天然气深冷装置再生气冬季冻堵分析及解决方案

2015-01-03范印帅大庆油田工程有限公司

油气田地面工程 2015年9期

范印帅大庆油田工程有限公司

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大庆油田已建深冷装置均采用分子筛吸附脱水，其再生过程中再生气携带出大量水分，经冷却分离后呈饱和含水状态掺入外输气管线，对外输气水露点影响较大，冬季经常发生管道冻堵事故，影响下游用户安全用气。针对再生气含水量高对外输气露点的影响，从降低再生气掺入外输气的水量角度考虑，对再生气流程和存在问题深入分析。深冷装置再生气热吹过程中所含的饱和水分进入外输气导致总外输气露点升高，是造成冬季输气管道冻堵的主要原因。提出几种降低外输气水露点改造方案，经过对比确定采用再生气三甘醇脱水方案。

深冷装置；分子筛脱水；冻堵；再生气；水露点；三甘醇脱水

大庆油田天然气深冷处理装置均为深度回收轻烃装置，采用分子筛吸附脱水工艺对原料气进行脱水处理。采用两塔脱水流程，一塔吸附，一塔再生和冷却。两塔交替循环使用达到连续干燥的目的，分子筛吸水饱和后通入再生气/冷却气对其进行再生、冷却处理，达到分子筛的反复利用[1]。由于大庆地区冬季严寒，含水再生气会掺入外输管网，冬季运行时经常发生下游用户管网冻堵情况。因此，如何解决深冷装置外输气含水高的问题，对于天然气管网冬季运行的安全性与稳定性，保证下游用户用气安全具有重要意义。

1 外输气存在的问题及分析

经压缩、冷却、分离后的原料气，进入分子筛进行变温、变压吸附脱水。脱水后分子筛再生的再生气和冷却气掺入到外输气管道中。通过对深冷装置水露点化验，分子筛热吹阶段外输干气出口处露点升高至-16.3℃，换算为管输工况压力下露点为5.5℃（理论计算值为4.8℃），这是导致冬季发生冻堵事故的主要原因。

分子筛吸附器在8 h的再生/冷却周期中，热吹和冷吹时间各为4 h。热吹时间里，再生气首先给分子筛床层加热升温，床层温度逐渐升高，此时分子筛吸附水分脱除量较小；当温度升高到一定拐点后，床层温度保持一段时间的基本恒定，此阶段是分子筛吸附水分被蒸发而随再生气大量带出的过程，出塔再生气经冷却分离后含有饱和水，进入外输干气造成外输气露点迅速升高。由图1温度变化曲线可见，再生气进入外输干气带入大量饱和水的过程，是在热吹起始阶段和分子筛吸附水分蒸发阶段的一段时间内。

图1 再生气出吸附器温度变化曲线

表1为热吹阶段不同再生气冷却温度条件下总外输气水露点的计算值。由表1可以看出，热吹阶段含水的再生气掺入外输干气对露点影响较大，再生气冷却温度越高，外输气露点越高。再生气空冷器在冬季可充分利用环境温度，在保证管束不冻的前期条件下尽量将含水再生气冷却至较低温度（实际操作最低可冷却至15℃），从而减少带入外输干气的饱和水量，降低外输气出口的水露点温度。

表1 深冷装置外输天然气水露点计算数据℃

在11月至次年6月期间，大庆地区地面以下1.5～2 m处土壤温度为0℃左右；7月至10月埋深处土壤温度较高，可达5～12℃。冬季装置运行时，分子筛热吹阶段外输气露点理论计算值为-7.8℃，可满足比最低输送环境温度低5℃的要求。夏季装置运行时，由于再生气空冷器冷却温度较高，分子筛热吹阶段将有大量水分进入外输干气，导致外输气露点升高。一方面，较热季节外输气露点高于埋地处土壤温度，会有水冷凝下来，在管道中逐渐积聚增多，进入冬季后造成管线冻堵；另一方面，春冬、秋冬交替季节再生气空冷器冷却温度达不到设计要求，也会造成外输气露点高于埋地处土壤温度，发生管线冻堵问题。

综合以上分析，再生气热吹过程中所含的饱和水分进入外输气导致总外输气露点升高是造成冬季管道冻堵的主要原因，并且深冷装置外输气露点不合格主要发生在夏季及春冬、秋冬交替季节。

