天然气脱水装置工艺设计计算书

天然气脱水装置工艺设计计算书——三甘醇（TEG）吸收法脱水工艺计算——文件编号TEG-DEH-2026-001设计阶段初步设计（基础设计）文件类型工艺设计计算书编制工艺系统室审核批准二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与设计原则 设计依据与设计原则1.1设计依据本计算书依据下列现行国家标准、行业标准及基础资料编制，所有计算方法与设备选型均以现行有效版本为准：序号标准/文件编号标准名称1SY/T0076—2008天然气脱水设计规范2SY/T0602—2005甘醇型天然气脱水装置规范3GB50251—2015输气管道工程设计规范4GB/T51248—2017天然气净化厂设计规范5GB50350—2015油田油气集输设计规范6GB50160—2008（2018年版）石油化工企业设计防火标准表1-1主要设计标准一览表1.2设计原则（1）脱水工艺方案优先选择技术成熟、运行可靠、投资与操作费用合理的三甘醇（TEG）吸收法；本装置外输气水露点要求不低于-15℃的场合，TEG法在技术经济上具有明显优势。（2）脱水深度应保证外输天然气在管道最低操作温度下不形成液态水与水合物，露点裕量取5℃。（3）吸收塔操作弹性应满足处理量50%～120%范围稳定运行，关键设备（贫/富液泵、重沸器、过滤器）设备一台备用或预留扩建接口。（4）装置安全设计应符合防火、防爆、有毒有害气体防护要求，天然气按甲类火灾危险性管理。2设计基础参数本装置基础设计参数由上游工艺管道及仪表流程图（P&ID）和原料气组成分析报告给出，主要参数汇总于表2-1。参数名称符号数值单位装置规模（体积流量）Q_g30×10⁴Nm³/d操作压力（表压）P6.3MPa进吸收塔气体温度T_g30℃原料气相对密度S_g0.60（空气=1）天然气平均摩尔质量M_g17.4g/mol原料气饱和水含量W_in0.60kg/1000Nm³外输气要求水露点t_d,out-13℃对应干气水含量W_out0.08kg/1000Nm³贫TEG质量浓度C_LE99.5%贫TEG入塔温度t_LE38℃重沸器操作温度t_REB198℃表2-1装置基础设计参数表3天然气水含量与露点计算3.1原料气饱和水含量原料气在进入吸收塔前经入口分离器脱除游离液态水，视为被水蒸气饱和的天然气。在操作压力P=6.3MPa(g)、温度T_g=30℃条件下，依据Mcketta-Wehe天然气含水量图版并经气压修正，查得原料气饱和水含量：式中W_in——吸收塔入口气体饱和水含量，kg/1000Nm³；已计入压力、温度及气体相对密度修正系数K_p、K_T、K_S。3.2外输气水含量与露点换算根据GB50251—2015及SY/T0076—2008，外输天然气水露点应比管道埋设最低温度低5℃。本工程管道最低埋地温度取-8℃，故要求外输水露点t_d,out≤-13℃。在P=6.3MPa下，查天然气水含量—露点关系图，露点-13℃对应的干气残余水含量为：该值小于SY/T0602—2005规定的脱水后天然气最大水含量1.12kg/10⁴m³（即112mg/Sm³），满足管输质量要求。3.3露点降要求吸收塔入口气体温度30℃即为饱和温度（近似入口压力下的水露点），要求出口露点-13℃，所需露点降为：即吸收塔应提供不低于43℃的露点降。4脱水量计算单位时间内天然气中被三甘醇吸收的水量，即脱水量G_L由下列物料衡算公式确定：代入数据：计算结果：式中Q_g——装置日处理量，Nm³/d；W_in、W_out单位均为kg/1000Nm³。5贫三甘醇循环量计算依据SY/T0076—2008附录C，甘醇循环流率按下列公式计算：式中V_LE——贫甘醇循环体积流量，m³/h；L_W——每吸收1kg水所需甘醇循环量，m³/kg；G_L——脱水量，kg/h。对TEG吸收法，工程上推荐L_W取0.025～0.040m³/kg水（即25～40L/kg水）。考虑本装置要求露点降较大（43℃），取偏上限值L_W=0.030m³/kg。