王晓宗* 王拥军 徐政雄 韩鹏

（中国石化达州天然气净化有限公司）

0 引言

普光气田是我国已投产的规模最大、丰产最高的特大型海相整装气田。集输系统采用加热节流、全湿气保温混输工艺。井口天然气经集气支线进入集气干线，汇聚至集气末站，经分水后输送至天然气净化厂。集输管道采用缓蚀剂批处理预膜技术进行防腐，期间输送气量降低，会打破天然气净化厂蒸汽系统平衡，影响全厂平稳运行，给天然气净化厂的高效生产组织带来挑战。通过开展“净化装置低处理量工况下运行模式创新”项目，解决了批处理等处理量大幅下降工况下蒸汽不足的问题，避免了联合装置频繁停运、复产，大幅提高了生产效率，降本增效效果显著。

1 净化厂联合装置工艺

普光天然气净化厂（简称净化厂）主要工艺装置为6套联合装置，每套联合装置分为两个系列。一系列包括MDEA（甲基二乙醇胺）脱硫、TEG（三甘醇）脱水、二级克劳斯硫磺回收、斯科特加氢还原尾气处理及酸水汽提五个单元［1］，二系列脱水及酸水汽提两个单元与一系列共用，其余部分与一系列相同，两列间设有酸气连通线。单列处理规模为300×104m3/d。

高含硫原料气（H2S含量13%～18%，CO2含量8%～10%）进入脱硫单元一、二级主吸收塔，利用MDEA溶液在吸收塔内与原料气逆流接触［2］，脱除其中H2S和CO2，使其含量分别低于6 mg/m3和3%。净化天然气经三甘醇脱水后外输。MDEA溶液经胺液再生塔再生后循环利用［3］，产生的酸气（H2S含量58.0%～60.5%）进入硫磺回收单元。酸气与一定比例的空气在克劳斯炉中燃烧，保持过程气中H2S与SO2摩尔比为2：1，在克劳斯炉及一、二级反应器中，H2S与SO2反应生成单质硫。尾气处理单元燃烧器内，燃料气与不足量的空气燃烧生成H2和CO，与克劳斯尾气混合后进入加氢反应器，将尾气中SO2、COS还原为H2S，经尾气吸收塔吸收净化后，进尾气焚烧炉。联合装置简要工艺如图1所示。

图1 联合装置工艺原理流程图

2 联合装置运行模式创新的必要性

普光气田集输管道批处理预膜周期为每1～3个月1次。2018年1月至11月间，大型管道批处理6次，单次持续8～14 h，期间输送气量降幅达600×104～750×104m3/d。上游批处理作业呈现“周期性、频率高、时间短”的实际特点。

由于净化厂主要采用联合装置余热产生蒸汽，通过动力站锅炉调峰，原料气量的降低直接影响全厂中压蒸汽产量。据推算，若全厂处理量下降幅度大于600×104m3/d，动力站锅炉供应能力将无法弥补蒸汽量的下降。打破原有蒸汽平衡，必须停运联合装置，重新建立平衡，否则可能引起汽驱停机甚至全厂停工［4］。净化厂蒸汽平衡情况见图2。

图2 净化厂蒸汽平衡图

大型天然气净化装置的停工模式主要有：两列各50%负荷运行模式、单列“闷炉”模式、单列“停工”模式和“一拖二”模式，不同停工模式优缺点对比见表1。近年来，随着联合装置运行年限的增加，设备腐蚀问题形势日益严峻，频繁开停工会对联合装置造成严重危害，温度、压力的大幅变化加速设备腐蚀，“维持全厂蒸汽平衡”与“减少开停机次数”之间的矛盾日益突出。同时，国家对环保提出了更高的要求，净化厂对废气、废水的产生有了更加严格的控制。在这些形势下，迫切需要进行生产运行模式的创新，改变联合装置低处理量下被动停机的局面。

表1 联合装置不同停工模式对比

3 联合装置“休眠”运行模式的创新与应用

3.1 “休眠”运行模式简介

减少蒸汽消耗量的同时实现快速复产是联合装置“休眠”运行模式的核心任务。当原料气量大幅降低时，实施“休眠”的系列脱硫单元停进原料气，维持MDEA循环再生，降低胺液再生塔重沸器蒸汽用量在25 t/h以下（正常工况用量约55 t/h），实现减少蒸汽消耗的目的；通过酸气连通线，引入另一系列酸气，维持克劳斯炉正常燃烧；尾气处理单元正常运行，确保烟气达标排放；尾气吸收塔内的富胺液输送至脱硫单元胺液再生塔进行再生，实现酸气的回收利用。该运行模式下，单列可减少蒸汽用量20～30 t/h，能够有效应对处理量降低时蒸汽平衡缺口，并实现快速停机、复产。联合装置“休眠”运行模式示意图见图3。

图3 联合装置“休眠”运行模式示意图

3.2 “休眠”运行模式下蒸汽平衡分析

通过对单列装置不同运行模式下蒸汽平衡的分析可知，较单列装置50%负荷运行模式，“休眠”模式中压蒸汽需求量基本不变，仅增加了0.43 t/h，低压蒸汽总需求量减少了23.81 t/h，合计节约中低压蒸汽总量23.38 t/h；停工模式中压蒸汽需求量减少了5.65 t/h，低压蒸汽需求量减少了21.50 t/h，合计节约中低压蒸汽总量27.15 t/h。

