三甘醇脫水裝置尾氣處理裝置凍堵解決方法

余國平，李淑平，李海偉，劉玉剛，薛 雨，趙 磊，倪志良，齊德山，劉建超，馬 成

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司，寧夏銀川 750001；2.西安國泰石化科技工程有限公司，陜西西安 710000）

1 項(xiàng)目背景

江蘇儲(chǔ)氣庫分公司金壇作業(yè)區(qū)現(xiàn)有4 套三甘醇脫水橇，其配套的原有焚燒爐因環(huán)保要求不達(dá)標(biāo)，于2017 年拆除后改造為尾氣處理橇。尾氣處理橇的作用是將尾氣中的烴類氣體經(jīng)過冷卻、分離、混合增壓后，進(jìn)入燃燒器燃燒，從而節(jié)約了燃?xì)庀?。但是，在生產(chǎn)運(yùn)行中也暴露出了一些問題。一是改造后的燃燒器相比原燃燒器，由原來一個(gè)火嘴變成三個(gè)火嘴，功率由250 kW 增加到290 kW，功率增加了40 kW，導(dǎo)致重沸器在運(yùn)行過程中時(shí)常發(fā)生超溫現(xiàn)象，同時(shí)增加了三甘醇的消耗；二是由于尾氣橇空冷器未設(shè)置冷卻溫度控制參數(shù)，在冬季生產(chǎn)過程中，導(dǎo)致冷卻后溫度難以控制，冬季環(huán)境溫度過低時(shí)容易導(dǎo)致空冷器凍堵影響生產(chǎn)運(yùn)行。

2 尾氣處理裝置工藝流程

含水蒸氣尾氣自脫水橇精餾柱頂排氣口排出后，進(jìn)入再生塔頂空冷器降溫冷卻，后進(jìn)入氣液分離器凈化分離，分離出水分的氣體進(jìn)入脫水橇尾氣處理裝置的混合增壓裝置與燃料氣混合增壓，而后進(jìn)入重沸器燃燒器燃燒，達(dá)標(biāo)后自重沸器煙囪排放至大氣。在氣液分離器中分離出的液體排至地埋污水罐，定期外運(yùn)（見圖1）。

圖1 尾氣處理裝置工藝流程圖

3 問題原因分析

3.1 對(duì)國家環(huán)保規(guī)范的研究及認(rèn)知

《陸上石油天然氣開采工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（2017 年實(shí)施），“4.2.1 天然氣凈化廠大氣污染物排放控制要求……4.2.1.8 天然氣脫水劑（三甘醇等）再生處理產(chǎn)出的閃蒸氣，應(yīng)經(jīng)灼燒后排放。”再生尾氣如果經(jīng)過灼燒，H2S 氣體即轉(zhuǎn)化為SO2氣體；SO2氣體的排放應(yīng)執(zhí)行GB16297-1996 的規(guī)定[1-3，5]。

《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14554-93）[4]中“3.3無組織排放源：指沒有排氣筒或排氣筒高度低于15 m 的排放源?！?/p>

采注站執(zhí)行三類區(qū)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，H2S 氣體無組織排放廠界標(biāo)準(zhǔn)值：≤0.60 mg/m3。

據(jù)此得出結(jié)論，三甘醇脫水裝置在設(shè)計(jì)時(shí)配套了尾氣焚燒爐是可以滿足國家規(guī)范要求的[6]，目前主要原因是焚燒爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，導(dǎo)致無法正常使用。

3.2 重沸器發(fā)生超溫現(xiàn)象

三甘醇重沸器是脫水裝置關(guān)鍵設(shè)備，加熱器有三個(gè)火嘴，常明火火嘴、主火火嘴、混合氣燃燒火嘴。其中常明火燃燒的氣量較少，產(chǎn)生的熱量5 kW。主火火嘴是加熱重沸器的主要熱源，由kimary 的溫度控制器來控制主火的氣量，產(chǎn)生的熱量245 kW。混合氣燃燒火嘴燃燒的天然氣來自混合增壓器，產(chǎn)生的熱量40 kW。由于以前燃燒器是兩個(gè)火嘴，溫度控制采用的kimary的溫度控制器，穩(wěn)定的控制重沸器的溫度。現(xiàn)在火嘴變成三個(gè)火嘴，其中混合氣燃燒的熱量與主火的熱量之和超過富三甘醇再生的熱量，是導(dǎo)致三甘醇溫度超過的主要因素。

3.3 空冷器出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象

空冷器是尾氣處理裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備，空冷器的主要功能是將精餾柱頂出來的水蒸氣進(jìn)行冷凝。筆者采用unsim 軟件對(duì)空冷器出口溫度與空冷器出口物流固態(tài)百分比進(jìn)行工況研究，從unsim 軟件中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度低于-1 ℃時(shí)，物料中就開始有固態(tài)出現(xiàn)。當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí)，物料中就已經(jīng)100%出現(xiàn)固態(tài)現(xiàn)象。金壇儲(chǔ)氣庫冬季環(huán)境溫度較低，是導(dǎo)致空冷器凍堵的原因（見圖2）。

圖2 空冷器出口溫度與空冷器出口物流固態(tài)百分比工況研究

4 解決方案

（1）針對(duì)重沸器溫度超高問題，重沸器的控制參數(shù)迭代優(yōu)化。綜合分析三甘醇系統(tǒng)脫水效率影響因素和現(xiàn)有控制參數(shù)，設(shè)定一組重沸器內(nèi)三甘醇溶液溫度控制參數(shù)作為初始值，優(yōu)化高溫控制器控制邏輯，降低重沸器溫度，將天然氣水露點(diǎn)和重沸器溫度控制情況作為輸出結(jié)果，重新優(yōu)化控制參數(shù)。循環(huán)迭代，找到適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的最優(yōu)控制參數(shù)，確保脫水效果滿足要求的前提下，優(yōu)化三甘醇再生系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，同時(shí)消除重沸器超溫帶來的風(fēng)險(xiǎn)（見表1）。

