（油气储运工程专业论文）南海荔湾气田浮式lng预处理技术研究.pdf

s t u d i e so nf l o a t i n gl n gp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo f l i w a ng a sf i e l di nt h es o u t hc h i n as e a at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gc h u n s u p e r v i s o r ：a bt a n gj i a n f e n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 6川9mjl67帅8iil_y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 ： j 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：拯叁 日期：加1 年5 月汐日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：拯丞 指导教师签名： 日期：沙f 年s 月步日 日期：如f ，年j 月t o 日 l 摘要 浮式液化天然气生产储卸装置( 简称l n g f p s o 或f l n g 技术) ，可灵活适应海上 气田的生产状况，特别适用于近海及深海海域气田的开发。天然气预处理作为该技术的 首要环节，对整个装置的正常运行起到决定性作用。目前，陆上预处理技术已较为成熟， 然而浮式l n g 预处理技术由于受到海上特殊作业环境的限制，其工艺及设备的设计与 陆上预处理技术差别较大。因此，研究如何根据气源及海况条件进行浮式l n g 预处理 技术方案的设计尤为重要。 本课题在借鉴陆上天然气预处理技术及经验的基础上，以脱酸气工艺及塔设备为主 要研究内容，确定了南海荔湾气田浮式l n g 脱酸气技术方案。首先结合南海荔湾气田 气源及海况特点，综合对比几种常用脱酸气工艺，确定选用m d e a d e a 混合胺液脱酸 气工艺，并对工艺中的重要设备吸收塔和解吸塔进行选型，初步确定了塔设备的关 键工艺参数；完成脱酸气工艺的模拟分析，提出各关键工艺参数的推荐范围，列出所有 工艺参数组合方案，并采用五因素模糊工业评价法对各方案进行综合评价，推选出最优 工艺参数；根据最优工艺参数，对吸收塔进行结构设计，通过研究吸收塔在不同倾斜角 及不同工况( 空塔和正常操作) 下的应力应变情况，分析了吸收塔结构设计的可靠性。 结合以上分析，形成浮式l n g 脱酸气优化技术，并对浮式l n g 装置其它杂质( 水、 重烃、汞、芳香烃、氮气等) 净化技术进行综合分析，初选出各杂质的净化技术方法。 最后，结合南海荔湾气田气源及海域海况，应用上述技术确定了其浮式l n g 预处理技 术方案。 关键词：浮式l n g 预处理技术，脱酸气工艺模拟与优化，模糊评价，可靠性分析，脱 酸气方案优化技术 s t u d i e so nf l o a t i n gl n gp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fl i w a ng a sf i e l di n t h es o u t hc h i n as e a z h a n gc h u n ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rt a n gj i a n f e n g a b s t r a c t l n gf l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f i o a d i n gu n i t ( c a l l e dl n g f p s oo rf l n g t e c h n o l o g yf o rs h o r t ) ，c a nf l e x i b l ya d a p tt h ep r o d u c t i o ns t a t u so fo f f s h o r eg a sf i e l d ，a n di s e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fi n s h o r ea n dd e e p s h o r eg a sf i e l d n a t u r a lg a s p u r i f i c a t i o n i st h ep r i m a r