HYSYS軟件在某海上氣田三甘醇脫水工藝中的應(yīng)用

王飛 付峻 苗建

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司

濕天然氣一般通過(guò)冷凍分離、三甘醇(簡(jiǎn)稱TEG)吸收、分子篩吸附等脫水方法降低水露點(diǎn)[1]，再進(jìn)入管線長(zhǎng)輸。其中，三甘醇吸收法因具有能耗小、操作費(fèi)用低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，被廣泛應(yīng)用于海上平臺(tái)天然氣脫水。某海上氣田采用三甘醇脫水工藝，通過(guò)對(duì)實(shí)際工況和設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該工藝還存在優(yōu)化空間，故利用HYSYS軟件對(duì)此工藝系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。

1 氣田生產(chǎn)工藝

海上平臺(tái)某氣田井口產(chǎn)出物經(jīng)三相分離后，溫度約為60 ℃的氣相經(jīng)冷卻后氣液分離，分離后的氣體進(jìn)入三甘醇吸收塔脫水，水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)后外輸?，F(xiàn)階段外輸天然氣水露點(diǎn)要求為-2 ℃(表壓10 150 kPa下)，水質(zhì)量濃度小于40 mg/m3。其主要工藝流程如下：來(lái)自生產(chǎn)分離器的天然氣進(jìn)入天然氣冷卻器被海水冷卻到40 ℃，滿足三甘醇脫水系統(tǒng)對(duì)氣體溫度的要求后，降低天然氣中的飽和含水量，進(jìn)入三甘醇入口過(guò)濾分離器除去氣體中夾帶的液滴，然后進(jìn)入三甘醇吸收塔，貧甘醇與塔頂干氣在貧甘醇干氣換熱器內(nèi)換熱后進(jìn)入吸收塔頂部。貧甘醇自上而下，天然氣自下而上逆流接觸。三甘醇吸收天然氣中的飽和水，使天然氣的水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)，而富甘醇則從塔底流出。從塔頂流出的天然氣與貧甘醇換熱后外輸，富甘醇經(jīng)再沸器上部的回流冷凝柱加熱、閃蒸罐脫氣、粗濾器和活性炭過(guò)濾器過(guò)濾機(jī)械雜質(zhì)和溶解性雜質(zhì)，并與貧甘醇換熱后進(jìn)入再沸器再生為貧甘醇，經(jīng)汽提柱進(jìn)一步提純后進(jìn)入三甘醇吸收塔，完成溶劑循環(huán)。

天然氣脫水和三甘醇再生工藝如圖1所示。

2 HYSYS軟件模擬

HYSYS軟件具有嚴(yán)格的物性計(jì)算包，因其具有可對(duì)任意塔計(jì)算、非序貫?zāi)M技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng)域。HYSYS軟件分為動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬兩大部分，主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計(jì)和石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析。其中，動(dòng)態(tài)部分還可用于指揮原油生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行。本研究采用Aspen HYSYS的穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行工藝模擬，并在模擬正常后優(yōu)化工藝參數(shù)。

2.1 模擬步驟

本次模擬采用步驟如下：

(1) 在國(guó)標(biāo)單位的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)習(xí)慣新建單位集。

(2) 建立物性包和物性方程。

(3) 按照工藝流程順序，依次建立各物流、設(shè)備，輸入狀態(tài)信息，并運(yùn)行流程。

(4) 以外輸天然氣含水量為因變量，各主要參數(shù)為自變量，運(yùn)行得到最優(yōu)解。

2.2 模擬特點(diǎn)

本次模擬區(qū)別于其他模擬的特點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)如下。

2.2.1 填料塔

由于填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、氣量變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本平臺(tái)三甘醇吸收塔使用填料塔，填料為金屬鮑爾環(huán)。因此，根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)默認(rèn)的模擬吸收塔編輯：點(diǎn)擊column environment(塔環(huán)境)，雙擊吸收塔，選擇選項(xiàng)卡rating(參數(shù))，在internal type(內(nèi)部形式)選擇packed(填料)，在packing type(填料類型)里選擇pall rings(metal)(鮑爾環(huán)(金屬))，并將其他信息填寫(xiě)完整。

2.2.2 三甘醇再沸器

三甘醇再沸器包括再沸器本體、蒸餾塔和頂部的回流冷凝柱，軟件中蒸餾塔可帶回流罐、再沸器。本工藝中回流冷凝柱中的水汽經(jīng)富甘醇冷卻后再次回流到蒸餾塔，采用帶再沸器的蒸餾塔模擬再沸器本體和蒸餾塔，外加1臺(tái)分離器用于冷卻后的水汽分離，以模擬頂部的回流冷凝柱。

2.2.3 水露點(diǎn)

天然氣達(dá)標(biāo)的要求為水露點(diǎn)合格，對(duì)干氣的物性參數(shù)設(shè)置如下：點(diǎn)擊properties(屬性)，添加water dew point(水露點(diǎn))；為更加直觀，添加處理后的天然氣含水量，點(diǎn)擊properties(屬性)，添加water content in mg/m3(gas)(天然氣中含水量)，此項(xiàng)用于檢驗(yàn)天然氣處理是否達(dá)標(biāo)。

