作者简介：杨洋, 1992年生, 硕士，工程师，2018年毕业于西南石油大学化学化工学院化学工程与技术专业，主要是做天然气处理与加工研究工作，已发表核心期刊论文10余篇，其中SCI 4篇，已授权专利2项，合作出版专著1部。E-mail：./h的湿净化气，三甘醇(TEG)循环量为2.50~2.85 t/h，外输产品气水露点在-19 ℃以下，满足水露点要求。当TEG重沸器蒸汽用量为529~549 kg/h时，再生后TEG质量分数从96.9%升至99.7%。为了尽最大可能避免TEG再生热源不稳定、贫溶剂后冷管式换热器结垢严重等工艺缺陷，对脱水工艺进行了优化：①以自产表压为3.8 MPa的中压蒸汽为热源，确保TEG再生温度稳定，并使其易于调节，拟合蒸汽用量与TEG重沸器温度关系曲线；②采用富TEG未预热直接闪蒸工艺，减少富液预热过程，去除富TEG中大部分轻烃组分，在满足脱水单元要求的同时，减小能耗和节省本金；③将TEG贫液后冷器由管壳式换热器更换为不锈钢材料质地的波纹板式换热器，更换后换热器长时间运行平稳，减少了换热器配件的更换频次。Application of triglycol dehydration technology in Yuanba gas field purification unit1. Sinopec Guangyuan Natural Gas Purification Co., Ltd, Guangyuan, Sichuan, China

  元坝气田中石化广元天然气净化有限公司(以下简称净化公司)是中石化继普光气田之后发现的又一超深、高压、高温、高含硫天然气田——元坝气田项目建设的重要组成部分，是中国石化西南石油局分公司实现盈利脱困和“双百亿气田”建设目标的重要支撑力量。净化公司于2015年建成投产[1]，至2019年12月，已累计处理159×108m3原料天然气，外输133×108m3产品天然气。净化企业主要由4套联合装置组成，每套联合装置由脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理和酸水汽提等单元构成[2]。单套联合装置设计处理量为：原料天然气300×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa，下同)、湿净化气260×104m3/d、单质硫产量8×104t/a[3]。由于产品气要远距离输送至长江中下游，天然气中的水分会造成管网腐蚀，降低管道压力等，影响产品气输送的安全性[4-5]，故对产品气的含水量即水露点有严格要求，夏季天然气水露点不高于-10 ℃，冬季不高于-15 ℃，故湿净化气要进一步进行深度脱水，以满足远距离输送的要求[6]。净化公司脱水单元采用三甘醇脱水工艺，以下主要讨论了三甘醇脱水工艺在净化公司运行5年后的脱水效果和高压蒸汽作热源等工艺优化及效果，以期为同类装置提供参考。

  目前，国内外使用的天然气脱水工艺主要有冷冻分离法、分子筛吸附法[7-8]和三甘醇(TEG)溶剂吸收法[9-13]，而TEG溶剂吸收法由于工艺简单、成本较低、易再生等优势，已变成全球最普遍采用的天然气脱水工艺[14]，净化公司脱水单元采用TEG脱水工艺，湿净化气处理量为260×104m3/d。天然气脱水单元主要设备包括：脱水塔(C-201)、闪蒸罐(D-201)、汽提塔(C-203)、再生塔(C-202)、缓冲罐(D-202)、重沸器(E-202)、贫富液换热器(E-201)、贫液后冷器(E-203)等[15]。主要工艺流程如图 1所示。

  (1) TEG脱水：自脱硫单元来的湿净化气从脱水塔(C-201)下部进入，与自上而下的TEG逆流接触，TEG吸收湿净化气中的饱和水，脱水后的天然气产品气输送至管网。

  (2) TEG再生：TEG吸水后成为三甘醇富液，通过换热升温到175 ℃后进入溶剂再生塔(C-202)再生，再经过汽提塔(C-203)进一步提纯，最后得到质量分数为99.5%以上的贫TEG溶剂。脱水单元通过分散控制管理系统(DCS)实现对塔器等设备的液位、压力、温度等参数的控制[16]，通过安全仪表系统(SIS)进行紧急停车和安全联锁保护。