yl i n ko ft h i st e c h n o l o g y , a n dp l a y sad e c i s i v er o l ei nn o r m a l o p e r a t i o no f t h ew h o l eu n i t a tt h ep r e s e n tt i m e ，o n s h o r en a t u r a lg a sp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s v e r ym a t u r e h o w e v e r , d u et ot h er e s t r i c t i o no fs p e c i a lm a r i n eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，t h e p r o c e s sa n de q u i p m e n td e s i g no ff l o a t i n gl n gp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yd i f f e r e n tf r o m t h a to fo n s h o r et e c h n o l o g y s o ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yo nt h ed e s i g no ff l o a t i n g l n g p u r i f i c a t i o nt e c h n i c a ls c h e m ea c c o r d i n gt ot h eg a ss o u r c ea n d t h es e ac o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fo n s h o r ep u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d 、析t ht h e a c i dg a sr e m o v a lp r o c e s sa n dc o l u m na st h em a i nc o n t e n t ，f l o a t i n gl n ga c i dg a sr e m o v a l t e c h n i c a ls c h e m eo fl i w a ng a sf i e l di nt h es o u t hc h i n as e ai sd e t e r m i n e d f i r s t l y , a c c o r d i n g t ot h eg a ss o u r c ea n dt h es e ac o n d i t i o n so fl i w a ng a sf i e l d ，s e v e r a lc o n v e n t i o n a lp r o c e s s e so f r e m o v i n ga c i dg a sa r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d ，a n dm i x e dm d e aa n dd e aa c i dg a s r e m o v a lp r o c e s sf o rt h el i w a ng a sf i e l da r ec h o s e n t h em o d e lo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n to ft h ep r o c e s s ，a b s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nc o l u m n s ，a r es e l e c t e d ，a n dt h ek e y p r o c e s sp a r a m e t e r so fc o l u m na r ei n i t i a l l yd e t e r m i n e d t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fa c i dg a s r e m o v a lp r o c e s si sc o m p l e t e d ，a n dt h er e c o m m e n d e dr a