再生塔回流介質(zhì)溫升分析及優(yōu)化

李 龍 何琳琳 王 剛 任玉生 黃 錕

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油西南油氣田成都天然氣化工總廠, 四川 成都 610213;3. 襄垣縣國(guó)新液化天然氣有限公司, 山西 長(zhǎng)治 046299;4. 重慶博杰能源有限公司, 重慶 408324

0 前言

液位回流控制是容器液位工藝過程控制的重要手段,對(duì)精餾工藝、吸收和再生工藝及容器的液位維持等生產(chǎn)過程起到關(guān)鍵作用[1-3]。液化天然氣(LNG)是天然氣的液態(tài)形式,生產(chǎn)過程中采用MDEA醇胺法作為天然氣深度脫酸的常用工藝處理方法[4-9]。其中,MDEA溶液再生采用低壓高溫操作,在再生塔頂部設(shè)置再生塔頂回流罐,對(duì)再生塔頂部被帶出的水分及MDEA溶液進(jìn)行回收操作,該過程對(duì)溶液再生效果和脫酸系統(tǒng)平衡操作具有重要作用[10-12]。本文針對(duì)液化天然氣生產(chǎn)過程中MDEA再生塔頂回流罐中液體溫度升高的現(xiàn)象進(jìn)行原因分析,提出防止再生塔因溶液回流循環(huán)造成溶液溫度升高的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,對(duì)類似具有回流液位控制回路的工程設(shè)計(jì)和操作具有參考意義。

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

某日處理天然氣50×104m3的LNG工廠,采用MDEA醇胺法深度脫除天然氣中的H2S、CO2酸性氣體,使凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)含量低于50×10-6,H2S含量低于3.5 mg/m3,滿足天然氣液化的要求。天然氣摩爾組分見表1。

再生塔頂工藝流程見圖1。來自再生塔的高溫工藝氣物流1進(jìn)入冷卻器中，經(jīng)冷卻器冷卻至40 ℃以下的物流2進(jìn)入分離罐中的分離氣液相。氣相物流3從分離罐頂部分出進(jìn)入后序裝置處理，液相物流4進(jìn)入回流泵中，經(jīng)回流泵增壓后返回至再生塔中，同時(shí)分出部分流量作為泵的最小回流量通過物流5返回分離罐中。分離罐液位控制采用單回路控制方案,液位變送器安裝在再生塔分離罐上,流量調(diào)節(jié)閥安裝在回流泵輸送至再生塔頂部的管線上。根據(jù)再生塔分離罐的液位波動(dòng)情況,通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度,從而穩(wěn)定再生塔頂分離器液位,防止液位過高或過低操作。同時(shí),為了保護(hù)泵的回流泵的安全啟動(dòng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)置了泵的最小流量回流保護(hù)線[13-16]。

表1 天然氣摩爾組分

組分含量/(%)組分含量/(%)N21.291n-C4H100.097CO20.716i-C4H100.116CH494.004n-C5H120.035C2H63.085i-C5H120.027C3H80.567C6H140.062 注:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,CO2處理設(shè)計(jì)負(fù)荷按天然氣中最大含量3.5 % (v/v)考慮。

圖1 再生塔頂工藝流程

根據(jù)脫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù),再生塔頂設(shè)計(jì)工況數(shù)據(jù)見表2。

表2 再生塔頂操作條件

物流號(hào)氣相分?jǐn)?shù)溫度/℃壓力/kPa密度/(kg·m-3)比熱/(kJ·kg-1·℃-1)0.72 % CO2工況質(zhì)量流率/(kg·h-1)3.5 % CO2工況質(zhì)量流率/(kg·h-1)111051001.781.34461.082 255.3020.407 540804.7282.24461.082 255.303140802.9080.93282.921 384.006040120996.24.31178.16871.3

2 介質(zhì)溫升情況

2017年8月,LNG生產(chǎn)裝置經(jīng)投產(chǎn)并達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)能力后,在裝置連續(xù)運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)回流泵出口管線及最小回流保護(hù)線管道外壁溫度偏高,設(shè)計(jì)條件下要求經(jīng)冷卻器冷卻之后的工藝介質(zhì)溫度應(yīng)小于40 ℃，經(jīng)檢測(cè),再生塔頂回流罐及回流泵出口溫度分別維持在45 ℃和47 ℃左右,均已超出工藝設(shè)計(jì)溫度40 ℃。

3 介質(zhì)溫升原因分析

通過檢測(cè),再生塔頂冷卻器出口工藝介質(zhì)溫度為37.5 ℃,表明該設(shè)備運(yùn)行正常且滿足工藝設(shè)計(jì)要求,回流系統(tǒng)介質(zhì)溫升并不是由于冷卻器冷卻效果差造成的。

對(duì)回流系統(tǒng)在全回流工況下做能量平衡分析,分析范圍見圖1虛線標(biāo)注部分。其中能量輸入部分主要包括主物流2帶入的能量Q2和回流泵電能輸入Q泵;能量輸出部分主要包括分離罐頂部物流3帶出的能量Q3、回流泵外輸物流6帶出的部分能量Q6和系統(tǒng)與外界因溫度差造成的熱量損失Q損。

