延長(zhǎng)氣田含甲醇污水再生系統(tǒng)模擬及優(yōu)化改造

趙運(yùn)濤 王 毅 曹強(qiáng)強(qiáng) 郭 琦 范 崢 劉 安 李穩(wěn)宏

延長(zhǎng)氣田含甲醇污水再生系統(tǒng)模擬及優(yōu)化改造

趙運(yùn)濤1王 毅1曹強(qiáng)強(qiáng)1郭 琦1范 崢2劉 安3李穩(wěn)宏3

1.陜西延長(zhǎng)石油天然氣有限責(zé)任公司 2.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 3.西北大學(xué)化工學(xué)院

延長(zhǎng)氣田含甲醇污水處理裝置自投用以來(lái),始終存在設(shè)備易結(jié)垢、易腐蝕,運(yùn)行不穩(wěn)定,產(chǎn)品質(zhì)量不合格,尤其是甲醇產(chǎn)品指標(biāo)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求等諸多問(wèn)題。分別選擇NRTL方程作為理想的熱力學(xué)模型和Aspen plus軟件全流程模擬甲醇再生系統(tǒng),為后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)提供了可靠的基礎(chǔ)模型。進(jìn)而提出了甲醇再生工藝優(yōu)化方案,包括:增添空冷器及提升泵、改變塔板形式、增加塔板高度等,同時(shí)對(duì)優(yōu)化后甲醇再生工藝進(jìn)行流程模擬。結(jié)果表明甲醇產(chǎn)品和回注水模擬值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。利用該優(yōu)化方案改造后的甲醇再生新裝置已成功試車,裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定,甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.10%、回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%,滿足工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)。

含甲醇污水 甲醇再生系統(tǒng) 流程模擬 優(yōu)化改造

在氣田開(kāi)采過(guò)程中,天然氣水合物的生成容易引起管線及設(shè)備的結(jié)冰凍堵、腐蝕損壞,給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患[1-2]。目前,防止天然氣水合物生成的措施主要有加熱升溫、節(jié)流降壓和添加抑制劑等[3-4]。而甲醇憑借投資費(fèi)用低廉、可循環(huán)再生,以及作為臨時(shí)性解堵劑可在一定程度上溶解已經(jīng)形成的水合物等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),成為天然氣氣井最常用、最普遍的水合物抑制劑[5-6]。

延長(zhǎng)氣田含甲醇污水處理裝置于2012年11月投產(chǎn),裝置規(guī)模為150 m3/d,包括甲醇污水預(yù)處理單元和甲醇再生單元。該裝置在預(yù)處理單元脫除甲醇污水中CO2、H2S等酸性氣體、乳化油、機(jī)械雜質(zhì)和懸浮物等雜質(zhì)后,在再生單元采用精餾工藝將甲醇與水分離,按照進(jìn)料甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～50%出合格產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),脫甲醇后的廢水通過(guò)注水井回注地層,要求甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%,再生出的甲醇供氣田循環(huán)使用,要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%。

目前,甲醇再生單元主要存在以下問(wèn)題:①裝置處理量達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)際處理量約為90 m3/d,低于設(shè)計(jì)值150 m3/d;②進(jìn)裝置污水含醇量低于設(shè)計(jì)要求,基本維持在10%左右,使得再生后的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在80%～88%之間,達(dá)不到設(shè)計(jì)值95%。因此,對(duì)甲醇再生裝置進(jìn)行流程模擬及優(yōu)化改進(jìn)研究就顯得十分必要。本研究利用Aspen plus軟件對(duì)甲醇再生系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)模擬結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)有塔內(nèi)件參數(shù),對(duì)當(dāng)前的甲醇再生塔進(jìn)行優(yōu)化改造,使得甲醇產(chǎn)品和回注水質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)。

1 甲醇再生系統(tǒng)工藝流程及運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

延長(zhǎng)氣田單井產(chǎn)水量尚無(wú)準(zhǔn)確測(cè)試數(shù)據(jù)可以參考,因此借鑒類似的大牛地氣田開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),1.0×104m3天然氣產(chǎn)水量按0.8 m3考慮,根據(jù)延長(zhǎng)氣田目前5×108m3天然氣集氣規(guī)模,單井年生產(chǎn)時(shí)間按330天計(jì)算,日總產(chǎn)水約122 m3/d。一般情況下,冬季甲醇污水中的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,約為50%,夏季甲醇污水中的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,最低約為20%。因此,污水中甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)按20%～50%計(jì)?？紤]液量波動(dòng),污水處理站處理規(guī)模按照150 m3/d設(shè)計(jì)。