n g e so fk e yp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e g i v e n m e a n w h i l e ，a l lt h ec o m b i n e dp l a n so ft h ep a r a m e t e r sa r el i s t e d ，a n da d o p t i n gt h e m e t h o do ff i v e - f a c t o rf u z z yi n d u s t r ye v a l u a t i o n ，a l lt h ec o m b i n e dp l a n sa r ec o m p r e h e n s i v e l y a s s e s s e d ，a n dt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r s ，t h es t r u c t u r ed e s i g no fa b s o r p t i o nc o l u m ni sm a d e t h r o u g hr e s e a r c h e so nt h e s t r e s sa n ds t r a i no ft h ec o l u m nu n d e rd i f f e r e n ti n c l i n a t i o na n dd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， t h er e l i a b i l i t yo fc o l u m ns t r u c t u r ed e s i g ni sa n a l y z e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，a c i dg a sr e m o v a lo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo ff l o a t i n gl n gu n i ti s b u i l t b e s i d e s ，o t h e ri m p u r i t i e s ( s u c ha s ，w a t e r , h e a v yh y d r o c a r b o n ，m e r c u r y , a r o m a t i c h y d r o c a r b o n ，n i t r o g e na n ds oo n ) p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d ，a n d t h ep u r i f i c a t i o nt e c h n i c a lm e t h o d so ft h e s e i m p u r i t i e sa r ep r i m a r i l ys e l e c t e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et h eg a ss o u r c ea n dt h es e ac o n d i t i o n so fl i w a ng a sf i e l da n du s i n ga b o v e t e c h n o l o g y , f l o a t i n gl n gp r e t r e a t m e n tt e c h n i c a ls c h e m eo fl i w a ng a sf i e l di sd e t e r m i n e d k e y w o r d s ：f l o a t i n gl n gp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ea c i d g a sr e m o v a lp r o c e s s ，f u z z ye v a l u a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，a c i dg a sr e m o v a ls c h e m e o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y 第一章绪论 目录 1 1 1 课题来源及研究意义一1 1 2 国内外研究现状及发展情况一2 1 2 1 预处理工艺的研究现状2 1 2 2 