度流体电动齿轮专用泵，具有泵流量和压力范围较宽；流量调节方便；流量稳定，震动小，无需脉动缓冲装置；结构紧凑、重量轻、不易磨损、维护及保养简单等优点，取消了泵出口的缓冲装置，噪声小，流量调节更方便，泵使用寿命和维护周期长，值得在三甘醇脱水装置中推广应用。

电驱动的齿轮泵主要由电机、泵齿轮、轴、泵体、泵盖、轴承套、轴端密封等组成，其内部结构见图2。电驱动的齿轮泵的排出压力范围为0.035～24.13MPa，流量范围为0.114～38.61m³/h，泵正常操作温度可达93.3℃。

3.2 波纹板式换热器的应用

波纹板式换热器与管壳式换热器相比，具有传热系数高，对数平均温差大，使用寿命长，占地面积小，重量轻，末端温差小，污垢系数低等优点，其传热系数为壳管式换热器的3～5倍，设备体积仅为管壳式换热器的30%左右^[3]。近年来随着技术的飞速发展，出现了全焊式板式换热器，它克服了板框式换热器不耐温、不耐压、阻力大、维修费用高等技术缺陷，将设计压力提高至4.0MPa，设计温度拓宽至720℃^[4]，为板式换热器在三甘醇脱水工艺中的应用提供了技术支持^[5]。

国内现有三甘醇脱水装置中甘醇贫富液换热普遍采用盘管式换热器，其换热效果较差，甘醇富液换热后进入再生塔温度偏低(95～98℃)，导致甘醇贫液进泵温度太高(一般在95℃以上)。针对贫甘醇进泵温度偏高的问题，目前多数三甘醇脱水装置在进泵前的甘醇管路上增设水冷却器和循环水系统，用工业循环水对甘醇进行强制冷却，保证适宜的甘醇入泵温度^[6]。为了改善三甘醇贫富液换热效果，降低甘醇再生热负荷，依据高效波纹板式换热器的技术特点和应用特点，本设计对三甘醇脱水工艺流程进行模拟计算和方案对比，对其工艺设备进行优化选型，工艺模拟和设备选型结果表明：甘醇贫富液换热采用两个高效波纹板式换热器(E-102、E-103)串联可满足设计要求。

根据脱水工艺流程图(图1)和工艺设计参数，应用专业换热软件(HTFS 2004)对板式换热器(E-102、E-103)进行工艺设计和计算，主要设计结果见表3。设计结果表明：与盘管式换热器相比，波纹板式换热器(E-102、E-103)换热面积和体积都较小，重量轻，传热系数大，有效地改善三甘醇贫富液换热效果。

表3 三甘醇贫富液换热器(E-102、E-103)设计结果表

项目	E-102	E-103
热负荷(kW)	56.0	25.65
传热系数[W/(m²·℃)]	195	262
对数平均温差(℃)	40.68	39.26
传热面积(m²)	7.06	2.50
板片总数(片)	72	56
板片材质	SA-240 316 不锈钢	SA-240 316不锈钢
外形尺寸(长×宽×高)(mm)	610×102×179	305×102×143
重量(干)kg	55	22

4 运行情况

五宝场气田三甘醇脱水装置于2007年7月投产，各工艺设备运行正常，主要技术参数及指标均达到设计要求。主要运行参数：原料气温度为25℃，再生塔重沸器温度为202℃，贫甘醇质量分数为99%，三甘醇富液进再生塔温度为152℃，三甘醇贫液入泵温度低于80℃，应用冷却镜面凝析湿度法测试得知外输干气水露点为-6℃，满足管输天然气的水露点要求。

五宝场气田脱水装置自投产运行以来，齿轮甘醇泵只需按生产厂家的要求正常维护，长期保特了安全、平稳运行。与同类三甘醇脱水装置相比，其实际运行数据和工艺模拟表明：装置处理量按100×10⁴m³/a计，再生塔重沸器热负荷降低了54kW，燃料气用量减少了8m³/h，单位综合能耗降低了72MJ/10⁴m³，脱水装置的节能效果显著。

5 结论

五宝场气田三甘醇脱水装置自投产运行以来，各工艺设备运行正常，主要技术参数及指标均达到设计要求。脱水装置采用电动齿轮泵作甘醇循环泵，与柱塞式计量泵相比，其出口流量稳定，取消了泵出口缓冲罐，使用寿命长，噪声小；采用高效的波纹板式换热器作贫富液换热器，改善了三甘醇贫富液换热效果，其换热面积和体积都较小，取消了水冷却器和循环水系统，简化了脱水工艺流程，降低了脱水装置的能耗。

五宝场气田三甘醇脱水装置的成功运行，表明电动齿轮泵和高效的波纹板式换热器可在其他三甘醇脱水装置中推广应用。

参考文献

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[2] 范林云，侯开红，张德元.三甘醇循环泵技术改进[J].石油与天然气化工，2002，31(4)：200-201.

[3] 秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003：262-264.

[4] 李明，温冬云.新型板式换热器在三甘醇脱水装置中的应用[J].石油与天然气化工，2004，33(6)：419-423.

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(本文作者：蒋洪¹ 唐廷明² 朱聪¹ 1.西南石油大学；2.川庆钻探工程公司四川科宏石油天然气工程有限公司)