1.2 甲醇再生工藝流程

預(yù)處理后甲醇污水出水水質(zhì)達(dá)到ρ(油)≤30 mg/L、ρ(懸浮物)≤30 mg/L后送入甲醇污水儲(chǔ)罐,通過(guò)甲醇污水原料泵加壓至一級(jí)核桃殼過(guò)濾器過(guò)濾,再與甲醇污水塔塔底水換熱器、甲醇污水冷凝水換熱器換熱后,原料液進(jìn)入二級(jí)精細(xì)過(guò)濾器,使出水水質(zhì)達(dá)到ρ(油)≤10 mg/L、ρ(懸浮物)≤5 mg/L,溫度達(dá)到82℃進(jìn)入甲醇再生塔。塔底液體靠液位差流入塔底再沸器,利用蒸汽加熱使部分水汽化返回塔底,另一部分去甲醇污水塔底水換熱器換熱后送往脫甲醇廢水處理系統(tǒng);塔頂甲醇蒸汽經(jīng)空冷器冷凝至飽和液體后進(jìn)入塔頂回流罐,而后用塔頂回流泵吸出加壓,一部分液體回流進(jìn)入塔頂,一部分液體作為產(chǎn)品進(jìn)入甲醇儲(chǔ)罐。

綜上可知,在甲醇再生工藝流程中,甲醇再生塔作為甲醇回收的核心設(shè)備,其合理設(shè)計(jì)對(duì)甲醇再生系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。圖1為甲醇污水精餾工藝流程圖。

1.3 甲醇再生系統(tǒng)存在問(wèn)題及分析

(1)甲醇再生裝置腐蝕堵塞嚴(yán)重,由于來(lái)水水質(zhì)復(fù)雜,換熱器、過(guò)濾器堵塞頻繁須不定時(shí)停工清理。同時(shí),甲醇再生塔塔身和塔盤的結(jié)垢與腐蝕情況十分嚴(yán)重,嚴(yán)重影響精餾塔的精餾效果。

(2)甲醇再生塔精餾段和提餾段分別采用抗堵性能較差的填料(5 m)及ADV浮閥塔板結(jié)構(gòu)(24層),其結(jié)垢、腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重。通過(guò)計(jì)算,現(xiàn)有甲醇再生塔精餾段填料的實(shí)際理論板當(dāng)量高度為1.89 m,提餾段ADV浮閥塔板的實(shí)際塔板效率為20%左右,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值0.625 m和50%。這直接導(dǎo)致了塔頂甲醇產(chǎn)品和塔底回注水,尤其是塔頂甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)始終無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)甲醇再生塔的含醇污水進(jìn)料溫度為32.0℃,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值82.0℃。這是因?yàn)?在精餾段填料高度不足或理論板當(dāng)量高度嚴(yán)重偏低時(shí),通過(guò)過(guò)冷進(jìn)料的方式可以對(duì)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量起提升作用。

(4)甲醇再生塔塔底再沸器采用的是虹吸式自然循環(huán)方式,甲醇污水發(fā)泡嚴(yán)重,致使循環(huán)效果不佳,產(chǎn)生汽阻現(xiàn)象,溫度不易控制,不利于再生塔正常操作。

(5)通過(guò)核算發(fā)現(xiàn)甲醇再生塔塔頂干式空冷器換熱面積富余量過(guò)低,特別是在夏季高溫天氣時(shí)換熱明顯不足。

目前,甲醇再生裝置處理量為3.897 m3/h,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值6.25 m3/h;甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.10%,同樣低于設(shè)計(jì)要求95%,工藝操作參數(shù)與設(shè)計(jì)值相差很大。因此,很有必要對(duì)甲醇再生裝置進(jìn)行流程模擬及優(yōu)化改進(jìn)。

