沈志恒，李 巍，董 超，程新宇，賀相軍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

在工業(yè)石油天然氣開發(fā)領域中開采的天然氣中通常都含有飽和水蒸氣，而水蒸氣的存在，會導致在天然氣輸送的過程中析出液態(tài)水，形成水合物，造成管道的堵塞及腐蝕，需要通過對天然氣進行脫水處理，降低天然氣的水露點[1]。為了滿足天然氣的輸送標準及保護輸送管道不被水合物堵塞及腐蝕，必須對天然氣進行脫水，以使壓力露點達到設計要求。目前，常用的天然氣脫水方法主要有4種：冷凍分離法、溶劑吸收法、固體干燥劑吸附法和化學反應法。三甘醇(TEG)脫水法以其工藝成熟可靠，流程簡單，能耗低，初期投資及操維成本較低的優(yōu)勢被廣泛應用于天然氣水露點控制。大量國內(nèi)許多學者都對目前天然氣脫水工藝方法進行了分析研究，其中，蔣洪等人對天然氣脫水裝置工藝進行分析，應用板式換熱器提高了貧富甘醇的換熱效率[2]。張書成等人對進口天然氣橇裝式脫水裝置運行情況進行了評價，并且提出了參數(shù)優(yōu)化意見，以降低甘醇損耗率[3]。陳宏福利用HYSYS模擬軟件對某凈化廠的三甘醇脫水裝置進行了模擬研究，并分析了濕天然氣進塔溫度、貧液溫度、操作壓力、塔板數(shù)、氣提氣用量等對三甘醇脫水效果的影響規(guī)律[4]。金樣哲等對污染物對三甘醇脫水性和發(fā)泡性影響的研究，并得出了污染物濃度對三甘醇發(fā)泡性影響的趨勢[5]。郭彬等通過實驗，對三甘醇失效的判定給出了定量的推薦參數(shù)，并且給出了廢棄三甘醇的回收方法[6]。而天然氣中含有的游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇等雜質(zhì)對三甘醇天然氣脫水再生系統(tǒng)(以下簡稱三甘醇系統(tǒng))設計具有較大影響，目前國內(nèi)對此項工作研究較少，王娜等人對天然氣脫水脫烴主要方法進行了簡明闡述[7]。但對于游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇等雜質(zhì)對TEG系統(tǒng)設計的具體影響及去除方法，鮮有提及。針對上述情況，文章主要針對天然氣中游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇雜質(zhì)對三甘醇系統(tǒng)設計的影響以及去除天然氣內(nèi)的雜質(zhì)進行初步分析，并提供三甘醇系統(tǒng)去除相關雜質(zhì)初步設計方案。

2 TEG系統(tǒng)工藝簡介

三甘醇脫水及再生工藝較為成熟，其流程也相對固定，其主要工藝流程如圖1。

圖1 三甘醇脫水及再生系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of TEG dehydration and regeneration system

從圖1可以看出，含有雜質(zhì)及飽和水的濕天然氣首先進入過濾分離器，去除天然氣中的游離水、液烴、壓縮機滑油及可能存在的固體雜質(zhì)后，進入吸收塔。天然氣在吸收塔內(nèi)自下而上流經(jīng)入口分布裝置、升氣塔盤、填料，同時，TEG貧液從塔頂經(jīng)管槽式布液裝置自上而下流經(jīng)填料，通過天然氣與三甘醇貧液逆流接觸過程中，天然氣中的水分被吸收，變成干氣，從塔頂排出，經(jīng)干氣/貧甘醇換熱器換熱后進行輸送。而吸收了水分的富甘醇從吸收塔頂流出，進入三甘醇再生單元。

在三甘醇再生單元內(nèi)，富甘醇被送入塔頂冷凝器進行加熱后進入閃蒸罐，閃蒸出富甘醇中溶解的烴類組分，經(jīng)過濾后富甘醇被送到再生塔內(nèi)，與重沸器內(nèi)富甘醇蒸發(fā)出來的水蒸汽及部分甘醇蒸汽進行傳質(zhì)傳熱后進入重沸器，通過加熱使富甘醇中的水分蒸發(fā)出來，變?yōu)樨毟蚀歼M入緩沖罐，由甘醇循環(huán)泵再輸送回天然氣脫水單元。

上述工藝流程為常規(guī)工藝設計流程；而實際的天然氣脫水及再生系統(tǒng)設計中，天然氣中除水蒸汽以外，還會存在其他雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)的存在都會不同程度對整個三甘醇脫水及再生系統(tǒng)的設計產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)工藝設計中均需要考慮，文章主要對天然氣雜質(zhì)對三甘醇脫水及再生系統(tǒng)設計的影響進行分析，同時提出相應解決措施。

3 雜質(zhì)對系統(tǒng)設計的影響

3.1 游離水及液烴對系統(tǒng)設計的影響

通常情況下，在進入到吸收塔的天然氣中不允許存在游離水及液態(tài)烴，即在系統(tǒng)的工藝流程設計中，進入吸收塔的天然氣中水含量僅考慮天然氣中的飽和水含量。游離水將對增加天然氣中水含量，進而影響三甘醇循環(huán)量的計算與選取。同時，增加重沸器內(nèi)加熱器的熱負荷，同時，還會在加熱器表面造成鹽沉積，進而使傳熱惡化。液烴的存在，對于TEG系統(tǒng)的運行也是不利的。液烴易溶解于TEG，使TEG產(chǎn)生發(fā)泡趨勢，進而降低脫水效率及增加系統(tǒng)的TEG損耗率。尤其是一些沸點較高的烴類，易附著在重沸器內(nèi)加熱管表面，進而形成局部高溫，導致TEG分解變質(zhì)。

