天然气净化中影响装置能耗工艺参数的分析

白 聪

(1 天津市大和劳务服务有限责任公司，天津 300457； 2 中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司，天津 300457)

长庆气田第三净化厂于2003年建成天然气净化装置一套，目的是脱除天然气中的CO2和H2S，其中净化装置采用传统的吸收再生工艺，设计能力300×104Nm3/d，设计采用美国DOW化学公司生产的50%(wt)的配方溶液进行脱硫和脱碳。

长庆气田第三净化厂净化装置工艺流程示意图见图1。

图1 长庆气田第三净化厂净化装置工艺流程示意图(优化后)

目前因上游气质及产量的变化，原料天然气中CO2和H2S含量及处理量均有一定程度上的波动，装置能耗较大，为降低装置能耗，确保装置的安全稳定运行，有必要对现有的生产运行参数进行分析，并找出影响装置能耗最大的关键参数。

1 装置主要运行参数分析

该装置处理量为300×104Nm3/d，操作弹性为80%～120%，进料气压力为5500 kPa，温度为30 ℃，年开工天数为330天。进料气组成如表1所示。

表1 进料气组成

在满足净化效果的工艺要求的前提下，需要对影响装置能耗的各个参数进行分析，而装置的能耗包括再沸器、泵、冷凝器、冷却器四个设备的能耗，影响能耗的参数有吸收塔和再生塔的理论塔板数、再生塔压力、再生塔回流比、胺液循环量以及胺液中DEA和MDEA的比例、原料气入塔温度和压力等。对于给定的净化工艺系统，吸收塔和再生塔的物质交换能力是给定的，即吸收塔和再生塔的塔板数是一定的。因此本论文选择这几个分析目标是在满足净化要求的条件下，在实际生产能够在节能降耗得到一定的指导。

通过对流程分析，装置中可调整优化的设计变量有:胺液循环量、胺液配比、原料气入塔温度、原料气入塔压力、回流比、节流阀出口压力。其表2列出了对脱酸单元能耗有影响的变量。

表2 可调变量表

为明确流程中工艺参数对装置能耗的影响，进而找到优化变量，现对可调变量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响进行分析。

1.1 胺液配比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在生产工艺中确定混合胺液的MDEA和DEA配比时，需要考虑装置的腐蚀程度装置的腐蚀程度，DEA腐蚀性比MDEA强。因此本文根据经验[1]取得以下五种胺液配比来分析对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响，从中确定一组较优的配比，如表3所示。

表3 胺液DEA与MDEA的配比

在满足净化要求的条件下，根据以上胺液配比作出对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响的变化关系图如图2所示。

图2 不同胺液配比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的变化曲线图

由图2可以看出，泵、冷凝器和冷却器的能耗随着DEA量的减少，MDEA量的增加变化趋势不大，趋于直线。而再沸器的能耗则是在DEA量从25%到21%是直线下降的趋势，从1024577073 kJ/h降低到59086801.6 kJ/h，减少了965490271.4 kJ/h，折合成功耗为2.703×105kW。从21%到17%有小幅度降低，从59086801.6 kJ/h降低到28168600.7 kJ/h，减少了30918200.9 kJ/h，折合成功耗为8657 kW；从17%以下基本上为直线。因此根据经验，DEA的含量一般控制在10%～13%，因此可取DEA质量分数为13%，MDEA质量分数为40%的混合胺液作为吸收剂。以下因素分析是基于该配比进行。

1.2 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下，设定贫液循环量的初值为2000 kmol/h，以100 kmol/h为步长，在2000～3800 kmol/h范围内变化，研究贫液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析，其变化的趋势见图3。

图3 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的变化曲线图

由图3可以看出，泵和塔顶冷凝器的能耗随着循环量的增加变化不大。而再沸器和贫液冷却器的能耗有明显的变化趋势。当贫液循环量由2000 kmol/h变化到3800 kmol/h时，其他设备的能耗变化如表4所示。

表4 贫胺液循环量对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

可见在研究的范围内，相较于对泵和塔顶冷凝器能耗的影响，循环量对再沸器和贫液冷却器的能耗影响非常大。

1.3 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下，设定原料气入塔温度的初值为25 ℃，以1 ℃为步长，在25～40 ℃范围内变化，研究原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析，其变化的趋势见图4。

图4 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图4可以看出，泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗随着原料气入塔温度的增加变化不大，循环冷却器的能耗仅有一定的变化。具体变化情况如表5所示，在研究的范围内，原料气入塔温度对泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗影响很小，可以忽略。对循环冷却器的能耗的影响也不大，仅为895.90 kW。

表5 原料气入塔温度对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.4 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下，设定原料气入塔温度的初值为5500 kPa，以50 kPa为步长，在5500～6000 kPa范围内变化，研究原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析，其变化的趋势见图5。

图5 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图5可以看出，泵、塔顶冷凝器、再沸器以及循环冷却器的能耗随着原料气入塔温度的增加变化不大，从以表6实际数据可知，在研究的范围内，原料气入塔压力对泵、塔顶冷凝器、再沸器以及冷却器的能耗影响很小，可以忽略。

表6 原料气入塔压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.5 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下，设定再生塔回流比的初值为0.3，以0.1为步长，在0.3～0.8范围内变化，研究再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析，其变化的趋势见图6。

图6 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

由图6可以看出，泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗随着再生塔回流比的增加变化不大，循环冷却器的能耗仅有一定的变化。具体变化情况如表7所示，在研究的范围内，再生塔回流比对泵、塔顶冷凝器以及再沸器的能耗影响很小，可以忽略。而对循环冷却器的能耗的影响也不大，仅为895.90 kW。

表7 再生塔回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

1.6 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在满足净化要求的条件下，设定节流阀出口压力的初值为200 kPa，在200～300 kPa变化范围，以10 kPa为步长；在300～600 kPa变化范围，以50 kPa为步长，研究节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器的能耗进行分析，其变化的趋势见图7。

图7 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响

在分析节流阀出口压力对能耗分析过程中，发现以300 kPa为节点，300 kPa以上的出口压力，尤其是600 kPa以上对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响差别不大，特别是对冷凝器和泵的影响的变化趋势几乎为直线。因此本文下限取值为600 kPa。而在300 kPa以下的节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响较为显著，随着出口压力的增加，再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗逐渐增加，表现突出的是对再沸器和冷却器能耗的影响。如由图7所示，具体变化情况如表8所示，在研究的范围内，节流阀出口压力对再沸器和冷却器的能耗影响较大，分别为1264.71 kW和1249.61 kW。对塔顶冷凝器以及泵的能耗影响很小，可以忽略。

表8 节流阀出口压力对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响变化值

2 结 语

(1)对于混合胺溶液来说，不同的胺液配比的醇胺液作为吸收剂时，对再生塔的功耗影响很大，势必要控制DEA的含量在10%～13%(质量分数)。

(2)在确定的胺液配比的条件下，通过对贫液循环量、原料气入塔温度、原料气入塔压力、节流阀出口压力以及回流比对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响进行分析，得出贫液循环量是对再沸器、泵、冷凝器、冷却器能耗的影响最大的因素，因此在要实际操作中，一定要控制贫液循环量。其次是节流阀出口压力和再生塔回流比。