2 甲醇再生系統(tǒng)模擬流程建立

2.1 熱力學(xué)模型的選擇

Aspen plus是美國(guó)Aspen Tech公司研發(fā)的,其具有嚴(yán)格的機(jī)理模型和全過(guò)程計(jì)算方法,主要用于對(duì)油氣開(kāi)采、石油化工、節(jié)能環(huán)保、煉油冶金及醫(yī)藥化工等工藝過(guò)程中的單個(gè)操作單元選型設(shè)計(jì)、靈敏度分析和流程模擬優(yōu)化及改造[7]。本研究分別選擇NRTL和ASME Steam模型對(duì)甲醇再生工藝這一高度非理想極性體系以及蒸汽供給系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確描述[8]。

2.2 模擬流程的建立

在Aspen plus軟件流程窗口的模塊庫(kù)中選擇相應(yīng)單元模塊利用物流、能流將其連接起來(lái)建立整個(gè)甲醇再生流程模擬的數(shù)學(xué)模型。圖2為甲醇再生工藝流程的模擬圖。

2.3 模擬結(jié)果的輸出與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬流程的可靠性,將甲醇再生系統(tǒng)全流程模擬過(guò)程的實(shí)際值與模擬值進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 甲醇再生系統(tǒng)流程模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of simulation data and actual operation parameters

由表2可知,實(shí)際運(yùn)行值與模擬值吻合度很高,作為衡量再生系統(tǒng)是否正常穩(wěn)定運(yùn)行指標(biāo)的甲醇產(chǎn)品及回注水質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿足了要求。全流程模擬結(jié)果說(shuō)明,Aspen plus軟件能夠成功模擬甲醇再生系統(tǒng),適用于該系統(tǒng)工藝優(yōu)化及改進(jìn)。

3 甲醇再生系統(tǒng)優(yōu)化模擬研究

3.1 優(yōu)化研究方向

(1)將甲醇再生塔ADV浮閥塔板改為防垢能力很強(qiáng)的斜孔塔板,同時(shí)在原裝置基礎(chǔ)上增添了新塔作為提餾段。經(jīng)過(guò)核算,當(dāng)甲醇污水進(jìn)料為10%(w)時(shí),提餾塔理論塔板數(shù)至少要12塊,實(shí)際塔板數(shù)為36塊,回注水質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能合格。精餾塔為24層斜孔塔盤和5 m規(guī)整填料的耦合塔。

(2)在提餾塔塔底添加一臺(tái)塔底水提升泵。

(3)在精餾塔塔頂添加一臺(tái)干式空冷器。

3.2 甲醇再生優(yōu)化系統(tǒng)模擬流程建立

借助Aspen plus軟件模擬甲醇再生精餾過(guò)程,研究?jī)?yōu)化改造方案,提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù),降低裝置能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)甲醇污水組成,利用Aspen plus軟件對(duì)甲醇再生工藝進(jìn)行模擬,建立甲醇再生工藝全流程模擬流程圖(見(jiàn)圖3)。

3.3 優(yōu)化后工藝流程及結(jié)果

在流程模擬的基礎(chǔ)上,依據(jù)工藝優(yōu)化研究方案重新搭建了甲醇再生工藝流程模擬,各股關(guān)鍵物流的輸出結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)甲醇再生工藝優(yōu)化模擬后,甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.18%、回注水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,滿足工業(yè)要求。

4 工業(yè)應(yīng)用

在上述優(yōu)化模擬的基礎(chǔ)上,延長(zhǎng)甲醇污水處理廠對(duì)原甲醇再生裝置進(jìn)行了升級(jí)改造,主要包括以下內(nèi)容。

表2 甲醇再生裝置流程模擬優(yōu)化結(jié)果一覽表Table 2 Optimization results of process simulation of methanol regeneration unit

(1)新建濕式空冷器一臺(tái),新增提餾塔塔底水提升泵一臺(tái),對(duì)部分諸如機(jī)泵、換熱器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)改造。

(2)甲醇再生塔改為復(fù)合塔,提餾塔為36層斜孔塔盤,精餾塔為24層斜孔塔盤+5 m規(guī)整填料。

目前,新建150 m3/d甲醇再生裝置已成功試車,裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定,甲醇產(chǎn)品和回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到工業(yè)指標(biāo)。升級(jí)改造后甲醇再生裝置主要運(yùn)行及分析數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表3。其中,甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.10%、回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%。對(duì)比表2表明,優(yōu)化模擬方案效果良好。

表3 升級(jí)改造后裝置主要運(yùn)行參數(shù)Table 3 Main operation parameters of the upgraded methanol regeneration unit