表1 溫度設(shè)定值與重沸器實(shí)際溫度

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的操作不斷摸索統(tǒng)計(jì)。從表1 可以看出，當(dāng)溫度控制閥的溫度設(shè)定在196 ℃時(shí)，切斷主火的起源，采用引射增壓器來的燃料氣就可以將重沸器的溫度加熱到198 ℃，裝置運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）分析改善尾氣動(dòng)力消耗。綜合分析尾氣橇工作過程，對(duì)引射增壓器進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)，確保在滿足尾氣回收的前提下，盡可能的降低引射氣的消耗量，從而避免重沸器燃料過多導(dǎo)致超溫。目前已完成與生產(chǎn)廠家共同對(duì)引射增壓器結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、驗(yàn)算，取得了可以改善效果、降低引射氣使用量的具體參數(shù)；準(zhǔn)備在裝置上逐步調(diào)節(jié)、試驗(yàn)，從而取得最終確切數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

最終選取工況五，消耗燃料氣量最小，確保額外熱量最小，可滿足不超溫要求。

（3）空冷器凍堵問題解決。應(yīng)用PID 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)尾氣橇空冷器溫度控制的優(yōu)化。在PID 空冷器出口設(shè)置溫度測(cè)量裝置，并將測(cè)量值傳送給尾氣橇PLC。在PLC 內(nèi)增加PID 控制邏輯，通過控制空冷器風(fēng)扇的啟停實(shí)現(xiàn)合理熱交換量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空冷器出口溫度的最優(yōu)調(diào)節(jié)。同時(shí)增設(shè)空冷器三通溫控閥，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空冷器出口溫度，并加裝空冷器進(jìn)出口的差壓變送器，提前檢測(cè)可能發(fā)生的凍堵。具體做法：

在空冷器出口處增設(shè)溫度變送器用于監(jiān)控空冷器冷卻效果，如空冷器出口溫度低于25 ℃則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉空冷器風(fēng)機(jī)；在空冷器進(jìn)出口增設(shè)一聯(lián)通副線并設(shè)置旁三通溫控閥，與新增的溫變配合，如遇空冷器出口溫度在風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)仍然過低，則自動(dòng)打開三通閥旁通線，將一部分熱尾氣直接進(jìn)入空冷器出口處，避免精餾塔頂至氣液分離器之間管線被完全凍堵，同時(shí)也能對(duì)空冷器進(jìn)行一部分加熱功能。從而確保極端氣象條件下系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在空冷器進(jìn)出口增設(shè)差壓變送器，監(jiān)測(cè)空冷器內(nèi)是否凍堵，如壓差大于10 kPa 說明可能發(fā)生凍堵，則全部打開三通閥走旁通且連鎖空冷器停機(jī)并報(bào)警。

5 該設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn)

該設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先，原理科學(xué)，效益良好，節(jié)能減排，環(huán)保達(dá)標(biāo)，安全可靠。主要體現(xiàn)在：

（1）設(shè)備體積小、投資少：整個(gè)處理裝置占地僅3×1.6 m，投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類焚燒爐設(shè)備。

（2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣的全部處理：在天然氣脫水過程中尾氣量始終處于波動(dòng)狀態(tài)，該設(shè)備設(shè)置了自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)，不管尾氣量如何波動(dòng)，分離器壓力及燃燒器均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）尾氣處理效果好：由于對(duì)尾氣經(jīng)過了冷卻、分離、灼燒等過程，三天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)再無一絲異味，站場(chǎng)工作人員及周邊居民也無感到異常，充分說明了尾氣已完全處理合格。

（4）節(jié)能減排：改變了以往焚燒爐需要大量天然氣燃燒帶來的天然氣和熱量的浪費(fèi)，用于引射和焚燒的天然氣同樣進(jìn)入了重沸器燃燒器內(nèi)燃燒，降低了再生裝置自身的耗氣量，燃燒所產(chǎn)生的熱量也傳遞給了需要加熱再生的三甘醇溶液。

（5）設(shè)備安全可靠：由于設(shè)備整體沒有與尾氣、天然氣介質(zhì)相連接的傳動(dòng)軸，不存在尾氣泄露和動(dòng)設(shè)備保養(yǎng)、維修的問題，自身也不燃燒釋放熱量，設(shè)備設(shè)置了自動(dòng)切斷、自動(dòng)放空、自動(dòng)補(bǔ)氣、燃燒器熄火自動(dòng)停機(jī)報(bào)警等大量檢測(cè)、連鎖系統(tǒng)，確保了設(shè)備的安全可靠。

6 實(shí)施效果

該三甘醇尾氣處理裝置經(jīng)過改造優(yōu)化后，2019 年至今在江蘇儲(chǔ)氣庫分公司金壇作業(yè)區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行。空冷器的控制系統(tǒng)經(jīng)過升級(jí)以后，空冷器在冬季運(yùn)行工況下沒有出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。重沸器的溫度運(yùn)行平穩(wěn)，溫度波動(dòng)范圍±0.5 ℃。尾氣的焚燒引入重沸器燃燒爐膛，節(jié)約了能源，減少了CO2及熱量排放，節(jié)能減排效果顯著。