处理设备及其布置的研究现状4 1 3 本文的主要研究内容一5 第二章脱酸气工艺的选择及主要设备参数的确定 7 2 1 脱酸气工艺的对比及选择原则7 2 1 1 常用脱酸气工艺的对比7 2 1 2 脱酸气工艺选择的一般原则8 2 2 南海荔湾气田脱酸气工艺的选择9 2 2 1 原料气的基础资料9 2 2 2 脱酸气工艺的选择9 2 3 脱酸气工艺主要设备参数的确定1 1 2 3 1 脱酸气工艺塔器类型及基本构件的选择1 2 2 3 2 填料塔设计的理论基础1 5 2 3 3 吸收塔关键参数的确定1 8 2 3 4 解吸塔关键参数的确定2 2 2 4d 、结2 6 第三章脱酸气工艺的模拟分析及优化研究2 7 3 1 脱酸气工艺的模拟2 7 3 2 关键参数对工艺运行的影响分析2 9 3 2 1 吸收塔工艺参数的影响分析3 0 3 2 2 解吸塔工艺参数的影响分析4 4 3 2 3 其它参数的影响分析5 l 3 2 4 影响分析小结5 3 3 3 工艺方案评价及优选5 3 3 3 1 评价方法的选取一5 3 3 3 2 目标气田工艺方案模糊评价及优化5 5 3 4 小结5 9 第四章填料吸收塔结构设计及可靠性分析。 6 5 4 1 吸收塔的结构设计6 5 4 1 1 吸收塔高度的确定6 5 4 1 2 塔体、封头材料及厚度的确定6 8 4 1 3 吸收塔的质量计算6 8 4 1 4 吸收塔结构设计小结6 9 4 2 吸收塔有限元模型的建立及载荷的施加6 9 4 2 1 吸收塔有限元模型的建立一7 0 4 2 2 风载荷的计算及施加7 2 4 2 3 其它载荷的计算及施加一7 8 4 3 吸收塔结构设计的可靠性分析7 9 4 - 3 1 可靠性分析判据7 9 4 3 2 不倾斜时吸收塔结构的可靠性分析8 1 4 3 3 倾斜时吸收塔结构的可靠性分析。8 5 4 4 j 、结9 5 第五章浮式l n g 预处理技术集成及其应用 5 1 浮式l n g 脱酸气优化技术9 7 5 2 浮式l n g 其它杂质净化技术9 8 5 2 1 水的脱除9 8 5 2 2 重烃的脱除1 0 0 5 2 3 汞、芳香烃及氮气的脱除：1 0 1 5 2 4 其它杂质净化技术小结1 0 2 5 3 南海荔湾气田预处理技术方案的确定1 0 2 结论与建议 1 0 5 l 右论10 5 j 塞议10 6 参考文献。 攻读硕士学位期间取得的学术成果 致谢 1 0 7 1 1 0 1 1 1 l 一 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 近年来，随全球天然气勘探开发的逐渐深入，越来越多的小型边际气田、伴生气田 及深海气田被发现。然而海上天然气的丌发具有环境条件恶劣、投资较大、技术难度大、 建设周期长、资金回收期长、风险较大等特点，不宜采用海上固定式平台丌采。小型边 际气田一般是地处比较偏远的海上中小型气田，若采用常规的固定式平台开采，则风险 较大、收益较低，投资者一般对此兴趣不大，许多小型边际气田及伴生气田因成本限制 而无法投入开采。1 1 。3 】 f l n g 技术( 又称l n g f p s o ，浮式液化天然气生产储卸装置) ，是集海上天然气 的处理、液化、储存、装卸及外输为一体的新型海上气田开发技术。该技术的工业链为： 首先通过f l n g 装置将海底天然气处理液化成l n g ，然后将l n g 卸载到l n g 运输船 上，将其运输到靠近岸边的浮式储气再气化装置( l n gf s r u ) ，将l n g 气化成天然气 供岸上使用。 与陆上传统的液化天然气工厂相比，f l n g 生产装置具有以下优势：采用生产工 艺模块化技术，各工艺模块可按照质优价廉的原则，在全球范围内选择厂家同时加工建 设，然后在保护水域内进行总体组装，这样可大大缩短建造安装周期，加快气田的开发 速度；易于迁移，可以重复使用。当开采的气田气藏衰竭后，可用拖船将装置拖曳至 新的气田重新投入使用，尤其适用于边际气田的开发；远离人口密集区，对环境的影 响较小；据测算，在适合应用f l n g 技术的前提下，f l n g 生产装置与相同规模的陆 上l n g 工厂相比，投资可减少2 0 ，建设安装周期可缩短2 5 4 , 5 】。 由此可见，f l n g 生产装置可灵活适应海上天然气田的生产状况，特别适用于深海 气田、小型边际气田及伴生气田的开发。目前，世界各国均在加紧研究f l n g 装置，以 利用l n g 易于运输储存的特点，加大海上气田的开发力度。 整个f l n g 生产工艺包括天然气的预处理、液化、储存及卸载等。