HYSYS在三甘醇脫水工藝中的模擬計算

喻 靖

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300110）

HYSYS在三甘醇脫水工藝中的模擬計算

喻 靖

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300110）

本文主要以某大型天然氣外輸油田的三甘醇脫水工藝為背景，通過HYSYS軟件對整個三甘醇脫水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，探討在天然氣脫水后影響露點(diǎn)值的參數(shù)，以便對各項參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化。

流程模擬；HYSYS計算；三甘醇脫水；露點(diǎn)；參數(shù)優(yōu)化

天然氣水合物是指在一定溫度、壓力條件下，由水分子和碳?xì)錃怏w分子組成的一種類冰的、可燃的、非固定化學(xué)計量的籠形晶體化合物[1]。在濕天然氣外輸過程中，特別在高壓、低溫條件下極易生成水合物，從而堵塞管道，對天然氣生產(chǎn)和外輸造成影響。為了避免天然氣中水合物的形成，國內(nèi)常用三甘醇進(jìn)行脫水。三甘醇脫水工藝具有壓力損失小、流程控制簡單、工藝成熟可靠、操作檢修方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。該方法也是目前運(yùn)用較廣泛，技術(shù)較成熟的一種天然氣脫水工藝。

1 三甘醇脫水工藝流程及生產(chǎn)現(xiàn)狀

本文以某油田三甘醇脫水工藝為例，該油田天然氣外輸量可達(dá)190×104m3/d，處理量為120×104m3/d，三甘醇循環(huán)量1.3 m3/h，天然氣進(jìn)料溫度30℃，富液含水4%左右，貧液含水1.2%左右；天然氣的摩爾組分（見表 1）。

三甘醇脫水工藝流程（見圖1）。該工藝原理為濕天然氣（或飽和氣）在通過一系列的濾水濾烴之后，進(jìn)入脫水塔塔底，與從塔頂進(jìn)入的三甘醇貧液在脫水塔中進(jìn)行逆流接觸，濕氣中的部分飽和水就被三甘醇吸收而脫除。脫水后的干氣從吸收塔的頂部出來，經(jīng)貧液干氣換熱器換熱調(diào)壓后出塔外輸。此時三甘醇富液則從吸收塔底部出來，進(jìn)入再生系統(tǒng)；三甘醇富液通過一系列的降壓、換熱、閃蒸、加熱等工藝流程進(jìn)行提濃，最后提濃后的貧液再經(jīng)過循環(huán)泵加壓，進(jìn)入脫水塔頂部，完成三甘醇的吸收、再生和循環(huán)的過程。

圖1 三甘醇工藝流程圖

表1 某油田外輸天然氣組分表

脫水后的天然氣水露點(diǎn)是反映該工藝脫水效果的一項重要參數(shù)。按規(guī)范[3]要求脫水后天然氣的水含量不超過112 mg/m3，在一般的生產(chǎn)過程中要求脫水后的水露點(diǎn)至少比環(huán)境溫度低5℃。目前，該油田在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品天然氣的水露點(diǎn)（6.5 MPa下折算）一直在-2℃～-5℃波動，在該露點(diǎn)下外輸，存在一定堵管風(fēng)險（特別是在冬季低溫環(huán)境下）。生產(chǎn)過程中，三甘醇富液中常發(fā)現(xiàn)黑油、烴類，過多的雜質(zhì)會影響甘醇的濃度，從而使得脫水效能降低。同時再沸器能效較低，三甘醇貧液中的水分離效果差，貧液濃度較高。而且受循環(huán)泵泵效和再沸器性能的約束，生產(chǎn)過程中無法達(dá)到理想的循環(huán)量。

2 HYSYS流程模擬計算

2.1 流程建立

HYSYS軟件是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油供液的模擬及設(shè)計、性能檢測的軟件，該軟件分動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分[4]，主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計和石油石化煉油工程設(shè)計計算分析。本文以某油田三甘醇脫水系統(tǒng)為背景，通過HYSYS軟件對其進(jìn)行模擬。HYSYS模擬中，Peng-Robinson狀態(tài)方程（即P-R方程）因具有較高精度、適用性廣的特點(diǎn)，為使流程快速收斂，同時減少誤差，本文選P-R狀態(tài)方程[5]。

根據(jù)實(shí)際工藝流程建立的HYSYS模擬流程（見圖2）。為了使得模擬具有代表性和參考性，本文所選參數(shù)均為易生成水合物的冬季低溫環(huán)境下該油田三甘醇系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)值。濕天然氣進(jìn)料壓力6.6 MPa、進(jìn)料溫度30℃；處理量120×104m3/d；三甘醇循環(huán)量1.3 m3/h；貧甘醇濃度98.8%；富甘醇濃度96%。在過程模擬中脫水塔塔板數(shù)選取8塊塔板，并將換熱、閃蒸、冷凝回流與再沸的流程進(jìn)行了簡化，同時增加了一個組分分離器進(jìn)行水露點(diǎn)的計算，部分計算結(jié)果（見表2）。