5 結(jié)論

(1)利用Aspen plus流程模擬軟件對(duì)甲醇再生工藝進(jìn)行了流程模擬,甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)、回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵指標(biāo)的模擬值與實(shí)際運(yùn)行值高度吻合,說(shuō)明該軟件能成功模擬甲醇再生工藝,適用于對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

(2)在流程模擬的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案:為了提高提餾塔底部循環(huán)效果,保證塔的正常操作,在提餾塔塔底增添塔底水提升泵;為了保證甲醇產(chǎn)品能夠正常降溫,新增加一臺(tái)干式空冷器;為了提高塔器抗堵性能、降低結(jié)垢情況,將甲醇再生塔ADV浮閥塔板改為防垢能力更好的斜孔塔板;為了保證甲醇產(chǎn)品及回注水濃度,增加了提餾塔,提餾塔采用36層斜孔塔盤,精餾塔為24層斜孔塔盤和5 m規(guī)整填料的耦合塔。

(3)依據(jù)優(yōu)化研究方案,對(duì)甲醇再生工藝進(jìn)行了流程模擬。結(jié)果表明,甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.18%、回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,滿足設(shè)計(jì)要求。該優(yōu)化方案已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中,新建的甲醇再生裝置運(yùn)行安全平穩(wěn),甲醇產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.10%、回注水甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%,滿足工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo),并與優(yōu)化模擬結(jié)果相近,表明本次優(yōu)化模擬方案及結(jié)果可行且準(zhǔn)確。

[1]徐昌輝,申凱,王有良.天然氣水合物預(yù)測(cè)方法與防治措施分析[J].遼寧化工,2016,45(1):73-75.

[2]周厚安,汪波,金洪,等.川渝氣田天然氣水合物防治技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].石油與天然氣化工,2012,41(3):300-303.

[3]王遇冬.天然氣處理與加工工藝[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[4]趙欣,邱正松,江琳,等.動(dòng)力學(xué)抑制劑作用下天然氣水合物生成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)分析[J].集輸與加工,2014,34(2):100-110.

[5]陳小鋒,崔斌,王瑛罡.長(zhǎng)慶氣田天然氣水合物防治淺議[J].天然氣與石油,2006,24(5):10-12.

[6]單巧利,李勇,張超,等.長(zhǎng)慶氣田甲醇污水水質(zhì)特點(diǎn)分析[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2012,22(6):47-49.

[7]孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen Plus教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[8]ZUO G Z,WANG R,FIELD R,et al.Energy efficiency evaluation and economic analyses of direct contact membrane distillation system using Aspen plus[J].Desalination Journal,2011,283:237-244.

Simulation and optimizing reformation of methanol-containing waste water regeneration system in Yanchang gas field

Zhao Yuntao1,Wang Yi1,Cao Qiangqiang1,Guo Qi1,Fan Zheng2,Liu An3,Li Wenhong3
1.Shaanxi Yanchang Petroleum(Group),Yan'an,Shaanxi,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering of Xi'an Shiyou University,Xi'an,Shaanxi,China;3.School of Chemical Engineering of Northwest University,Xi'an,Shaanxi,China

There were several problems after the application of methanol-containing waste water regeneration system in Yanchang gas field,including significant fouling or corrosion,unstable operation,unqualified product,especially the failing of methanol product to meet the design requirements.Both NRTL equation as rational thermodynamic model and Aspen plus software were used to simulate the whole methanol regeneration process,which proved that this software could successfully simulate and optimize methanol regeneration system.An optimizing process simulation of methanol regeneration system was established by adding the cooler and pump,changing plate form,increasing the plate height.Results showed that the concentration of methanol and reinjection water both met the design requirements.Industrial methanol regeneration unit after renovation based on optimizations ran safely and smoothly,with the concentration of methanol and reinjection water were 96.10%and 0.19%,respectively.Both parameters were close to optimized results,indicating that the optimization simulation project was feasible and accurate.

methanol-containing waste water,methanol regeneration system,process simulation,optimizing reformation

趙運(yùn)濤(1975-),男,工程師,現(xiàn)就職于陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司,任延長(zhǎng)煉化公司生產(chǎn)技術(shù)部總調(diào)度長(zhǎng),長(zhǎng)期從事液化天然氣生產(chǎn)技術(shù)管理工作。E-mail:38388974@qq.com

TE992

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.021

2017-05-12;編輯:鐘國(guó)利