為了解決上述問題，以消除天然氣中的游離水及液態(tài)烴，在TEG脫水及再生系統(tǒng)設計中增加過濾分離器予以解決。過濾分離器的結構設計通常采用聚結過濾的形式，來最大限度脫除天然氣中的游離水及液烴，其具體形式如圖2。

圖2 過濾分離器內(nèi)件布置示意圖Fig.2 Layout diagram of internals of filter separator

含有游離水及液烴的天然氣，通過入口及入口處的氣體分布裝置進入到過濾分離器，氣體分布裝置通常為葉片式分布結構，根據(jù)設計的不同，適用動量可以達到8 000 Pa～10 000 Pa之間。被均布后的天然氣，沿分離器軸向方向上升，通過一級絲網(wǎng)除沫裝置，將大于8 μm的液滴捕集下來，同時對于更小的液滴有一定的聚結作用。穿過絲網(wǎng)除沫器的天然氣，通常會夾帶一些更小的液滴，這部分液滴將由聚結濾芯進行過濾分離，通常情況下，該類過濾分離器除液效率可以達到98%左右。上述結構僅為在通常工況下的設計，如果天然氣中游離水及液烴含量均較大，則需要更有針對性的內(nèi)件布置設計。因此，在TEG脫水及再生系統(tǒng)設計中采用聚結濾器可以很好的消除天然氣中的游離水及液烴。

3.2 CO2及H2S對系統(tǒng)設計的影響

通常，油田開采獲得的天然氣中會含有部分CO2和H2S。針對海上石油天然氣開發(fā)工程，CO2在天然氣中所占的體積份額通常在10%～30%之間。如果天然氣中CO2及H2S的含量較高，將會引發(fā)如下問題：增加天然氣中飽和水含量；CO2及H2S易溶解于富甘醇中，從而降低甘醇的pH值，加速設備及管線的腐蝕；降低三甘醇再生濃度。

圖3和圖4分別為CO2和H2S飽和水含量圖。從圖中可以看出，在相同壓力條件下，CO2中飽和水含量大于天然氣中飽和水含量，H2S也存在同樣的問題。即與純凈天然氣相比，含有CO2及H2S雜質(zhì)的天然氣，其飽和水含量更高。在計算天然氣入口水含量時，要綜合考慮天然氣中CO2及H2S組分含水量的影響，可以通過增加三甘醇循環(huán)量解決天然氣中CO2及H2S組分含水量對TEG脫水及再生系統(tǒng)設計的影響。

圖3 天然氣中CO2的有效含水量圖[8]Fig.3 Effective water content of CO2 in natural gas

圖4 天然氣中H2S的有效含水量圖Fig.4 Effective water content of H2S in natural gas

在三甘醇再生單元內(nèi)，富甘醇被送入塔頂冷凝器進行加熱后進入閃蒸罐，通常富甘醇將被加熱到60 ℃～70 ℃，閃蒸出富甘醇中溶解的烴類組分的同時，也將溶解在其中的CO2及H2S一并閃蒸出來，這樣就能將天然氣中CO2及H2S去除。

此外，為緩解酸性氣體為三甘醇系統(tǒng)帶來的腐蝕，通常在三甘醇系統(tǒng)中會定期注入pH平衡試劑，以確保三甘醇系統(tǒng)pH值保持在合理區(qū)間，通常推薦pH值為6.5～8之間。當天然氣中CO2含量較高時，pH平衡試劑的選擇應避免與CO2發(fā)生反應。

3.3 甲醇對系統(tǒng)設計的影響

在海洋石油天然氣開采過程中由于需要抑制水合物的生成會在天然氣內(nèi)注入甲醇，這樣天然氣內(nèi)會含有甲醇；而對于三甘醇系統(tǒng)而言，甲醇會被三甘醇吸收，進而為系統(tǒng)設計及運行帶來一系列不利影響。該影響主要體現(xiàn)如下：(1)增加重沸器內(nèi)加熱器的熱負荷；(2)增加再生塔內(nèi)氣相負荷；(3)增加再生塔頂冷凝器的負荷，而且會長期積聚在冷凝段。

為減少或消除甲醇等雜質(zhì)對TEG脫水及再生系統(tǒng)設計的影響，需要采用如下方法：適當增加重沸器內(nèi)加熱器的功率；在再生塔設計的時候要考慮甲醇氣化后對再生塔的影響，適當增加再生塔塔徑，否則，可能引起再生塔內(nèi)發(fā)生液泛，進而增加甘醇的損耗量；定期降低冷凝器內(nèi)介質(zhì)流量，對對冷凝器進行加熱，以便將甲醇排出再生系統(tǒng)。

4 結論

綜上所述，天然氣中的游離水、液烴、二氧化碳、硫化氫及甲醇雜質(zhì)對TEG脫水及再生系統(tǒng)設計的影響較大，為了解決相關雜質(zhì)對TEG脫水及再生系統(tǒng)的影響，提出了部分解決方法。

三甘醇系統(tǒng)中過濾分離器設計十分重要，通常采用聚結過濾形式以確保游離水及液烴有效去除。

在進行三甘醇系統(tǒng)設計時，應綜合考慮天然氣中CO2及H2S組分含水量的影響，可適當增加三甘醇循環(huán)量予以消除。

當天然氣中存在CO2及H2S時，應在三甘醇系統(tǒng)中設置pH平衡試劑注入接口。同時，當CO2含量較高時，應注意pH平衡試劑選型，避免其與CO2發(fā)生反應。

當天然氣中存在甲醇時，在三甘醇系統(tǒng)設計中需要加大重沸器內(nèi)加熱器增加率及增加再生塔塔徑，同時，在TEG系統(tǒng)的運行中，定期對冷凝器進行加熱從而降低甲醇濃度。