天然氣脫水再生方案的優(yōu)化

高 桐，王俊美

(中海油石化工程有限公司 工藝系統(tǒng)室，山東 青島 266101)

0 引言

3A/4A分子篩吸附脫水的工藝廣泛應(yīng)用于液化天然氣預(yù)處理的裝置中[1-3]。為防止天然氣中的水分在液化過程中結(jié)冰，液化工廠對(duì)天然氣的含水量有嚴(yán)格的要求。一般天然氣中水蒸氣需要降低至1 ppm以下。因此，多數(shù)天然氣液化廠會(huì)選擇脫水深度較深的分子篩脫水工藝[2-3]。

分子篩脫水工藝采用的是物理吸附的原理。分子篩物理吸附飽和后，需要通過引入高溫再生氣帶走吸附其上的水蒸氣，再通過引入低溫冷卻氣將分子篩冷卻到常溫，才能繼續(xù)進(jìn)行天然氣脫水。分子篩的再生工藝對(duì)脫水單元的流程有著決定性的影響。傳統(tǒng)分子篩脫水單元采用兩塔等壓干氣再生工藝，隨著分子篩制造工藝的進(jìn)步和機(jī)械性能的提高，逐步出現(xiàn)了三塔，四塔流程，濕氣再生和等壓再生工藝[4-6]。

本文以某終端處理廠天然氣處理裝置的天然氣脫水單元為例，對(duì)再生工藝按照分子篩數(shù)目，再生氣來源和再生壓力進(jìn)行比選，通過能耗和全壽命周期投資的對(duì)比，選擇技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)性最佳的方案。

1 方案概述

為了將上游經(jīng)脫酸和初步脫水的天然氣進(jìn)行深度脫水，滿足天然氣液化工藝的要求，裝置設(shè)置天然氣脫水單元。進(jìn)入單元的原料氣的組分和操作參數(shù)如表1和表2所示。

表1 天然氣脫水單元原料氣的組成

表2 天然氣脫水單元原料氣的操作參數(shù)

說明：根據(jù)氣田采出量，裝置進(jìn)料量逐年變化，表2中給出的是預(yù)計(jì)在裝置運(yùn)行至第三年時(shí)的最大進(jìn)料量。

1.1 三塔和兩塔流程

為了保證裝置連續(xù)操作，需要始終保持有一臺(tái)分子篩干燥器處于吸附狀態(tài)。因此天然氣脫水單元多數(shù)會(huì)采用三塔和兩塔流程[2，5-7]，其中，三塔流程的設(shè)計(jì)是一塔吸附，一塔再生，一塔冷卻，三塔以此順序循環(huán)更替。因此，三個(gè)工況的時(shí)間相等；兩塔流程的設(shè)計(jì)是一塔進(jìn)行吸附時(shí)，另一塔進(jìn)行再生和冷卻，兩塔交替運(yùn)行。因此，吸附的時(shí)間等于冷卻和再生的時(shí)間之和[2-3]。經(jīng)過初步設(shè)計(jì)和總結(jié)，兩種流程的基本特性如表3所示。

表3 三塔流程和兩塔流程的基本特性

1.2 等壓再生和降壓再生流程

等壓再生的工業(yè)應(yīng)用較為常見，但根據(jù)水蒸氣在分子篩的吸附與脫附平衡，高溫低壓有利于分子篩再生。因此一些天然氣脫水裝置會(huì)采用降壓再生工藝[4-5，8]，分子篩的再生過程是：當(dāng)分子篩吸附達(dá)到吸附飽和時(shí)，開啟分子篩干燥器上方的泄壓閥降壓，在低壓狀況下進(jìn)行熱再生和冷卻，之后關(guān)閉泄壓閥充壓，以滿足下一個(gè)吸附工況的工藝要求。

本單元上游的原油穩(wěn)定單元設(shè)有三級(jí)壓縮機(jī)，將經(jīng)分液后的原料天然氣依次壓縮至0.4 MPag，1.0 MPag，3.3 MPag。因此采用降壓吸附時(shí)，可以將分子篩干燥器降壓至0.4 MPag或者1.0 MPag后進(jìn)行再生，該壓力下再生氣可以返回原油穩(wěn)定單元的相應(yīng)位置。這樣可以為本單元節(jié)省一部壓縮機(jī)。