与陆上l n g 生 产工艺类似，直接将天然气作为液化装置的原料气仍是不够纯净的，必须深度脱除原料 气中的二氧化碳、硫化氢、水、重烃、汞及芳香烃等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在 低温下冻结堵塞设备和管道。此外，为减少l n g 的蒸发损失，还应控制原料气中氮气、 氦气等惰性气体的含量。 目前，陆上l n g 工厂的预处理技术已较为成熟。但f l n g 生产装置由于受到海上 第一章绪论 2 中国石油大学( 华东) 硕_ l j 学位论文 醇胺法脱酸气工艺目前已较为成熟。近年来，在该工艺的基础上，发展了一种a m i n e g u a r df s ( a m i n eg u a r df o r m u l a t e ds o l v e n t ) 工艺技术，该技术是在以胺液为主体的工 艺技术的基础上加上一种配方的u c a r s o l 溶剂来脱除天然气中酸性气体的，其优点 是：适应性强，可根据不同的酸气组分及处理要求改装溶剂；与m d e a 、d e a 相比所 需的再生热少，可节约运行成本；有较好的化学稳定性及热稳定性，腐蚀性低，不易发 泡；工艺可靠，易于操作等。目前，世界上已有5 5 0 多座工厂采用该工艺。 b e n f i e l d 工艺是热钾碱法中使用最广泛的工艺。该工艺采用碳酸钾、催化剂、防腐 剂和水组成的混合物为吸收剂，可同时脱除原料气中的h 2 s 和c 0 2 。该工艺的吸收温度 高，净化程度较好，对含有大量c 0 2 的原料气较为适用，目前世界上已有6 0 0 多座天 然气预处理装置采用该工艺。此外，为降低能耗、提高效率及适应各种不同的天然气净 化要求，在原有工艺流程的基础上，又研发出了b e n f i e l dh i p u r e 工艺、p s b - i - 艺、 b e n f i e l d 1 0 0 工艺等改进工艺流程，均取得良好的应用效果。 砜胺法是近年来使用较为广泛的混合溶剂吸收法。该法具有装置处理能力大、能耗 低、腐蚀性低、不易发泡及溶剂变质轻等优点，对中至高酸气分压的原料气有广泛的适 用性，具有良好的脱有机硫能力。在脱除h 2 s 、c 0 2 的同时需脱除有机硫的工况，国内 外都首选砜胺法。此法的缺点是对烃类的溶解度较高，易造成有效组分的损失。 除上述几种方法外，近年来又研发了一些新型处理技术，如膜分离法、吸附分离技 术等【8 】。膜分离技术是近2 0 多年来发展起来的一种新型技术，具有投资低、体积小、 重量轻、占地面积小、操作简单、能耗低；可同时脱除天然气中的水；装置无可动部件， 不易受外界环境的干扰等优点，对于海上浮式生产系统具有较大的吸引力。然而，膜分 离技术由于受到目前技术条件的限制，通常只适用于酸气含量高的场合，而且只能用于 h 2 s 、c 0 2 的粗脱。 ( 2 ) 天然气脱水 目前，在天然气净化中，常用的脱水方法有冷却法、吸收法、吸附法等。与其它两 种方法相比，吸附法脱水可提供非常低的水露点( 可使天然气的水露点降至7 0 以下， 水的体积分数降至0 1 l o 6 以下) ；对流速、气温、压力等变化不敏感；无腐蚀性及形成 泡沫等问题。目前，吸附法中的分子筛脱水法是液化天然气装置中使用最为广泛的脱水 方法。【7 】 除上述三种传统的脱水方法外，近年来研发的膜分离法和超音速脱水法，具有工艺 设备简单紧凑，重量轻，占用空间少，易于实现橇装模式；造价低，可靠性高，适应性 第一章绪论 强，操作方便；对环境的影响较小等优点，对于海上油气田及一些偏远气田的开发具有 非常大的吸引力。然而，以现有的研制水平，膜分离技术及超音速脱水技术无法保证在 任何情况下使天然气的脱水深度达到净化要求，至今在工业上尚未被广泛采用。1 9 , 1 0 1 ( 3 ) 其它杂质的脱除 天然气中，除含有水、酸性气体外，还含有重烃、汞、芳香烃、氮气等杂质。 重烃通常指c 5 以上的烃类。为防止重烃因冷凝冻结而堵塞管道和设备，必须在天 然气进入液化单元前将其去除。采用吸附法脱水时，重烃可被部分脱除，但不能使其含 量降低到所要求的净化深度，余下的重烃一般采用冷凝分离法脱除，即在低温区中的一 个或多个分离器中将其除去。【7 】 汞会造成铝制设备的严重腐蚀，并会造成环境污染，必须限制其含量。美国u o p 公司研发的一种新型脱汞材料h g s i v 吸附剂和美国匹兹堡c a l g o n 公司研发的硫浸煤基 硫活一阵炭h g r 均能有效脱除天然气中的汞。 芳香烃在低温下易结晶析出而堵塞管道和设备，故必须将其脱除。一般可采用吸收 法或吸附法将其脱除，目前这两种技术均已申请专利。 对于氮气，一般采用最终闪蒸的方法从液化天然气中选择性地脱除。当氮气含量高 的天然气需液化用于调峰时，可考虑采用氮气一甲烷膨胀液化循环。 