圆整取V_LE=0.20m³/h。TEG溶液密度ρ_LE≈1120kg/m³，则质量循环量为：实际工程设计中考虑10%操作裕量，贫液泵额定流量取0.22m³/h。6吸收塔工艺计算6.1理论级数与实际塔板数TEG吸收塔所需理论级数由要求露点降、贫液浓度与气液比共同决定。根据SY/T0076—2008及工程经验数据，不同贫TEG质量浓度下可达到的平衡露点降列于表6-1。贫TEG质量浓度/%可达平衡露点降/℃是否满足本工程（需43℃）98.525～30不满足99.035～40不满足99.550～55满足（汽提气再生）99.965～75满足（深度脱水）表6-1贫TEG浓度与露点降对应关系本工程要求露点降43℃，故选贫液质量浓度99.5%，配套汽提气再生工艺。对应所需理论级数N_t=2.0级。TEG吸收塔采用泡罩塔板，板效率E_T一般为25%～30%，取E_T=28%。实际塔板数为：圆整取实际塔板数N_a=8块，板间距H_T=600mm。6.2吸收塔内径计算吸收塔内径按空塔气速确定。操作条件下天然气实际体积流量：式中标准状态P_n=0.1013MPa、T_n=293K；操作状态P_op=6.4MPa(a)、T_op=303K。高压下TEG吸收塔允许空塔气速一般取0.10～0.15m/s，本设计取v=0.12m/s，则所需塔截面积：塔内径：考虑本装置为高压大流量工况，圆整取吸收塔内径D=1.6m（DN1600）。该塔径下实际空塔气速：该气速处于泡罩塔板稳定操作区间（液泛速度的50%～70%），不会发生过量雾沫夹带或漏液。6.3塔高计算吸收塔直段高度由塔板间距、塔顶/底分离空间及附属接口决定：式中H_T=0.60m；塔顶气相出口分离空间H_top=2.0m（含捕雾器段）；塔底富液储液段H_bot=1.5m。圆整取吸收塔直段高度H=8.5m，加上封头、裙座后设备总高约12.0m。6.4吸收塔计算结果汇总项目数值单位理论级数N_t2.0级板效率E_T28%实际塔板数N_a8块板间距H_T600mm塔内径D1600mm塔直段高度H8.5m实际空塔气速v0.117m/s表6-2吸收塔工艺尺寸计算结果7富液再生系统计算7.1闪蒸分离器吸收塔底富TEG溶液中溶解了约10%～20%的烃类气体，需经闪蒸分离器在低压下闪蒸脱除，避免烃类进入重沸器造成损失与火灾危险。闪蒸分离器按液体停留时间设计，停留时间τ取5～10min。富液体积流量近似等于贫液循环量V_LE=0.20m³/h，取τ=8min：考虑气液分离空间，闪蒸罐取直径D=0.8m，直段高度H=2.0m，实际有效容积约1.0m³，满足停留时间并留有3倍以上裕量。7.2重沸器热负荷重沸器的作用是将富TEG溶液中吸收的水分蒸发，使其再生为99.5%以上的贫液。重沸器热负荷由三部分组成：（1）脱除水分蒸发吸热：Q_1=G_L×r_w，水在100℃汽化潜热r_w≈2257kJ/kg；（2）甘醇溶液从进料温度t_in≈150℃升温至重沸温度198℃的显热：Q_2=M_LE×c_p×Δt，c_p≈2.5kJ/(kg·K)；（3）汽提气及散热损失，取Q_1+Q_2的15%。考虑50%设计裕量，重沸器额定热负荷取Q_reb=20kW，采用热水炉或导热油加热，控制重沸器液相温度不超过200℃，以防止TEG高温降解（TEG分解温度约206℃）。7.3汽提气用量为使贫TEG浓度达到99.5%，需在再生塔底部通入汽提气。根据Campbell关联式，汽提气用量一般为4～8m³/m³TEG循环量，本设计取6m³/m³：汽提气引自装置本身脱水后的干气，经减压、计量后进入再生塔底部。8主要设备一览位号设备名称主要规格材料数量T-101天然气吸收塔DN1600×8500mm，8块泡罩塔板20R+3041V-101入口分流器/过滤分离器DN800×2400mm20R1V-102富液闪蒸罐DN800×2000mm20R1V-103贫富液缓冲罐DN1000×2400mm20R1H-101TEG重沸器热负荷20kW，操作温度198℃3041P-101A/B贫液循环泵Q=0.22m³/h，H=1.6MPa3042表8-1主要工艺设备一览表9安全核验与风险分析9.1火灾危险性分类装置处理介质为天然气（主要成分甲烷），引燃温度537℃，爆炸极限5%～15%（体积分数），按GB50160—2008（2018年版）划定为甲类火灾危险性生产装置。