2 降低外输气水露点改造方案

为有效避免再生气携带的饱和水进入外输管网，造成冬季外输管网冻堵，从降低再生气的含水量的角度考虑，提出以下3个脱水方案：分子筛吸附器三塔脱水，再生气三甘醇脱水，再生气乙二醇低温脱水。

2.1 分子筛吸附器三塔脱水

本方案主要是降低再生气流量，从而减少带入外输干气的水量。在原两塔的基础上增加一台同规格的分子筛吸附塔，将两塔流程改为三塔流程[2]。

工艺流程：在原两塔流程基础上增加一台吸附器，再生气/冷却气流量可比两塔流程减少一半左右，新建三塔改造流程见图2。分子筛三塔流程单塔循环过程与双塔流程相同。三塔流程改变了循环周期，降低了再生气流量。

图2 深冷三塔脱水改造流程

根据三塔流程的再生气量，计算热吹阶段不同再生气冷却温度条件下总外输气水露点理论值，结果见表2。由表2可以看出，总外输干气露点可比两塔流程降低8～9℃。

夏季空冷器出口温度达到40℃的条件下，埋地管线中外输气水露点可满足比最低输送环境温度低5℃的要求。大庆地区冬季最低气温可达-30℃以下，在再生气空冷器按最低冷却温度20℃操作的条件下，计算外输干气出口露点为-16.1℃。考虑到管线施工时土壤回填质量不易保证，容易存在土酥松、缝隙等问题，冬季地面以下1.5～2 m处土壤温度往往低于0℃，对于埋地管线，环境温度按-5℃考虑，埋地管线外输气水露点仍可满足比最低输送环境温度低5℃的要求。

表2 三塔脱水方案外输天然气水露点计算数据℃

2.2 再生气三甘醇脱水

在再生气出口设三甘醇脱水橇，对冷却分离后的含残余饱和水的热吹阶段再生气进行脱水，再生气脱水后再掺入外输干气管线，实现降低总外输干气水露点的目的[3]。

工艺流程：来自分子筛脱水系统再生气分水罐的再生气，温度为20℃(冬季)～40℃(夏季)，进入三甘醇脱水橇，脱水后进入外输管网，脱水流程见图3。三甘醇脱水橇主要设备包括填料吸收塔1座、天然气-三甘醇贫液换热器1台、三甘醇闪蒸罐1台、三甘醇再生组合装置1套。

图3 再生气三甘醇脱水流程

根据不同再生气冷却温度，计算热吹阶段总外输气水露点理论值，结果见表3。再生气经三甘醇脱水后水露点可降低30℃左右，总外输干气露点可比原再生气直接掺入干气流程降低20～30℃，各个季节均可满足比最低输送环境温度低5℃的要求，并且在冬季外输气出口露点温度为-30.7℃，地面管线也不易冻堵，因此可从根本上解决外输气含水的问题。

表3 三甘醇脱水方案外输天然气水露点计算数据℃

2.3 再生气乙二醇低温脱水

充分利用环境温度，通过新建空冷器对再生气进行低温脱水，低温脱水过程中注入乙二醇防冻剂。乙二醇脱水装置冬季运行，夏季不运行。

工艺流程：来自分子筛脱水系统再生气分水罐的再生气温度为20℃，进入空冷器进一步利用环境温度冷却，同时在空冷器进口注入质量浓度为80%的乙二醇水溶液，根据环境温度的不同，空冷器可将再生气冷却至-20～10℃，脱水流程见图4。冷却后再生气进入分离器进行两相分离，气相进入干气外输管网。乙二醇在常压下再生。

外输气水露点降低效果分析：冬季运行时分子筛脱水系统再生气来气温度可达20℃，依据环境温度的不同，新设空冷器冷却温度也不同，根据不同的冷却温度，计算热吹阶段总外输气水露点理论值，结果见表4。

由表4可见，冬季再生气经乙二醇低温脱水后水露点降低较多，环境温度越低，水露点降低越多，外输干气出口水露点比环境温度低10～20℃以上，埋地管线和地上管线中外输气水露点均可满足比最低输送环境温度低5℃的要求。在夏季乙二醇脱水流程不运行时，依据分子筛脱水系统再生气冷却分离温度的不同，外输干气出口水露点达到-7.8～16.3℃，地上管线的水露点满足比最低输送环境温度低5℃的要求。