天然气处理厂商品率影响因素分析与提高措施

亢永博，金岗，王新康

(1.中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034； 2.中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

近年来天然气作为一种清洁能源受到各国青睐，我国作为一个天然气消费大国消费量已超过3 100× 108m3/a，日高峰用气量突破10亿立方米[1]，每年冬季几乎总要发生“气荒”现象。我国作为天然气进口大国，除应加大天然气勘探开发外，还应重视天然气集输、净化过程中的损耗减量，提高天然气的商品率，做到开源与节流并举。世界各国因天然气的气质条件和利用成本不同，天然气的商品率差距较大，英国、德国、俄罗斯和马来西亚位于第一梯队，商品率大于90%，美国、加拿大和印度尼西亚位于第二梯队，商品率在80%～90%之间，委内瑞拉、阿塞拜疆、阿尔及利亚等国位于第三梯队，天然气商品率甚至不超过50%。我国天然气商品率20世纪初期不足90%，近年来随着撬装CNG和LNG设备的投入，天然气商品率已超过90%。本文不考虑气质条件对商品率的影响，仅分析在处理厂净化过程中对天然气商品率的影响因素，并研究提高商品率的具体措施。

1 处理厂天然气商品率分析

1.1 处理厂天然气非商品气分析

一般，上游开采的天然气因含水、CO2和H2S等酸性气体无法直接供用户使用，需要在天然气处理厂对原料气进行脱硫、脱碳、脱水和脱烃加工处理，以满足管道输送的技术要求和高热值的商业要求。不同气田的气质差异较大，CO2和H2S等酸性气体在天然气中占比从百分之几到百分之十几不等[2]。为抑制管道输送时水合物的形成，还需对天然气做脱水处理，脱水工艺多为4A分子筛法或TEG溶液法，脱水处理在处理厂造成的商品气减量很小，一般不到1%。为了调整天然气热值和提高整体经济价值，通常还会采用低温分离法对原料气中C4+组分进行脱除，进一步造成商品气减量。此外，处理厂锅炉、再生气加热炉、酸气焚烧炉和长明火炬需要消耗部分天然气作为燃料，计划停产或故障检修时需要放空部分天然气，以上均会增加非商品气量，某处理厂商品气气质指标如表1所示。

表1 某处理厂商品气气质指标

1.2 处理厂天然气商品率计算公式

在处理厂将上游未经任何处理的天然气称为原料气，将经过脱硫、脱碳、脱水和脱烃并达到商业指标的天然气称为产品气，将扣除消耗自用后外输的产品气称为商品气。外输商品气量所占原料气量的比重称为天然气商品率，它是反映天然气处理厂加工处理水平的重要指标[3-6]，其计算公式(1)为：

式(1)～(2)中：CRgas为天然气商品率(%)；Q商品气为商品气量(m3)；Q原料气为原料气气量(m3)；Q放空为放空量，主要为装置开停产放空和设备故障检修放空(m3)；Q酸气为酸气量，主要为脱除的CO2和H2S等酸性气体(m3)；Q自用为自用气量，主要为锅炉、再生气加热炉、酸气焚烧炉用气(m3)；Q轻烃为脱除C4+造成的减量(m3)；Q其他为火炬密封气用气和“跑、冒、滴、漏”等其他因素引起的减量(m3)。

可以看出，天然气商品量的高低与产量和非商品气量密切相关，减少天然气生产流向中的非商品气量可以提高商品气量，进而提高商品率。

2 处理厂影响天然气商品率的主要因素

2.1 天然气放空

在处理厂造成放空的原因很多，主要可以归纳为开停产放空和设备故障临停检修放空两种类型。在启动开产的初始阶段，由于所生产的天然气水露点和烃露点超标，无法达到商品气的质量要求而被迫放空。年度计划停产检修，设备故障临停检修时需要对整列装置或设备进行放空泄压，为检修提供工艺条件。此外，还存在着因下游外输站管道、设备故障导致处理厂内管线、设备压力过高情况，为保障安全需临时放空。

2.2 净化处理损耗

未经处理的天然气中常含有H2S、CO2和有机硫化合物(统称酸性组分)，这些酸性组分的存在不仅会对下游金属管道和设备造成腐蚀。当以其为原料合成化工品时也会导致催化剂中毒，其泄漏后更是对环境和人体健康造成巨大危害。而CO2含量过高会降低天然气的热值，使其无法满足销售标准，因此需要对原料气进行脱硫脱碳处理。此外，为防止天然气在输送过程中形成水合物冰堵管道，还需要对天然气中的水做进一步的深度脱除，不同季节、不同地域和不同压力下对水露点的要求不同。一般说来，在净化处理过程中脱除酸性气体造成的商品气减量最大，脱水造成的商品气减量相对较小。