  TEG脱水原理主要是利用水和甲烷在TEG中溶解度的不同[17]。由于一分子TEG中含有两分子羟基，羟基上的氧原子能与水分子的氢原子形成氢键(如图 2所示)。此外，TEG和水都是极性分子，根据相似相容原理，水分子更容易溶于TEG中，而甲烷呈正四面体结构，为非极性分子，甲烷在TEG中的溶解性极低。TEG物性参数见表 1。

  净化公司脱水单元采用艾默生公司生产的DCS控制管理系统，主要由控制站、操作站、工程师站以及辅助机柜等组成。由于脱水塔(C-201)的操作压力(G，下同)一般为5.7 MPa，而闪蒸罐(D-201)和TEG再生系统的操作压力为0.4 MPa，为防止高压窜低压，脱水塔的液位需通过调节阀(LV-20201)与脱水塔液位控制器(LIC-20201)组成的调节回路严控。为了尽最大可能避免脱水塔液位过低，在脱水塔塔底TEG出口管线上的液位调节阀(LV-20201)前设置了紧急关断阀(XV-20101)，一旦脱水塔液位过低而发生窜压，紧急关断阀阀位输出信号为0，直接关断，保证脱水塔与闪蒸罐之间的安全联锁关断，控制原理如图 3所示。

  除了脱水塔液位，脱水单元系统压力也需严控，防止系统压力过高而憋压, 进而影响联合装置的安全平稳运行。DCS系统通过由控制器PIC-20701、调节阀PV-20702和PV-20701组成的控制回路进行压力控制。若发生不正常的情况导致装置系统压力超高，调节阀PV-20701开启，将产品气泄压至高压火炬放空，保证脱水系统压力平稳。

  脱水单元运行5年后(含一次大检修)，对第二联合装置脱水效果来测试，湿净化气流量控制在9.6×104~10.6×104m3/h，TEG循环量控制在2.90~3.1 t/h。

  从表 2中能够准确的看出，采用三甘醇脱水工艺能有效脱除湿净化气中的水分，产品气水露点为-19 ℃，远低于标准规定。此外，天然气中的甲硫醇、乙硫醇等有机硫含量也会降低，表明三甘醇对有机硫也有一定的吸收作用[18]。

  净化公司在设计脱水单元时，对工艺设备做了优化，优化方案包括：①以自产中压蒸汽为TEG再生塔重沸器热源；②富液未经加热直接闪蒸；③TEG贫液后冷器改为板式换热器。以下对3种工艺优化方案的应用效果进行分析。

  大部分天然气净化厂TEG再生系统的热源是火管式重沸器，用燃料气直接加热富TEG。火管式重沸器存在温度控制难度大、单火嘴模式向多火嘴模式切换时轻易造成在燃火嘴熄灭等问题[19]。此外，一旦天然气过滤器的过滤性能降低，原料气与TEG贫液接触脱水后，天然气携带的无机盐等物质进入再生系统并附着在火管表面，造成火管表面结垢，降低火管传热效率，发生火管受热不均和腐蚀穿孔现象。重庆沙坪气田曾因火管结垢严重而发生受热不均和腐蚀穿孔现象[20]。为了尽最大可能避免以上问题，净化公司采用硫磺回收和尾气处理单元自产3.8 MPa的中压蒸汽为热源，自产蒸汽为热源具有能量利用率高、温度受控良好、不会出现局部过热、调节简便等优点。净化公司中压蒸汽式TEG重沸器主要参数如表 3所列，中压蒸汽走管程，富TEG走壳程，实现能量交换。

  为了保证富TEG在重沸器中再生合格和防止高温降解，TEG重沸器的温度必须严控在190~200 ℃，故需对蒸汽流量进行监控。净化公司装置蒸汽流量对TEG重沸器温度的影响见图 4。