1.3 干氣再生和濕氣再生流程

脫水前的原料氣和脫水后的產(chǎn)品氣均可以作為再生氣和冷卻氣的氣源。干氣再生工藝采用脫水后產(chǎn)品干氣作為再生氣和冷卻氣[4，8-9]。由于裝置存在壓損，再生氣與冷卻氣需要經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后返回上游單元或者本單元入口。

濕氣再生工藝采用脫水前的原料氣作為再生氣和冷卻氣[9]。這部分再生氣和冷卻氣在進(jìn)入天然氣脫水系統(tǒng)之前就通過調(diào)節(jié)閥分出，完成相應(yīng)的程序后利用調(diào)節(jié)閥前后的壓差返回系統(tǒng)，因此分子篩再生過程中不能進(jìn)行降壓。濕氣再生工藝只能采用等壓吸附再生。

綜上所述，本裝置分子篩脫水共有八種方案可供選擇，分別是：干氣變壓再生的三塔流程(降壓至0.4 MPag與1.0 MPag)，干氣等壓再生的三塔流程，濕氣等壓再生的三塔流程，干氣變壓再生的兩塔流程(降壓至0.4 MPag與1.0 MPag)，干氣等壓再生的兩塔流程，濕氣等壓再生的兩塔流程。

2 方案技術(shù)性對(duì)比

2.1 三塔流程再生方案的設(shè)計(jì)

三塔流程中，低溫再生氣先進(jìn)入再生后的分子篩干燥器對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻，然后經(jīng)電加熱器加熱至再生溫度，進(jìn)入飽和后的分子篩干燥器進(jìn)行再生。由于再生氣和冷卻氣采用的是同一股物流，該設(shè)計(jì)可以利用分子篩干燥器冷卻的過程為再生氣供熱，節(jié)省部分電能。再生后的天然氣可以通過壓縮機(jī)加壓，返回至裝置入口(干氣再生)，也可以利用進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的壓降，返回至調(diào)節(jié)閥后(濕氣再生)[5，8，10]。采用三塔天然氣脫水的三種流程簡圖如圖1所示。

圖1 三塔天然氣脫水方案

所有目標(biāo)溫度均以平均溫度作為計(jì)算基準(zhǔn)[10]。根據(jù)一般3A/4A分子篩的性能保證，1.0 MPag，0.4 MPag下再生溫度分別為220 ℃，200 ℃。

表4給出了三塔流程中不同方案的循環(huán)水和電能的實(shí)際消耗。為了將方案綜合比較，根據(jù)0.06 kg標(biāo)準(zhǔn)油/t循環(huán)水， 0.22 kg標(biāo)準(zhǔn)油/kWh電能折算，可以計(jì)算裝置的能耗。根據(jù)市場價(jià)格，按照循環(huán)水4.57元/t，電0.78元/kWh可以將消耗折算為本單元的運(yùn)行成本。

表4 三塔天然氣脫水方案對(duì)比

根據(jù)計(jì)算可知，對(duì)于三塔天然氣脫水方案，降壓再生(即方案一和方案二)的能耗要高于等壓再生(即方案三和方案四)的能耗。兩種等壓再生方案中，干氣再生方案(方案三)的能耗略低于濕氣再生(方案四)。

方案一和方案二的降壓再生采用較低的壓力和脫水效果較好的干燥再生氣，降低了再生/冷卻氣(由于是同一股物料，以下文字描述一律簡稱再生氣)的用量和溫度，節(jié)省了用于再生氣加熱的電能和用于冷卻的循環(huán)水用量。但由于再生氣返回系統(tǒng)前需要進(jìn)行增壓和再次冷卻的能耗很大，完全抵消掉了通過降低再生氣用量進(jìn)行節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。從方案一和方案二的結(jié)果對(duì)比也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)：降壓至1.0 MPaG與降壓至0.4 MPaG的方案再生氣用量相同，但在再生氣增壓所消耗的能量方面，后者幾乎是前者的兩倍。三塔流程的方案中，降壓吸附并沒有達(dá)到節(jié)能的目的。

此外，返回系統(tǒng)的再生氣被視為系統(tǒng)循環(huán)用量。工程設(shè)計(jì)通常需要避免此類設(shè)計(jì)，以縮減主要設(shè)備和管道尺寸，降低裝置總投資。

