天然氣脫水塔的設(shè)計(jì)

趙永剛

摘 ?要：為了獲得最佳的天然氣開采效果，針對(duì)天然氣脫水塔設(shè)計(jì)展開分析。介紹脫水塔設(shè)計(jì)條件，從確定干燥塔數(shù)量、再生氣方案設(shè)計(jì)、分子篩脫水塔設(shè)計(jì)、干燥塔時(shí)間分配方案四個(gè)方面闡述脫水塔設(shè)計(jì)方案，最后從運(yùn)用變氣量再生技術(shù)、改變操作時(shí)間、變氣量解吸處理、調(diào)整再生氣量四個(gè)方面提出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，總結(jié)科學(xué)的脫水塔設(shè)計(jì)方案，提高天然氣脫水質(zhì)量，為油藏開采工作提供先進(jìn)的設(shè)備支持。

關(guān)鍵詞：天然氣;脫水塔;油藏;水蒸氣

中圖分類號(hào)：TE96 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）02-0068-02

Abstract： In order to obtain the best effect of natural gas exploitation， the design of natural gas dehydration tower is analyzed. This paper introduces the design conditions of dehydration tower， and expounds the design scheme of dehydration tower from four aspects： determining the number of drying tower， the design of regeneration scheme， the design of molecular sieve dehydration tower， and the time distribution scheme of drying tower. Finally， the design optimization suggestions are put forward from the following four aspects： the application of variable gas regeneration technology， changing operation time， variable gas desorption treatment and adjusting the amount of regenerated gas， and then summarizes the scientific design scheme of dewatering tower to improve the dehydration quality of natural gas， so as to provide advanced equipment support for reservoir production.

Keywords： natural gas; dehydration tower; reservoir; water vapor

天然氣往往在離開油藏時(shí)含有大量水蒸氣，受天然氣壓力、溫度變化的影響，水蒸氣有可能會(huì)形成水化物，水化物一旦出現(xiàn)局部積累，會(huì)對(duì)管線內(nèi)部天然氣流通率帶來限制，導(dǎo)致出現(xiàn)管線壓降、輸氣量降低等現(xiàn)象，如果情節(jié)比較嚴(yán)重還會(huì)堵塞管道，直接中斷輸氣。天然氣如果形成水分，還會(huì)破壞設(shè)備、儀表與管線，導(dǎo)致出現(xiàn)腐蝕。所以，為了解決該問題，設(shè)計(jì)脫水塔非常必要。對(duì)于脫水塔的設(shè)計(jì)，期間存在諸多影響因素，具體需要設(shè)計(jì)科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，為此下面圍繞這一問題展開分析。

1 脫水塔設(shè)計(jì)條件

在諸多脫水塔設(shè)計(jì)方法中，最常用的一種為分子篩脫水法，采用該方法設(shè)計(jì)天然氣脫水塔，需要選擇合理的吸附劑，分子篩類型比較多，按照孔徑與分子篩內(nèi)部SiO2、Al2O3摩爾比，可以大概確定分子篩的幾種型號(hào)，包括3A、4A、5A[1]。目前復(fù)合固體吸附劑的應(yīng)用最為普遍，主要原因是該吸附劑性能極佳，可以將活性氧化鋁、分子篩結(jié)合，將氧化鋁床層視為分子篩保護(hù)層，濕氣分別經(jīng)過活性氧化鋁床層與分子篩床層。因?yàn)榛钚匝趸X與分子篩相比，在價(jià)格與再生時(shí)能耗方面具有極大的優(yōu)勢，不僅可以節(jié)省投資，還能夠確保干氣露點(diǎn)。所以設(shè)計(jì)天然氣脫水塔時(shí)建議采用復(fù)合固體脫水吸附劑。

2 天然氣脫水塔設(shè)計(jì)方案

2.1 確定干燥塔數(shù)量

如果采用分子篩脫水方法，在設(shè)計(jì)脫水塔時(shí)分為二塔流程、三塔流程、四塔流程。其中二塔式天然氣脫水塔的設(shè)計(jì)，是一塔吸附、一塔再生同時(shí)進(jìn)行，再生氣加熱、冷吹期間則采用間斷操作的方法;三塔式設(shè)計(jì)時(shí)，將其中一塔調(diào)整為吸附狀態(tài)，剩余兩塔分別處在加熱、冷吹狀態(tài)，再生氣環(huán)節(jié)連續(xù)進(jìn)行;四塔設(shè)計(jì)所使用的和三塔相似度極高，但是區(qū)別在于吸附周期更長，再生氣環(huán)節(jié)依然連續(xù)進(jìn)行[2]。具體設(shè)計(jì)要結(jié)合天然氣脫水塔設(shè)計(jì)實(shí)際情況，確定不同塔的數(shù)量與參數(shù)。

