吳 洋

大慶油田工程有限公司

天然氣脫硫工藝的自動(dòng)控制

吳 洋

大慶油田工程有限公司

為滿足管輸或達(dá)到商品氣質(zhì)量要求，需對(duì)天然氣中含有的H2S、CO2和有機(jī)硫化合物等酸性氣體進(jìn)行脫除，對(duì)大、中型脫硫（碳）裝置而言，一般優(yōu)先考慮采用醇胺法脫硫。采用醇胺法脫硫工藝流程的主要設(shè)備有脫硫吸收塔、再生塔，根據(jù)工藝介質(zhì)條件、工藝設(shè)備（脫硫吸收塔、再生塔）的結(jié)構(gòu)特性并考慮工藝設(shè)備安全，設(shè)置滿足相應(yīng)工況的自控設(shè)備，采用串級(jí)調(diào)節(jié)、分程控制以及超限報(bào)警聯(lián)鎖等多種自動(dòng)控制方案，實(shí)現(xiàn)最佳脫硫效果，保護(hù)人員及工藝設(shè)備的安全。

天然氣脫硫；吸收塔；再生塔；自動(dòng)控制

1 脫硫的定義與方法

從天然氣中脫除酸性組分的工藝過程稱為脫硫、脫碳，習(xí)慣上統(tǒng)稱為天然氣脫硫。

脫硫按作用機(jī)理可分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、物理—化學(xué)吸收法、直接氧化法、固體吸收/吸附法及膜分離法等。按脫硫劑形態(tài)不同可分為固體脫硫法、液體脫硫法[1]。

天然氣脫硫（碳）方法盡管很多，但對(duì)大、中型脫硫（碳）裝置而言，一般總是優(yōu)先考慮采用醇胺法（化學(xué)吸收法的一種）。這是因?yàn)樵摲ú坏夹g(shù)成熟，而且溶劑來源方便，有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此是目前使用最多和最為主要的一種脫硫方法。

醇胺類化合物中至少含有一個(gè)羥基和一個(gè)胺基，羥基可降低化合物蒸汽壓，并增加其在水中的溶解度；而胺基則為水溶液提供必要的堿度，促進(jìn)對(duì)酸性組分的吸收。醇胺與H2S和CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而脫除H2S和CO2，反應(yīng)可逆。

2 天然氣脫硫工藝流程

從氣井來氣首先經(jīng)過原料氣過濾分離器進(jìn)入吸收塔，含硫天然氣自吸收塔底由下而上與醇胺液逆流接觸。脫除酸氣后從吸收塔頂部出來，成為濕凈化氣。吸收了H2S的醇胺液叫富液，首先在閃蒸塔內(nèi)閃蒸至中壓，脫除烴類氣，然后通過貧富液換熱器將貧液中的熱量回收后進(jìn)入再生塔進(jìn)行解吸。吸收了H2S的富液在換熱后，由塔的上部進(jìn)入塔內(nèi)自上而下流動(dòng)，與塔底重沸器提供的蒸汽逆流接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。半貧液從塔中抽出后進(jìn)入重沸器中加熱，使其部分汽化，以提供塔所需要的汽提蒸汽。當(dāng)采用熱虹吸式重沸器時(shí)，重沸器出口為氣液兩相，并從塔的下部進(jìn)入塔內(nèi)，氣相即為向上流動(dòng)的汽提蒸汽，液相部分流入塔底成為再生貧液。被汽提出來的酸性氣體（主要是H2S、CO2和水蒸氣的混合物）從再生塔頂排出，經(jīng)回流收集罐冷凝冷卻后分為氣液兩相，氣相（即酸氣）去硫磺回收裝置或CO2回收裝置；液相（即酸性水）打入再生塔頂作為回流，以保持溶液中水組分的平衡并降低溶劑的蒸發(fā)損失。塔底貧液通過貧富液換熱器和貧液冷卻器將貧液溫度降低后，通過泵送回吸收塔頂部繼續(xù)循環(huán)使用。

3 天然氣脫硫工藝與控制

天然氣脫硫工藝自控流程如圖1所示。

（1）脫硫裝置經(jīng)常發(fā)生的腐蝕和溶劑發(fā)泡、換熱設(shè)備熱阻增加等都與溶液中存在過多的外來物質(zhì)有關(guān)。烴液和固體夾帶物通常是引起吸收塔發(fā)泡的原因。此外，加入到氣井中的緩蝕劑、鉆井液及酸化液等都可能帶入裝置而污染溶液，因此原料氣進(jìn)吸收塔之前應(yīng)進(jìn)行分離、過濾。分離器入口設(shè)置進(jìn)裝置原料天然氣超壓聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)原料天然氣壓力超過設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)開啟放空聯(lián)鎖閥。