  随着进化设施的逐渐老化，换热效果降低，TEG重沸器蒸汽用量的设计值不能够满足实际生产要，故在目前装置的真实的情况下，研究了蒸汽用量与TEG重沸器温度之间的关系，并利用软件Origin8.5拟合了蒸汽用量对TEG重沸器温度的影响曲线的曲线方程，可帮助员工在装置负荷一下子就下降或增加的情况下，提前预判蒸汽用量，保证TEG再生系统运行平稳。根据方程Y=-1 040+4.45X-0.004X2，能够获得当TEG重沸器温度为190~200 ℃、TEG循环量约3 t/h时，严控蒸汽用量为529~549 kg/h，即可满足装置再生要求。3.2.2 直接闪蒸工艺

  2S等酸性气后进行溶剂再生。因为H2S和CO2等酸性气较CH4、C2H6的组分重，沸点高，为了更好的提高富TEG的闪蒸效果，TEG需经过再生塔塔顶加热后进行闪蒸，有效去除H2S、CO2等重组分。净化公司的天然气首先经过脱硫，脱硫后的天然气中H2S质量浓度小于0.1 mg/m3，富TEG几乎不含H2S，而CH4、C2H6等为轻组分，沸点低，故净化公司采用未加热直接闪蒸工艺除去富TEG中的CH4、C2H6等，在某些特定的程度上降低了能耗。TEG循环量约为3 t/h，闪蒸气组成见表 4，TEG再生前后质量分数见表 5。表 4

  ]。还有部分净化厂直接取消TEG贫液后冷器(如重庆五宝场气田)，导致贫液泵(P-201)(柱塞泵)因高温而缩短使用年数的限制。为了尽最大可能避免管壳式换热器结垢后换热效果变差、频繁更换配件及损坏贫液泵等问题，充分的利用板式换热器易清洗、耐腐蚀、操作安全等优点，将贫液后冷器更换为可拆式高效不锈钢波纹状板式换热器[22]。板式贫液后冷器设计参数见表 6。表 6

  板式贫液后冷器设计参数

  板式贫液后冷器设计参数

  经过再生后的贫TEG温度通常为190~200 ℃，贫TEG经过贫富液换热器(E-201)与富TEG换热后温度降至70~74 ℃，再经过贫液后冷器(E-203)降温至45~55 ℃后，经贫溶剂泵(P-201)升压后送至脱水塔(C-201)，以此来实现TEG的循环使用

  为TEG后冷器换热板的实体图，贫液后冷器换热板采用316L不锈钢材料质地的波纹式换热板，冷热介质在换热板两侧沿波纹流动并实现传热，黑色密封条严格密封以防止循环水及TEG的泄漏。长时间使用后，换热板上有几率存在水垢、锈渣等杂质，影响换热效果，通过简单拆卸清洗后试压、回装即可重复使用，清洗频次为1次/年，且运行5年来未进行过重要配件更换，非常大地节省了成本。此外，还能够准确的通过换热需求适当增减换热器的换热板数，使得换热器拥有非常良好的操作弹性，进而稳定地控制TEG进入贫溶剂泵的温度，防止贫溶剂泵因温度过高而损坏，影响TEG吸水效果，进而达到节能增效的目标。

  TEG后冷器换热板实体图

  (1) 在处理水摩尔分数为0.09%的湿净化气时，控制TEG循环量为2.9~3.1 t/h，净化公司产品气的水露点为-19 ℃左右，满足外输要求。

  (2) 利用自产3.8 MPa的中压蒸汽做热源，有很大成效避免了传统火管式重沸器传热不均等弊端，同时研究了蒸汽用量与重沸器温度的关系，得到拟合曲线，方便计算蒸汽用量，保证装置平稳运行。

  6等轻组分，为TEG再生系统减负。当TEG重沸器温度为190~200 ℃时，TEG再生后可将TEG质量分数从96.9%提至99.7%，在满足产品要求的同时降低能耗和节省本金。(4) 将TEG贫液后冷器由传统的管壳式换热器更换为不锈钢板式换热器，由于板式换热器的波纹状板片具有换热面积大、易清洗、耐腐蚀、可调整板数等优势，避免了管壳式换热器因结构腐蚀而导致换热效果差的问题。参考文献