2.3 生产自用

在天然气净化处理的过程中需要消耗部分天然气以维持处理厂正常运转，处理厂自耗气主要是锅炉燃料气、再生气加热炉燃料气、酸气焚烧炉燃料气、火炬燃料气和生活(食堂)燃气，对于偏远和供电不便地区，处于经济性考虑，有的处理厂还建有天然气发电装置。

2.4 低温脱烃

脱除天然气中C4以上重烃不仅可以降低天然气烃露点、调整天然气热值、改善商品气质量，同时可提高整个天然气的经济价值。处理厂常用脱烃工艺主要包括J-T阀节流降温、丙烷预冷膨胀和膨胀机制冷工艺。由于分离出的烃液输送至凝析油稳定装置，处理后形成稳定凝析油单独进行销售，不再以天然气形式销售给用户，不再计入商品气量。

2.5 计量误差

处理厂通常将上游井口或集气站计量的数据作为原料气基础数据，将外输站计量的数据作为商品气基础数据，因此原料气和商品气的计量如果存在误差，会直接影响商品率的准确性，尤其是采气厂计量采用多相流量计轮换进行计量，误差较大。因此，在天然气计量时要合理选型，在出厂运输过程中防止损坏，在安装过程中谨慎操作，并定期调校流量计。

2.6 其他损耗

处理厂的长明火炬设置有分子封，其主要功能是在一定量的密封气体作用下，可保证火炬在排放气中断后或小流量运行状态时阻止空气倒流入火炬筒体内，确保再次排放时不会发生回火或爆炸。处理厂一般用天然气作为密封气，其耗气量每小时几百方不等。此外，处理厂的其他损耗还有跑、冒、滴、漏，该部分损耗相对较小，可通过加强巡检及时处理解决。

3 提高处理厂商品率的主要措施和方法

3.1 减少放空量

天然气放空是影响商品率的主要因素之一，在日常生产运行中通过优化工艺参数“积攒”几天、甚至一个月的商品量可能因为一次放空而付诸东流，因此合理规划装置开停产、降低设备故障率，控制放空量，对提高商品率具有极大的意义。

3.1.1 做好装置检维修计划，减少开停产放空

处理厂一般每两年会对全厂装置开展一次全停大修，在检修期间需要放空管存气以保证具备工艺条件，造成天然气大量浪费。如单列处理能力680×104m3/d的装置，因停产放空和启动初始阶段不合格产品放空总量可达15×104m3。做好装置检修计划，充分利用每次检修机会对设备保养、维护，减少装置启停次数，可节约天然气，提高商品率。

3.1.2 加强设备完整性管理，减少抢修临停放空

处理厂在日常生产运行中，常会因为某个设备故障检修而不得不对某个单元甚至整列装置放空。因此，加强处理厂贫液循环泵、再生气压缩机、膨胀压缩机等关键动设备的预防性检维修、做好维护保养，延长切换周期内的使用时长和降低停车次数可有效降低放空量。加强故障频发的再生气空冷器和绕管式换热器等静设备的完整性管理，尽量避免临停检修放空。同时，加强巡检，杜绝因为放空调节阀、安全阀内漏而造成的放空损失。

3.1.3 精心操作，避免商品气不合格放空

加强全员工作责任心，实时监控各项生产运行参数，避免由于所生产的天然气水露点、烃露点及H2S/CO2含量超标，无法达到商品气的质量要求而被迫放空。同时尽量减少整列装置的开车次数，减少装置启动初期产品气不合格的放空量。

3.1.4 合理调度，避免超压放空

强化调度功能，合理调配产能，避免因“供大于求”导致的下游管网超压而不得不放空的事情发生。装置发生故障时，要及时汇报调度，联系上游关井，降低因处置故障而导致的放空损失。