1 2 2 处理设备及其布置的研究现状 浮式生产装置因海域海况的变化( 风、浪、海流等的变化) 将产生六种形式的运动： 横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇及首摇。其中，前三种属线性运动，后三种属角度运动。 正常条件下，横荡和首摇对工艺设备性能影响不大，其余四种运动形式都会对工艺设备 性能产生重大的影响。1 1 1 , 1 2 】 浮式l n g 预处理生产装置中，气液接触及传质设备( 即各类塔器、分离器等) 受 浮式生产平台运动影响较大。为减少浮式生产平台运动对工艺设备的影响，国内外研究 人员经过多年摸索研究，总结出以下经验： ( 1 ) 合理布置容器，减少设备的运动振幅。纵摇是对浮式生产平台影响最大的运 动，故应将工艺设备的轴向布置成沿浮式平台的最小纵摇方向，并尽量靠近浮式平台的 重心。 ( 2 ) 对于浮式生产系统，塔器应优先选用填料塔。与板式塔相比，填料塔不仅工 作性能稳定，更有利于气液传质，而且可减少塔径、降低塔的整体高度，这对于减少浮 式生产系统的弯曲挠度及因运动产生的剪切力是非常有利的。此外，填料塔是天然气净 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 化装置中最高、最重的设备，应将其布置在浮式生产系统的中轴线上。 此外，上世纪七十年代末研发出的一种新型高效传质设备超苇力旋转填充床 ( 又称超鼋力机) ，利用高速旋转的的填料床产生的强大离心力( 或超重力) 来强化传 质与混合过程，克服了传统塔器体积大、占地面积大、不适用于振动较大的环境、不易 安装等缺点，逐渐受到人们的关注。 超重力机具有传质效率高、体积小、能耗低、物料停留时间短、不怕振动及颠簸、 运行平稳可靠、维修方便等优点，可被广泛应用于具有扩散控制的传质及反应体系中。 对于浮式生产系统，应尽可能选择占地面积较小、重量轻及耐振动的装置，超重力机所 具有的特点使其对于海上油气田的开发具有较大的吸引力。在浮式l n g 脱酸气工艺中， 采用超重力机代替传统塔器强化传递与反应过程，克服传统塔器操作运行中的一些缺 点，将是一项革新性技术。【1 3 】 ( 3 ) 浮式生产系统中，气液分离设备宜采用重力分离器。重力分离器型式的选择 应根据分离介质的液量及相数来确定，选择原则为：液量较少，要求液体在分离器内 停留时间较短时，宜选用立式重力分离器；液量较多，要求液体在分离器内停留时问 较长时，宜选用卧式重力分离器；气、油、水同时存在，并需进行分离时，宜采用三 相卧式分离器。 对于分离器，还应合理设计容器的尺寸和内件。增加卧式分离器的直径、减少其长 度，可减少浮式生产装置运动的影响。此外，优化堰板的数量、改进堰板的形式也可减 少挠动及横摇对其分离性能的影响。现场试验表明：经特殊内件设计的卧式分离器在经 受3 。的纵摇和6 。的横摇时，仍能保证满意的分离效果。 1 4 , 1 5 】 然而，就目前的形势来看，浮式l n g 预处理技术的研究仍处于初期阶段，各项技 术尚不成熟，还有许多关键技术亟待解决。由于受到海上特殊作业环境的限制，浮式 l n g 预处理工艺及设备的设计与陆上预处理技术差别较大。因此，在借鉴陆上天然气 预处理工艺技术及经验的基础上，研究如何根据气源条件进行浮式l n g 预处理工艺及 设备的设计尤为重要。 1 3 本文的主要研究内容 脱酸气工艺作为整个预处理工艺的关键环节，直接影响到后续工艺的正常进行。吸 收塔和解吸塔是脱酸气工艺中最为重要的设备，也是整个预处理工艺中受浮式生产装置 运动影响最大的设备，因此，对塔器进行研究非常必要。 第一章绪论 本文针对南海荔湾气田，以脱酸气工艺及塔设备为主要研究内容，主要开展了以下 几个方面的研究工作： ( 1 ) 综合分析几种常用脱酸气工艺的优劣、净化效果及对浮式生产装置的适应性， 结合南海荔湾气田气源及海域海况特点，进行脱酸气工艺的选择。对脱酸气工艺中的重 要设备吸收塔及解吸塔进行选型，初步确定塔设备的关键工艺参数。 ( 2 ) 对脱酸气工艺进行模拟计算，选取合适的工艺评价指标，分析关键工艺参数的 变化对工艺的影响，给出各关键工艺参数的推荐范围。 ( 3 ) 结合工艺参数的推荐范围，列出所有工艺参数组合方案，采用五因素模糊工业 评价法对各方案进行综合评价，推选出最优工艺参数。 ( 4 ) 根据推选出的工艺参数，对吸收塔进行结构设计。采用有限元分析软件a n s y s 建立吸收塔的有限元模型，研究吸收塔在不同倾斜角及不同工况下( 空塔及正常操作下) 的应力应变情况，分析吸收塔结构设计的可靠性。 ( 5 ) 结合以上分析，形成浮式l n g 脱酸气优化技术，并对浮式l n g 装置其它杂质 ( 水、重烃、汞、芳香烃、氮气等) 净化技术进行综合分析，初选出各杂质的净化技术 方法。 ( 6 ) 最后，结合南海荔湾气田气源及海域海况，应用上述技术确定了其浮式l n g 预处理技术方案。 6 中国石油人学( 华东) 硕七学位论文 第二章脱酸气工艺的选择及主要设备参数的确定 本章综合对比几种常用的脱酸气工艺，结合工艺选择的一般原则，根据南海荔湾气 田气源及海况条件，初选出脱酸气工艺方法，并对工艺中的重要设备吸收塔及解吸 塔进行选型，初步确定塔设备的关键工艺参数，为后续模拟分析做准备。 2 1 脱酸气工艺的对比及选择原则 从地层开采出的天然气常含有一定量的c 0 2 、h 2 s 、c o s 等酸性气体。酸性气体不 仅会危害人体健康、腐蚀管道和设备，而且因其沸点较高，在天然气液化装置中，极易 呈固相析出，堵塞管道和设备。因此，必须严格控制天然气中酸性组分的含量。表2 1 列出了天然气液化装置对原料气的净化要求。1 7 】 表2 - 1 基本负荷型l n g 工厂原料气的净化指标 t a b l e 2 1f e e dg a sp u r i f y i n gi n d e x e so fb a s i cl o a d i n gl n g p l a n t 杂质最人允许含量 限制依据 水( h 2 0 ) 0 1p p m ( v )a 二氧化碳( c 0 2 ) 5 0 1 0 0p p m ( v )b 硫化氢( h 2 s ) 4p p m v ( 5m g s n m 3 )c c o s 0 5p p mc 硫化物总量 1 0 5 0 m g n m 3 c 汞 0 0 1i t g n m 3a 芳香族化合物 1 - 1 0 p p m ( v ) a 或b 重烃 7 0m g m 3a 或b 附注：a 为无限制生产下的累计允许值；b 为溶解度限制；c 为产品规格。 2 1 1 常用脱酸气工艺的对比 按装置操作特点及工艺原理，天然气脱酸气工艺可分为：化学吸收法、物理吸收法、 混合溶剂吸收法、间歇法、膜分离法、变压吸附法及直接氧化法等。天然气液化装置中， 常用的脱酸气方法是化学吸收法中的醇胺法和热钾碱法( b e n f i e l d 工艺) 及混合溶剂吸 收法中的砜胺法，三种方法的综合比较见表2 2 。1 1 6 , 1 7 】 表2 - 2 三种脱酸气方法的比较 t a b l e 2 - 2 c o m p a r i s o no ft h r e et y p e so fa c i dg a sr e m o v a lm e t h o d 方法效果应刖条件 评价 主要是化学吸收醇胺法尤其适用于酸性组分该工艺目前已相当成熟。该法 方法，可同时脱除分压低或要求酸性组分含量的缺点是再生热较高，胺液具 醇胺法 c 0 2 和h 2 0 ，也可 低的场合。但此法不宜用于有腐蚀性且损耗较大等。 部分脱除有机硫。 c o s 和c s 2 含量高的场合。 7 第一二章脱酸气t 艺的选择及主要设备参数的确定 续表2 - 2 c o n t i n u e dt ot a b l e2 2 方法效果应用条件 评价 b e n f i e l d 主要是化学吸收过对含有人量_ 二氧化碳的原该法的净化度好，所需的再生热较 程，可同时脱除h 2 s料气尤为适用，在酸气分 低。b e n f i e l d 流程已成功应用予世界 1 艺 和c 0 2 。 压较高时使j h j 较为经济。上6 0 0 多座天然气预处理装置。 兼有物理吸收和化学对中至高分压的天然气有 此法适用于高压大然气的净化，净化 吸收双重作用，在脱广泛的适应性。在大然气能力较高，能脱除有机硫，能耗低， 砜胺法 除c 0 2 和h 2 s 的同中酸气分压高、且h 2 s 含腐蚀轻，溶剂变质轻等。但此法对烃 时，可脱除有机硫。量比c 0 2 含量高时，采用类有较高的溶解度，会造成有效组分 此法较为经济。的损欠。 2 1 2 脱酸气工艺选择的一般原则 ( 1 ) 所需基础资料 在进行天然气脱酸气工艺的选择时，首先应具备或要求提供以下资料：天然气中 h 2 s 及c 0 2 的含量；天然气中有机硫的含量，在有机硫含量高时须有c o s 、c s 2 、硫 醇等的含量数据；天然气的烃组成、处理量及进料天然气的压力、温度条件：天然 气的净化指标要求( c 0 2 、h 2 s 、总硫、烃露点、水露点等) ；净化气的下游安排( 是 否需要下游装置配套等) 。依据以上资料即可进行天然气脱酸气工艺的选择。 ( 2 ) 工艺选择的一般原则 国内外天然气脱酸气工艺已经过几十年的应用和发展，根据近几十年的应用经验， 可将脱酸气工艺的选择原则归纳如下： i ) 一般对于规模较大的装置，应首先考虑采用醇胺法。 