分析可知，三塔設(shè)計(jì)中的分子篩裝填量小，但設(shè)備的總重量卻比較大。四塔設(shè)計(jì)中的單塔天然氣流量是二塔、三塔的50%，單塔設(shè)計(jì)需要的殼體直徑比較小，壁厚薄，因此總重量與三塔相比更小，天然氣處理量更大。另外，四塔設(shè)計(jì)中涉及到的再生氣量在所有種類中最小，并且再生氣為連續(xù)操作，所以在設(shè)計(jì)天然氣脫水塔時(shí)采用四塔式脫水流程為宜。

2.2 再生氣方案設(shè)計(jì)

采用四塔式脫水流程進(jìn)行再生設(shè)計(jì)，將其體現(xiàn)在天然氣液化裝置當(dāng)中主要有以下幾種方案：其一是再生氣利用循環(huán)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)在再生系統(tǒng)中的循環(huán)，其二是再生氣在干燥器出口脫水天然氣中取出，通過再生過程環(huán)節(jié)再返回到原料氣，或者直接充當(dāng)燃料氣應(yīng)用;其三是再生氣在壓縮之后的閃蒸氣中提取，也就是從燃料氣壓縮機(jī)冷卻器出口經(jīng)過再生環(huán)節(jié)處理，通過燃料氣管線上閥門形成的壓差作用再次回到燃料氣系統(tǒng)當(dāng)中。針對(duì)這三種方案進(jìn)行對(duì)比，第一種功耗比較小，但是再生氣壓縮機(jī)數(shù)量增加，無法有效達(dá)到完全再生的目的，第二種方案操作與控制更加簡單，但是再生氣中包括重?zé)N，第三種方案再生氣屬于干氣，不涉及重?zé)N，同樣具有系統(tǒng)操作簡單與功耗小的特點(diǎn)，但是在實(shí)際操作過程中燃料氣管網(wǎng)會(huì)存在一定程度的擾動(dòng)。

通過對(duì)比可以確定第三種方案可以獲得最為理想的再生氣流程，再生氣從燃料氣壓縮機(jī)水冷器出口調(diào)節(jié)閥前提取，再生環(huán)節(jié)之后返回到調(diào)節(jié)閥，隨后燃料氣壓縮機(jī)出口將操作壓力提升，與燃料氣管網(wǎng)壓力規(guī)定相符，如果操作過程中對(duì)燃料氣管網(wǎng)帶來擾動(dòng)，建議通過其余輔助氣源壓力調(diào)節(jié)達(dá)到控制的效果[3]。

2.3 分子篩脫水塔設(shè)計(jì)

采用分子篩脫水方法設(shè)計(jì)天然氣脫水塔，需要應(yīng)用四臺(tái)分子篩干燥塔進(jìn)行切換操作，首先經(jīng)過脫酸處理的濕天然氣按照從上至下的方向進(jìn)入到干燥塔中，干燥塔同時(shí)進(jìn)行吸附脫水處理與再生。再生氣進(jìn)入過濾處理，隨后經(jīng)過再生氣加熱器，將加熱器溫度調(diào)整至240℃，從干燥塔的底部不斷向上方流動(dòng)，對(duì)分子篩床層進(jìn)行加熱，將分子篩篩孔上吸附的水分篩出，由此便可結(jié)束干燥塔再生。使用過濾器將干燥塔頂部排出的含水再生氣過濾，過濾之后進(jìn)入到再生氣冷卻器中降溫處理，隨后通過再生氣分液罐去除含有的水分。

干燥塔再生處理期間，干燥塔執(zhí)行吹冷操作。干燥塔出口冷卻與脫水之后的再生氣，會(huì)先經(jīng)過壓縮冷卻，并且進(jìn)入到再生氣干燥器內(nèi)部脫水，再經(jīng)過干燥塔底部冷吹。干燥塔出口再生氣在加熱器內(nèi)部加熱便可以進(jìn)入到干燥塔內(nèi)部。當(dāng)干燥塔冷卻處理完成后，干燥塔的再生冷卻也同時(shí)結(jié)束，切換干燥塔和負(fù)責(zé)吸附操作的干燥塔，即將干燥塔的吸附與再生處理操作交換，這樣一來便可以在吸附、再生、冷卻、吸附流程下完成分子篩脫水塔設(shè)計(jì)。

2.4 干燥塔時(shí)間分配方案

基于現(xiàn)有四塔式分子篩脫水塔設(shè)計(jì)成功經(jīng)驗(yàn)，不同塔時(shí)間分配分別以8h短周期、24h長周期為主。8h短周期的分子篩用量相對(duì)較少，且干燥器尺寸比較小，再生次數(shù)多，再生耗能大，分子篩使用時(shí)間有限。24h長周期與之相反，再生次數(shù)少，再生能耗不高，分子篩使用時(shí)間長，但是這種長周期分子篩用量會(huì)隨著時(shí)間的變化而增加，干燥器尺寸與壓降也會(huì)隨之加大。所以，對(duì)于各塔時(shí)間的分配，需要充分結(jié)合短周期、長周期的優(yōu)勢進(jìn)行設(shè)置。