圖2 HYSYS模擬流程圖

2.2 模擬計算結(jié)果分析

在過程模擬中，僅在改變天然氣進(jìn)料溫度的前提下，不同溫度對露點(diǎn)的影響（見圖3）。當(dāng)天然氣溫度從15℃升高至38℃時，干氣露點(diǎn)從-12.57℃升高至-10.01℃，可見天然氣露點(diǎn)會隨著溫度的升高而升高，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，水蒸氣的氣相溶解度增加，從而減少了在三甘醇中的溶解度。因此降低進(jìn)料天然氣溫度，可明顯降低露點(diǎn)。但如果溫度過低會增加三甘醇的黏度，同時還可能產(chǎn)生水合物。因此，天然氣進(jìn)料溫度一般不能低于水合物形成溫度，即28.53℃，因此天然氣進(jìn)料溫度一般控制在30℃左右。

表2 過程模擬計算結(jié)果

圖3 天然氣進(jìn)料溫度對露點(diǎn)的影響

在模擬過程中，增加天然氣含水量，三甘醇富液濃度呈線性降低，露點(diǎn)也隨之升高。在模擬過程中，通過定義再沸器不同的溫度，貧液的含水量有明顯變化，貧液濃度會隨著溫度的升高而增加，露點(diǎn)則有明顯下降。這是因?yàn)槿蚀紳舛仍礁?，其含水量越低，而水分在氣液兩相間傳質(zhì)的推動力增大，有利于氣液傳質(zhì)，提高吸收速率[6]。在本例中，所模擬的貧液為理想化組分，即貧液只含三甘醇和水，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中貧液含有部分烴類雜質(zhì)，在其含水量一定的情況下，三甘醇濃度必然是比理想狀態(tài)下低的（見圖4、圖5）。

圖4 天然氣進(jìn)料溫度對富液濃度及露點(diǎn)的影響

圖5 再沸器溫度對貧液濃度及露點(diǎn)的影響

除了以上幾點(diǎn)，在其他條件不變的情況下，三甘醇循環(huán)量可直觀的影響貧富液濃度，具體結(jié)果（見圖6）。但若要保持再沸器溫度，其能耗也會隨之增加。

圖6 三甘醇循環(huán)量對再沸器能耗及露點(diǎn)的影響

本文的過程模擬計算情況同現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況基本相符，計算結(jié)果真實(shí)可靠。根據(jù)上述模擬可知，在生產(chǎn)過程中，天然氣溫度、含水量，三甘醇循環(huán)量及貧液濃度對天然氣的脫水效果有著比較顯著的影響。在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)過程中可盡量將天然氣進(jìn)料溫度控制在30℃左右；并且盡量在濕氣進(jìn)塔前對其液烴與游離水進(jìn)行分離，以降低進(jìn)塔時的水含量，降低烴類對三甘醇的影響，變相提高貧液濃度；同時再沸器溫度在大概180℃后時，對貧液濃度和露點(diǎn)的影響有減弱的情況，因此可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在露點(diǎn)允許的情況下，盡量降低再沸器溫度；同時，盡管提高三甘醇循環(huán)量可有助露點(diǎn)的降低，但并不能盲目選擇，更應(yīng)綜合再沸器能效、泵效、貧夜?jié)舛葋磉M(jìn)行合理選擇。

［1］鞏艷，林宇，汝欣欣，等.天然氣水合物儲運(yùn)天然氣技術(shù)［J］.天然氣與石油，2010，28（2）：4-7.

［2］李明，溫冬云，吳艷，等.相國寺地下儲氣庫采出氣脫水方案的選擇［J］.天然氣與石油，2011，29（4）：32-36.

［3］SY/T 0602-2005.甘醇型天然氣脫水裝置規(guī)范［S］.2005.

［4］孫蘭義，張駿馳，石寶明，金海剛.過程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen Hysys教程［M］.北京：中國石化出版社，2015.

［5］劉家洪，周平.淺析HYSYS軟件在三甘醇脫水工藝設(shè)計中的應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2000，18（1）：18-19.

［6］袁宗明，王勇，賀三，等.三甘醇脫水的計算機(jī)模擬分析［J］.天然氣與石油，2012，30（3）：21-26.

TQ018

A

1673-5285（2017）10-0146-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.039

2017－09-22