以同样方法比较不同运行模式下整套联合装置蒸汽的产出、消耗情况可知，较双列装置各50%负荷运行模式，单列装置“休眠”模式中压蒸汽产量不变，低压蒸汽总需求量减少21.60 t/h，合计节约中低压蒸汽总量21.60 t/h；单列装置停工模式节约蒸汽量最优，合计节约58.50 t/h。胺液再生耗时8 h。

由此得出结论：“休眠”模式可以在不影响中压蒸汽产量的前提下，有效降低联合装置低压蒸汽耗量。与动力站锅炉负荷调整相配合，可以大幅提高蒸汽系统的操作弹性。

单列装置不同模式下蒸汽平衡情况见表2，表中负数代表需求量。

表2 单列装置不同模式下蒸汽平衡情况 单位：t·h-1

3.3 “休眠”模式下酸气量及原料气量的确定

由于斯科特法加氢还原工艺反应温度要求为280～300 ℃，当克劳斯炉酸性气进料量下降，尾气量同时下降，尾气（137 ℃）与还原性气体（H2、CO）的混合气体温度上升，需降低加氢炉燃料气用量。通过实际数据分析，克劳斯炉酸气进料量与加氢炉燃料气用量趋势高度一致，二者的比维持56.0～62.7基本恒定。由于加氢炉燃烧器维持稳定燃烧的最小燃料气量为290 m3/h，故对应克劳斯炉酸气量应至少维持16 240 m3/h。

根据物料平衡，通过酸气量可以推算出单列装置“休眠”模式下，另一列装置脱硫单元原料气瞬时量为11.5×104m3/h，即装置负荷率92%，满足联合装置负荷率50%～110%的操作可行性要求。

3.4 “休眠”运行模式操作关键

经理论论证和现场实践，对“休眠”模式工艺参数控制指标在合理范围内进行优化，优化后的重点工艺参数控制指标见表3。“休眠”运行模式下操作关键点：

（1）选择两个系列均正常运行的联合装置实施。单系列进入“休眠”模式后，另一系列脱硫单元维持原料气负荷率92%以上。

表3 “休眠”模式下重点工艺参数

（2）脱硫单元停进原料气后，胺液重沸器再生蒸汽用量控制在22 t/h以下，以保障全厂蒸汽平衡。胺液循环量440 t/h。

（3）利用来自尾气吸收塔富胺液产生的酸气，弥补酸气不足。两列酸性气量均维持1.62×104m3/h以上。加氢炉燃料气量290～400 m3/h。

（4）实时调整克劳斯炉配风量，维持过程气中H2S与SO2摩尔比为2∶1，确保硫磺最大转化率。精心操作，避免过程气中H2S、SO2组分含量的大幅波动，保障汽提水水质指标合格。

3.5 实际应用效果

该运行模式自2018年2月25日首次应用，至2018年11月共实施5次，均取得理想效果。

以2018年8月8日为例，当日上游大湾采气区进行D401—总站段管道批处理作业，期间井口气外输瞬时量1 600×104m3/d，降量幅度750×104m3/d。经蒸汽推算，全厂面临60 t/h的蒸汽缺口。

选择132系列、152系列实施“休眠”模式，成功弥补了蒸汽不足，保障了中压蒸汽管网压力在3.4 MPa以上、低压蒸汽管网压力在0.4 MPa以上。上游批处理结束后，152、132系列依次引原料气开机，分别用时42 min、37 min恢复正常生产。全程酸水汽提单元汽提水水质合格，排放烟气中SO2浓度低于400 mg/m3。

4 优点与效益分析

一是有利于装置的保护。

“休眠”模式在停进原料气进料的基础上，最大限度地保持了联合装置各个单元的运行状态，避免了压力、温度等参数的大幅变化，减少了热应力冲击、压力波动、腐蚀等因素对设备的损害。

二是简化了操作步骤，大幅度减少了提前降量造成的效益损失。

简化停机、复产步骤，去掉了“胺液再生、克劳斯炉吹硫、加氢系统停运、建立胺液热循环、克劳斯炉引酸气、加氢系统启运”等6项中间环节。全厂提前降量时间由8 h（胺液再生合格）缩减为50 min；复产时间由3 h缩减为40 min，较原有模式累计减少9 h，对应原料气处理量108×104m3，减少效益损失94.5×104元/次。

三是节约停机、复产成本。

避免了停工期间克劳斯炉、尾炉等燃料气的无效燃烧，节约自耗气量3 000 m3/h；节约停机、复产期间吹扫、保护氮气用量1 000 m3/h；节约电能消耗2 500 kW·h。节约停工用料成本6.525×104元/次，年累计降本增效606.15×104元（“休眠”模式运用以每年6次计）。

四是环保意义深远。

实现了酸性气零放空，避免了火炬系统SO2、氮氧化物等有害物质的排放；减少产生不合格汽提水30 t/h，并间接节约了后续污水处理成本；尾气经斯科特法加氢还原工艺处理，确保硫回收率达99.8%，排放烟气中SO2浓度在400 mg/m3以下，完全满足GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》要求。

5 结论

在无需追加投资的情况下，基于蒸汽平衡推算理论分析，优化联合装置运行模式，固化形成了一套独立的应对方法，解决了批处理等处理量大幅下降期间蒸汽不足的突出问题，避免了联合装置的频繁停运、复产，大幅提高了生产效率，同时，减少了污水及SO2排放量，环保意义深远。实际应用证明，“休眠”运行模式安全、环保、节能，对于天然气净化厂及同类企业应对处理量大幅下降时的生产组织具有借鉴意义。