綜上所述，對(duì)于三塔流程而言，采用等壓吸附的節(jié)能效果好于采用降壓再生。方案比選中排除方案一和方案二。由于裝置主要設(shè)備不一致，方案三和方案四需要進(jìn)一步在經(jīng)濟(jì)分析中進(jìn)行比較。

2.2 兩塔流程再生方案的設(shè)計(jì)

采用兩塔流程的三種流程簡圖如圖2所示。

圖2 兩塔天然氣脫水方案

分子篩干燥器一塔吸附，一塔間斷進(jìn)行，冷卻和再生。由于常溫天然氣直接加熱至再生溫度，再生和冷卻過程沒有熱量回收[6，11]。其中采用脫水后氣體作為再生氣的流程稱為干氣再生，采用脫水前的氣體作為再生氣的流程稱為濕氣再生。

表5給出了兩塔流程天然氣脫水方案對(duì)比，由于兩塔流程的單臺(tái)分子篩干燥器的體積較大，再生/冷卻氣用量總體高于三塔流程。其中，和三塔流程一樣，干氣等壓再生(方案七)是能耗最低的方案。

表5 兩塔天然氣脫水方案對(duì)比

同三塔流程相比，兩塔流程的再生氣加熱的時(shí)間可以減半。但由于兩塔流程的再生和冷卻流程分開進(jìn)行，分子篩的冷卻過程無法為再生氣供能，這部分能量只能由再生氣加熱器提供。由于兩塔流程中等壓再生方案的主要能耗來自于再生氣加熱的電能，采用兩塔方案的綜合能耗總體高于三塔方案。

降壓再生對(duì)于兩塔流程的適用性較強(qiáng)。其中，采用兩塔流程，降壓至1.0 MPaG返回系統(tǒng)(即方案五)和等壓再生(即方案八)方案相比具備一定的節(jié)能效果。

為了選擇最優(yōu)方案，方案三，方案四，方案五和方案七和方案八這五個(gè)方案需要進(jìn)一步在經(jīng)濟(jì)分析中進(jìn)行比選。

3 方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

根據(jù)主要設(shè)備設(shè)施不同，可以估算出不同方案的投資造價(jià)。表6給出了五種方案的一次性投資總價(jià)。其中方案三和方案七涉及本單元增加一臺(tái)壓縮機(jī)。

天然氣脫水單元的進(jìn)料量取決于上游氣田的采出氣量。表7中給出了本單元逐年進(jìn)氣流量的變化值, 用于計(jì)算每年的運(yùn)行成本。根據(jù)市場價(jià)格，按照循環(huán)水4.57元/t，電0.78元/kWh，每年運(yùn)行8 000 h，可以將每年的運(yùn)行成本根據(jù)單元進(jìn)料量進(jìn)行折算，加上表6給出的裝置的一次性投資，以13%的利率，可以折算出不同方案下裝置的全壽命投資。

表6 五種方案設(shè)備一次性投資

表7 五種方案的全壽命投資

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，三塔流程的建設(shè)投資普遍高于同等情況下的兩塔流程。但三塔流程在運(yùn)行過程中消耗的循環(huán)水和電能較低，其運(yùn)行費(fèi)用折算后得到的總體經(jīng)濟(jì)性更好。其中，盡管干氣等壓再生(方案三和方案七)一次性建設(shè)投資費(fèi)用在同類方案中最高，但由于運(yùn)行過程中最節(jié)能，計(jì)算得到的最終全壽命投資是同類方案中最低的。

五種方案中，經(jīng)濟(jì)性最好的方案是方案三，即三塔干氣再生流程。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)某終端處理廠天然氣液化裝置天然氣脫水單元再生方案的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比選，得到了五種可行的天然氣再生方案。方案比選中得到以下結(jié)論：

(1)降壓再生方案在兩塔流程的適用性較好，但不適用于三塔流程，主要是由于氣體增壓的能耗較高。

(2)兩塔流程的一次性投資較低。三塔流程的節(jié)能效果和全壽命經(jīng)濟(jì)性更好。

(3)采用干氣等壓再生方案的一次性投資較高，但節(jié)能效果和全周期經(jīng)濟(jì)性較好。