當(dāng)Q2+Q泵>Q3+Q6+Q損時(shí),系統(tǒng)內(nèi)溫度將升高；

當(dāng)Q2+Q泵=Q3+Q6+Q損時(shí),系統(tǒng)內(nèi)溫度將維持；

當(dāng)Q2+Q泵

通過能量平衡分析可以看出,主物流2帶入的能量Q2,正?？梢酝ㄟ^物流3的能量Q3和物流6的能量Q6以及少量的熱損失Q損帶出系統(tǒng),因此回流泵的電能輸入Q泵是造成系統(tǒng)內(nèi)能量累積的主要原因,最終通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)熱能,從而使系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度升高。

從現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)內(nèi)溫度維持在45 ℃左右,并未出現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì),主要原因是回流泵選型后功率固定,能量輸入有限。系統(tǒng)熱損失及物流帶出的能量將隨系統(tǒng)介質(zhì)溫度的升高而增加,當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)溫度上升至一定程度后,此時(shí)系統(tǒng)累積的能量與系統(tǒng)熱損失及物流帶走的能量達(dá)到平衡狀態(tài),從而使系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度出現(xiàn)維持現(xiàn)象。

因回流泵循環(huán)輸入的能量有限,因此系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫升有極限值。根據(jù)系統(tǒng)物料平衡分析,由物流2帶入的物料最終通過物流3和物流6帶出系統(tǒng)。在不考慮系統(tǒng)熱損失Q損及物流3不被加熱的情況下,能量全部用于加熱分離出的液相介質(zhì)并被帶出系統(tǒng),此時(shí)系統(tǒng)能量平衡,液相介質(zhì)獲得最大溫升。根據(jù)熱量計(jì)算公式:

Q=cp×m×Δt

式中:cp為介質(zhì)平均比熱容,kJ/(kg·℃);m為介質(zhì)的質(zhì)量,kg;Δt為介質(zhì)溫升,℃。

可計(jì)算介質(zhì)最大溫升為Δtmax=Qmax÷(cp×mmin)=2.3×3 600÷(4.31×178.16)=10.78 ℃,即該系統(tǒng)最大溫升約為10.77 ℃。通過平衡分析可知,隨著物流6外輸量的加大,系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫升累積將減少,同時(shí)考慮到物流3和系統(tǒng)熱損失帶走部分,系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫升將更低,對(duì)系統(tǒng)影響更少。

4 介質(zhì)溫升處理措施

4.1 優(yōu)化回流設(shè)計(jì)流程

考慮到液位控制系統(tǒng)持續(xù)回流狀態(tài)下,能量將不斷通過泵輸送至系統(tǒng)內(nèi)，為持續(xù)移走富余能量,將泵的最小回流線接入至前端冷卻器入口,通過冷卻器將能量帶出系統(tǒng)。

4.2 優(yōu)化泵的選型

針對(duì)離心泵功率較大的類似工況,建議結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大負(fù)荷處理工況與實(shí)際運(yùn)行工況需求,選擇負(fù)荷匹配、經(jīng)濟(jì)高效的輸送泵。同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性可行的情況下,選用變頻控制方式節(jié)省能耗[17-19],尤其確保在低流量工況下減少能量輸入,提高能量利用效率,同時(shí)又滿足輸送要求。

4.3 優(yōu)化回流控制方式

針對(duì)離心泵功率較大的類似工況,建議在泵的最小回流線上安裝調(diào)節(jié)閥[13-14],減少泵的最小回流量,充分利用泵的額定外輸能力,從而減少系統(tǒng)能量累積和因最小回流線關(guān)閉造成憋泵傷害,防止泵空轉(zhuǎn)造成汽蝕[20-22]。

5 結(jié)論

1)造成再生塔頂回流系統(tǒng)介質(zhì)溫升的主要原因是脫酸裝置H2S和CO2處理負(fù)荷低,造成再生塔頂帶出液量少,回流泵處于小流量回流狀態(tài),持續(xù)向系統(tǒng)內(nèi)輸入能量,電能在系統(tǒng)內(nèi)累積并最終轉(zhuǎn)化為熱能,使系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度升高。由于在回流泵選型后系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫升將存在上限值,因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可進(jìn)行各工況下的能量平衡和物料平衡計(jì)算,分析回流系統(tǒng)最大溫升情況。

2)在系統(tǒng)無法接收介質(zhì)溫度升高的情況下,可將離心泵最小回流線返流至前端換熱器入口,從而將回流系統(tǒng)內(nèi)的能量通過冷卻器移走,確保系統(tǒng)內(nèi)能量平衡,有效防止回流系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度升高。

3)回流系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)及泵的選型需進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和整體分析,盡量減少全回流工況的出現(xiàn)。針對(duì)大功率離心泵,建議在離心泵的最小回流線上安裝調(diào)節(jié)閥,控制泵的最小回流量,充分利用泵的額定外輸能力,從而減少系統(tǒng)能量累積和因最小回流線關(guān)閉造成憋泵傷害,防止泵空轉(zhuǎn)造成汽蝕。