原料气中c 0 2 h 2 s 摩尔比高，且脱除h 2 s 的同时，还需脱除相当量的c 0 2 时， 可选用m d e a 与其它醇胺( 如m e a 、d e a 等) 组成的混合胺法或合适的配方溶液法： 原料气中c 0 2 h 2 s 摩尔比较高，且需深度脱除c 0 2 时，可选用合适的m d e a 配 方溶液法( 如活化m d e a 法等) ； 原料气压力较低，需同时脱除c 0 2 和h 2 s 且对净化气中h 2 s 的含量要求严格时， 可选用m e a 法、d g a 法、d e a 法或混合胺法。若净化气h 2 s 和c 0 2 的质量指标要求 都很严格，则可采用m e a 法、d g a 法或d e a 法。 l i ) 当需脱除原料气中的有机硫时，一般应采用砜胺法。 i i i ) 对于高压、高酸气浓度原料气的净化，可在醇胺法或砜胺法之外选用其它方法 ( 如膜分离法) 或采用几种方法的组合。 以上只是选择天然气脱酸气工艺的一般原则，实践中应综合分析每个气田的具体情 r 中国石油人学( 华东) 硕： ：学位论文 况，初步筛选出几种合适的工艺后，再采用排序法或量化法进一步评价分析，最终确定 出技术经济性能最优的方案。【1 8 】 2 2 南海荔湾气田脱酸气工艺的选择 2 2 1 原料气的基础资料 南海荔湾气田原料气的相关物性参数见表2 3 及表2 4 。 表2 - 3 原料气物性参数表 t a b l e 2 - 3 p h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so ff e e dg a s c l 0 7 9 8 n - c 4 0 0 0 5 1n c 70 0 0 5 1 c 1 1 + 0 0 0 3 3 组成c 2 0 0 5 1 2 i c 5 0 0 0 2 6 n - c 8 0 0 0 4 2 n 2 0 0 0 3 5 摩尔含量 c 3 0 0 1 9 4 n c 5 0 0 0 2 n - c 9 0 0 0 3 5 c 0 2 0 0 3 0 3 i c 4 0 0 0 4 n c 6 0 0 0 2 8 n - c l o 0 0 0 2 5 h 2 0 0 0 6 2 4 原料气设计压力原料气设计温度年最人产气量 其它参数 2 o m p a4 0 3 6 2 9 亿万方 附注：设计产量= 最人年产气量x1 0 5 ，每年按3 5 0 大计算。 表2 - 4 重组分c l l + 的性质 t a b l e 2 4c h a r a c t e r so ft h eh e a v yc o n s t i t u e n tc l l + 常压沸点 液相密度临界温度临界压力 临界摩尔体积 名称摩尔质量偏心因子 k g m 3 k p a m 3 k m 0 1 c 11 +2 3 0 3 71 8 8 9 08 2 1 5 04 1 8 6 42 0 3 1 5 20 6 9 40 5 2 3 由物性参数表及净化指标可知： ( 1 ) 原料气中c 0 2 的摩尔含量为0 0 3 0 3 左右，要求净化气中c 0 2 的含量为5 0 p p m ( v ) 。 ( 2 ) 目前，原料气组分测试中无h 2 s ，设计中按低含硫天然气( 天然气中h 2 s 的摩 尔分数在0 0 0 1 4 - - - 0 3 之间) 计算，取h 2 s 的摩尔分数为0 0 0 5 ，要求净化气中h 2 s 的含量为4 p p m ( v ) 。 ( 3 ) 原料气的设计处理能力为： v = 3 6 2 9 x 1 0 8 x l - o = 1 0 8 8 7 1 0 7m 3 d ，1 i - 2 2 2 脱酸气工艺的选择 ( 1 ) 脱酸气工艺方法的选择 由南海荔湾气田原料气的物性参数表可知，原料气中的酸性组分主要是c 0 2 ，同时 含有微量的h 2 s 。因原料气中含有重烃( c 5 + 的摩尔分数约为2 6 1 ) ，砜胺法的烃损失 较大，故不宜采用该法。b e n f i e l d 流程较适用于含有大量c 0 2 的原料气，在酸气分压较 9 第一二章脱酸气工艺的选择及主要设备参数的确定 高时使用较为经济。南海荔湾气田原料气中c 0 2 的摩尔分数最大为3 0 6 ，酸气分压约 为6 1 2 k p a ，气源分压低，故不宜采用此法。 醇胺法是目前使用最为广泛的一种脱酸气方法，该技术目前已相当成熟。该法尤其 适用于酸性组分分压低或要求酸性组分含量低的场合，原料气中c 0 2 含量可达5 8 。 当原料气中c 0 2 含量较高时，可先用膜分离法进行c 0 2 的粗脱，然后再用胺法进一步处 理。1 1 9 】 由以上分析可知，南海荔湾气田脱酸气工艺采用醇胺法较为合适。 ( 2 ) 脱酸气吸收剂的选择