3 天然氣脫水塔設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

3.1 運(yùn)用變氣量再生技術(shù)

將恒定氣量再生技術(shù)替換為變氣量再生技術(shù)，是優(yōu)化天然氣脫水塔設(shè)計(jì)的有效方法。因?yàn)樵偕鷼庀到y(tǒng)熱負(fù)荷為恒定，將再生氣量進(jìn)行調(diào)整，可以對(duì)再生溫度進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)中建議組織南八深冷裝置試驗(yàn)，設(shè)置再生氣量初始參數(shù)，以7000m3/h為最佳，使用導(dǎo)熱油爐進(jìn)行加熱處理，提高再生氣溫度為250℃，這時(shí)分子篩便可以進(jìn)行后續(xù)的初步再生操作。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過3h，再生氣出口的溫度為180℃，吸附于分子篩之上的水?dāng)y帶而出，這時(shí)將再生氣量調(diào)整成為6000m3/h，但是導(dǎo)熱油爐負(fù)荷維持原數(shù)據(jù)，再生氣溫度提高到283℃。隨后便可以展開分子篩高溫沖刺再生作業(yè)，減少吸附水含量。

3.2 改變操作時(shí)間

在變氣量再生技術(shù)實(shí)踐操作過程中，以確保分子篩正常脫水為基礎(chǔ)，盡可能的將吸附與再生時(shí)間延長，減小床層切換次數(shù)。經(jīng)過一系列調(diào)整之后，分子篩操作時(shí)間從之前的8h延長到12h。數(shù)據(jù)對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，完成調(diào)整的原料氣露點(diǎn)降低比較明顯，從-74℃降低到-82℃，并且后續(xù)設(shè)備并沒有水凍堵現(xiàn)象發(fā)生。所以，分子篩操作時(shí)間以12h為宜。

3.3 變氣量解吸處理

當(dāng)開始分子篩再生熱吹之后，對(duì)于熱為分子篩、瓷球、罐體結(jié)構(gòu)、分子篩吸附水升溫的要求比較高，因此需要通過大氣量升溫這一方式快速提高溫度，使其能夠以最快的效率達(dá)到最佳解吸溫度標(biāo)準(zhǔn)值。分子篩再生系統(tǒng)溫度提升了一段時(shí)間以后，導(dǎo)熱油爐內(nèi)部的再生氣量降低，這時(shí)以恒定導(dǎo)熱油爐負(fù)荷為前提，提高分子篩再生氣溫度，獲得更加理想的升溫與初步解吸分子篩再生效果，并且進(jìn)一步加強(qiáng)活性。

3.4 調(diào)整再生氣量

針對(duì)天然氣脫水塔分子篩設(shè)計(jì)展開試驗(yàn)，期間可以采用調(diào)節(jié)再生氣量的方式，具體操作流程如下：第一，將再生氣量變更為6000m3/h，運(yùn)行時(shí)間為3h。如果導(dǎo)熱油爐負(fù)荷正常，加熱之后的再生氣溫度提高到250℃，以循序漸進(jìn)的方式加熱脫水塔。分子篩出口再生氣溫度為180℃，這時(shí)分子篩上吸附的水初步完成解析，可以使用程序控制法完成分子篩初步再生，隨后再將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入至沖刺再生環(huán)節(jié)。第二，將再生氣量變更為5300m3/h，運(yùn)行時(shí)間為1h。如果導(dǎo)熱油爐負(fù)荷正常，加熱再生氣溫度提高至280℃，這時(shí)該溫度下的再生氣進(jìn)行初步再生處理，分子篩再生徹底完成，吸附的水解析更加徹底。此時(shí)分子篩活性與脫水效率顯著提升。第三，調(diào)整氣量至正常值，實(shí)施冷吹降溫。將再生塔調(diào)整到冷吹狀態(tài)，氣量變更為6000m3/h，在20℃溫度下進(jìn)行干氣冷吹。這時(shí)吸附器逐漸冷卻，冷吹氣出口溫度約為40℃，同時(shí)結(jié)束冷吹。

4 結(jié)束語

綜上所述，采用分子篩脫水設(shè)計(jì)法進(jìn)行天然氣脫水塔設(shè)計(jì)，有效節(jié)省能源，還可以滿足脫水處理規(guī)范要求。由此可以明確分子篩脫水設(shè)計(jì)法在天然氣脫水處理中的重要作用。同時(shí)，今后進(jìn)行脫水塔設(shè)計(jì)，需要以分子篩脫水設(shè)計(jì)法為依據(jù)，在節(jié)省成本、降低能耗的目標(biāo)下進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用效果更佳的脫水塔設(shè)計(jì)方案，提高天然氣脫水塔設(shè)計(jì)效果。

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