设备布置应满足防火间距、爆炸泄压面积及可燃气体检测报警要求。9.2关键操作参数核验核验项目规范限值本设计取值结论进塔气体温度15～48℃30℃合格贫液温度比气体温度高6～16℃8℃合格重沸器液相温度≤200℃198℃合格空塔气速0.08～0.20m/s0.117m/s合格外输水含量≤112mg/Sm³80mg/Sm³合格表9-1关键操作参数合规性核验表9.3主要风险与防控措施（1）TEG发泡与雾沫夹带：原料气携带烃液、缓蚀剂或表面活性剂时易引起吸收塔发泡，导致干气露点不合格。防控措施：入口设高效过滤分离器；贫富液管路设甘醇过滤器（5μm）；必要时注入消泡剂。（2）TEG热降解：重沸器温度长期超过204℃会造成TEG降解生成酸性物质，加速系统腐蚀。防控措施：重沸器设温度高高联锁（205℃切断加热）；定期取样分析TEG色度、pH与浓度。（3）天然气泄漏与着火：装置区按1区爆炸危险区设计，电气设备防爆等级不低于ExdⅡCT3；设可燃气体检测报警仪，报警值25%LEL。（4）甘醇损失：贫液泵密封泄漏、干气带液、闪蒸尾气携带均会造成TEG损耗。设计上泵采用双机械密封+隔离液；干气管网设出口捕雾器；闪蒸尾气引至放空系统。10结果分析与工程指导意义（1）本计算书以30×10⁴Nm³/d规模、6.3MPa操作压力、外输露点-13℃为边界条件，采用三甘醇吸收法脱水，计算得到脱水量6.50kg/h、贫TEG循环量0.20m³/h、吸收塔DN1600×8.5m（8块泡罩塔板）、重沸器热负荷20kW，整套装置工艺指标满足SY/T0076—2008与GB50251—2015要求。（2）敏感性分析表明：在固定露点要求下，贫液浓度每提高0.5%，所需理论级数可降低约20%，重沸器热负荷增加约8%；在固定贫液浓度下，塔板数从6块增至8块，露点降可提高约8～10℃。工程中应在TEG循环能耗与塔径投资之间权衡。（3）本计算结果可直接用于：吸收塔、闪蒸罐、重沸器等静设备的工艺条件书编制；贫液泵、进料分离器等动设备选型；装置PID设计与操作参数卡编制；以及同规模天然气净化装置的方案对比。（4）实际工程实施前，应使用HYSYS、PROMAX等流程模拟软件对全流程进行复算，并以现场实测数据标定Mcketta-Wehe图版修正系数；对含有H₂S、CO₂较高的原料气，还需补充腐蚀裕量与材质升级校核。11参考文献[1]国家发展和改革委员会.SY/T0076—2008天然气脱水设计规范[S].北京:石油工业出版社,2008.[2]国家发展和改革委员会.SY/T0602—2005甘醇型天然气脱水装置规范[S].北京:石油工业出版社,2005.[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50251—2015输气管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2015.[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T51248—2017天然气净化厂设计规范[S].北京:中国计划出版社,2017.[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50350—2015油田油气集输设计规范[S].北京:中国计划出版社,2015.[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50160—2008（2018年版）石油化工企业设计防火标准[S].北京:中国计划出版社,2018.[7]高志崇.天然气含水量的公式化计算方法[J].石油学报,2003,