3.2 降低自气耗用量

3.2.1 提高炉类设备的燃烧效率，降低自耗气用量

处理厂的生产自耗气主要为炉类设备燃料气用气，因此提高炉类设备燃烧效率，可实现节气目的。一是要定期检查炉类设备的炉膛，保证炉膛完好，减少不必要的热量损耗；二是要通过烟气分析仪器(如燃烧效率测定仪、氧化钴氧含量测定仪)连续监测烟道气体成分，分析烟气中的氧含量和燃气含量，视烟道中的能量损失情况实时调节空燃比，在满足温度情况下，尽量减少燃料量和锅炉配风，以节约燃料气。

3.2.2 做好蒸汽系统保温，杜绝跑冒滴漏

全厂蒸汽系统的运行效率直接决定了锅炉燃料气的消耗，做好蒸汽系统的保温工作，提升加热效率，对节约燃料气，提高商品率具有重要意义。一是要定期对全厂范围内的蒸汽保温系统进行大检查，整改现场蒸汽和凝结水“跑、冒、滴、漏”；二是要对保温层缺失、裸露进行及时恢复，防止在冬季造成更大能量的散失，从而消耗更多的燃料气。

3.3 调整工艺参数，优化工艺操作

3.3.1 优化吸收塔工艺参数，减少酸气处理损耗

在保证产品气H2S和CO2含量满足商业要求的前提下，对脱硫脱碳单元胺液吸收塔进行模拟计算，优化操作参数，合理控制贫液温度、气液比、溶液浓度及吸收塔盘数，充分体现出MDEA溶液的选吸性能，在保证产品合格的前提下避免过度脱除酸气而降低天然气商品率。

3.3.2 调节再生塔塔顶温度，降低蒸汽耗量

处理厂脱硫再生塔塔顶设计控制温度为105 ℃左右，经研究、探索和实践，在保证产品气H2S和CO2指标合格的前提下，逐步将再生塔顶温度从105 ℃逐步下调至100 ℃左右仍可满足需求。经核算，再生塔塔顶温度每降低1 ℃，脱硫脱碳装置可节约蒸汽量5.3 t/h，每节约1 t蒸汽，相当于节约燃料气78 m3。

3.3.3 优化工艺流程，回收闪蒸气

部分处理厂因凝析油稳定塔闪蒸出来的轻组份量较小，且不稳定无法达到压缩机启运条件而直接放空燃烧，造成浪费。可通过工艺优化，在闪蒸气压缩机前增设缓冲罐，并从厂区内燃料气罐补充部分燃料气至缓冲罐满足压缩机最低启用负荷要求，从而回收闪蒸气量，提高商品率。

3.3.4 动态调节火炬密封气量，降低自耗气

根据处理厂所在地季节风速变化，在保证火炬长明火不熄灭的前提下，及时调整高、低压放空火炬密封气量，以减少燃料气耗量。

3.4 充分利用厂区热能，降低自耗气

3.4.1 充分利用炉类设备废热，降低锅炉自耗气

处理厂装置区内锅炉烟气、再生气加热炉烟气和酸气焚烧炉烟气均排向大气，造成热量的浪费。以各种炉子排出的高温烟气为热源，通过余热加热锅炉生产压力为0.6 MPa的饱和蒸汽，向厂区供热不仅提高了热能利用率，还可节约大量的燃料气。此外，对于设置有发电装置的处理厂，可考虑将燃气轮机排出的高温烟气做为热源对厂区锅炉水加热生产蒸汽，以热电联产的方式生产即可满足用电及用汽的双重需求，又可大大提高天然气能源综合利用率。

3.4.2 回收除氧器和凝结水罐蒸汽，节约锅炉自耗气

处理厂锅炉单元设置大气式热力除氧器和凝结水罐，除氧器和凝结水罐中的蒸汽直接排放至大气，不仅造成能量和水资源浪费，同时增加了反渗透膜、保安过滤器滤芯的消耗。通过新增换热器、凝结水箱、凝结水泵可实现锅炉水和蒸汽的换热，回收热能和除盐水，降低锅炉自耗气量。

4 结语

天然气商品率由天然气商品量和原料气量决定，减少净化处理过程中的非商品气量可以有效提高天然气商品率。

影响处理厂天然气商品率的主要因素包括放空、净化处理损耗、生产自用、低温脱烃、计量误差和其他损耗等多个方面，其中净化处理损耗和生产自用损耗对商品率影响最大。

调整工艺参数，优化工艺操作，减少放空量，降低自耗气量可有效提高处理厂天然气商品率。通过挖掘和回收利用处理厂的热能，可以降低自耗气使用量，提高天然气商品率。