圖1 天然氣脫硫工藝自控流程

（2）脫硫吸收塔的作用是利用溶劑來吸收天然氣中的H2S從而達(dá)到脫硫的目的。工作介質(zhì)為原料天然氣和脫硫劑（醇胺液）。脫硫吸收塔通常采用浮閥塔。從氣井來的原料天然氣經(jīng)分離和過濾后，從塔的下部進(jìn)入，自下而上流動(dòng)。脫硫劑從塔的上部進(jìn)入，自上而下流動(dòng)；兩者在塔板上逆向接觸進(jìn)行傳質(zhì)，經(jīng)數(shù)層塔板后，原料氣中的H2S被脫硫劑吸收成為凈化氣，并從塔頂流出。對(duì)進(jìn)吸收塔的原料氣及醇胺液進(jìn)行流量計(jì)量、調(diào)節(jié)以確保原料氣與醇胺液能夠充分有效地接觸；為保證原料氣計(jì)量精度，按照壓力、溫度的變化進(jìn)行全補(bǔ)償流量計(jì)算和累積。脫硫吸收塔的穩(wěn)定壓力是保證脫硫正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要措施，在凈化氣輸出管線上設(shè)置壓力控制閥，以維持脫硫吸收塔的穩(wěn)定壓力。脫硫吸收塔液位是保證脫硫裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要參數(shù)，當(dāng)液位過低造成吸收塔高壓氣體竄入低壓閃蒸塔或進(jìn)入再生塔時(shí)，將會(huì)造成設(shè)備損壞的重大事故。因此，液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能完善可靠，塔底液位設(shè)2個(gè)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥1不能穩(wěn)定液位時(shí)，調(diào)節(jié)閥2投入使用，將液位調(diào)節(jié)到設(shè)定值；除設(shè)置吸收塔液位調(diào)節(jié)控制外還應(yīng)設(shè)超低液位聯(lián)鎖保護(hù)。

（3）脫硫吸收塔的富液進(jìn)入低壓再生塔，隨著壓力的降低和溫度的提高，在吸收塔中吸收的酸性氣體H2S和CO2被解析出來，完成溶液的再生過程。塔頂?shù)幕亓鞅雀淖兪窃偕崞胶獾闹苯臃磻?yīng)，回流比可由塔頂溫度間接控制。通過再生塔底蒸汽流量（主回路）以及塔頂溫度（副回路）串級(jí)控制，以流量為主調(diào)回路，溫度為副回路，主調(diào)回路為定值控制，副回路為隨動(dòng)控制以達(dá)到最佳再生溫度，防止產(chǎn)生溫度過低影響再生效果及溫度過高可能造成的溶液降解等問題。另外回液收集罐的酸水回流控制采用液位調(diào)節(jié)方式。保證再生塔酸性氣體解析的重要控制點(diǎn)在于保持再生塔壓力穩(wěn)定，其方法是設(shè)置對(duì)回液收集罐壓力實(shí)行分程控制的調(diào)節(jié)閥3和調(diào)節(jié)閥4。正常操作時(shí)，控制去硫磺回收裝置的調(diào)節(jié)閥3；當(dāng)回收裝置事故聯(lián)鎖切斷酸氣時(shí)，壓力控制自動(dòng)過渡到通往酸氣放空火炬的調(diào)節(jié)閥4，為保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)酸氣不泄漏，調(diào)節(jié)閥4應(yīng)采用調(diào)節(jié)切斷型調(diào)節(jié)閥。

4 結(jié)語

由于吸收塔出口的分程調(diào)節(jié)閥1、調(diào)節(jié)閥2壓降較大，應(yīng)采用多級(jí)降壓套筒閥[2]。

當(dāng)回液收集罐的停留時(shí)間較長(zhǎng)，酸水回流可以采用流量控制，此時(shí)回液收集罐可以只設(shè)液位指示報(bào)警裝置。

在保證再生貧液質(zhì)量的前提下，為了減少蒸汽消耗量，還可以采用貧液中酸氣質(zhì)量反饋控制重沸器蒸汽流量的在線質(zhì)量控制系統(tǒng)。

另外，用塔頂溫度控制來間接控制回流比的方案不是對(duì)所有酸氣再生塔都合適的，如在SCOT裝置的再生塔和酸水氣提塔的控制方案中，因塔頂溫度對(duì)回流比的變化不敏感而不宜采用。

[1]梁平．天然氣集輸技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2008：129.

[2]程云海，宋海英．大慶油田天然氣凈化廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)儀器儀表，2012（S1）：44-47.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.030

2015-04-20