2.2.4 邏輯操作

本模擬用到的邏輯操作為循環(huán)操作，包括4處：

(1) 吸收塔中貧甘醇和濕氣接觸吸水變?yōu)楦桓蚀?，富甘醇再生后再次進(jìn)塔。

(2) 精餾柱脫除水汽，經(jīng)回流冷凝柱冷凝后再次回精餾柱。

(3) 再沸器再生后的貧甘醇經(jīng)汽提柱提純，汽提后的氣體再次進(jìn)入再沸器。

(4) 汽提氣采用干氣，汽提氣提純的貧甘醇將濕氣處理為干氣。

2.3 模擬流程

3 脫水工藝模擬優(yōu)化

干氣的露點(diǎn)受進(jìn)塔天然氣的溫度和壓力、貧三甘醇吸收溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和循環(huán)量的影響。提高吸收塔操作壓力，干氣含水量將減小。壓力(表壓，下同)在2000～8300 kPa變化時(shí)對(duì)脫水效果影響大，而在大于8300 kPa后，繼續(xù)增大壓力，干氣含水量的降低幅度趨于平緩[6]。鑒于本氣田三甘醇吸收塔正常操作壓力為8150～11 550 kPa，塔壓的提高對(duì)干氣含水量的影響較小，故此次模擬選擇當(dāng)前工況壓力10 600 kPa。

所用三甘醇循環(huán)泵為柱塞泵，排量為1.17 m3/h，不可調(diào)，此次模擬貧甘醇循環(huán)量為1.17 m3/h。

綜上，本次模擬的固定工況為：吸收塔操作壓力為10 600 kPa，貧甘醇循環(huán)量為1.17 m3/h，產(chǎn)氣量為200×104m3/d，所有優(yōu)化計(jì)算將在此工況下進(jìn)行。

3.1 三甘醇吸收塔工藝參數(shù)模擬優(yōu)化

3.1.1 天然氣入口溫度

吸收塔操作壓力為10 600 kPa，貧甘醇循環(huán)量為1.17 m3/h，三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.30%，設(shè)定因變量為外輸干氣含水量，自變量為天然氣入口溫度，范圍為30～45 ℃，步長(zhǎng)為1 ℃，在HYSYS中運(yùn)行，天然氣入口溫度和外輸干氣含水量的關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著天然氣入口溫度的升高，干氣含水量將增加。當(dāng)溫度增加到41 ℃時(shí)，外輸干氣中水質(zhì)量濃度達(dá)到40.40 mg/m3，已超標(biāo)。這是因?yàn)殡S著進(jìn)塔溫度的升高，濕天然氣的含水量隨之增加，且三甘醇與氣流中水蒸氣的平衡條件受溫度影響，溫度越高，溶解在三甘醇中的水汽減少，導(dǎo)致吸收效果降低。

在設(shè)計(jì)中，天然氣經(jīng)海水冷卻后溫度降至40 ℃即可滿足處理要求，而由模擬可知，溫度繼續(xù)降低，可進(jìn)一步減少三甘醇吸收塔的負(fù)荷，減少干氣的含水量。但低溫下三甘醇溶液起泡較多，黏度增加，塔板效率下降，壓降增大，三甘醇的損耗量增大，且濕氣可能產(chǎn)生水合物。另外，天然氣入口溫度通過(guò)天然氣冷卻器冷卻，冷卻介質(zhì)為海水，而平臺(tái)周圍的海面溫度為19.7～30.3 ℃，且海水通過(guò)的管程操作溫度為30～40 ℃，在夏季海水溫度較高的情況下，最低只能將天然氣冷卻到30 ℃，考慮3 ℃的溫度裕量，將天然氣入口溫度優(yōu)化為33 ℃。

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實(shí)際操作時(shí)，兩套天然氣冷卻器并列運(yùn)行，有一個(gè)旁通溫度調(diào)節(jié)閥，通過(guò)檢測(cè)冷卻后溫度調(diào)節(jié)閥的閥門開(kāi)度，控制冷卻器旁通的通過(guò)量，將其設(shè)定點(diǎn)設(shè)為優(yōu)化后溫度，即可調(diào)整冷卻后溫度，保證天然氣脫水系統(tǒng)入口溫度。若天然氣冷卻器冷卻效果不佳，可通過(guò)定期清洗冷卻器盤管、調(diào)整低溫井和高溫井的產(chǎn)量等方法調(diào)節(jié)天然氣入口溫度，以滿足脫水要求。

3.1.2 貧甘醇入口溫度

吸收塔操作壓力為10 600 kPa，貧甘醇循環(huán)量1.17 m3/h，天然氣入口溫度33 ℃，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.30%，設(shè)定因變量為外輸干氣含水量，自變量為貧甘醇入口溫度，范圍為30～50 ℃，步長(zhǎng)為1 ℃，在HYSYS中運(yùn)行，貧甘醇入口溫度和外輸干氣含水量的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，隨著貧甘醇入口溫度的升高，干氣含水量將增加。但溫度從30 ℃升至50 ℃，天然氣中水質(zhì)量濃度從25.78 mg/m3升至26.11 mg/m3，僅增加約1%，說(shuō)明貧甘醇入口溫度升高對(duì)干氣含水量的影響較小。原因是塔頂貧液入口溫度升高，塔內(nèi)被甘醇吸收的水分因溫度高而蒸發(fā)出來(lái)，增大塔內(nèi)氣體含水量，但三甘醇的循環(huán)量相對(duì)于干氣的流量較小，影響較小。總體來(lái)說(shuō)，入口貧液溫度降低，干氣含水稍有下降，若溫度繼續(xù)降低，三甘醇溶液黏度增大，氣液傳質(zhì)效率降低，影響脫水效果。一般要求貧甘醇的吸收溫度比吸收塔進(jìn)氣溫度高3～8℃[7]，考慮到天然氣進(jìn)氣溫度為33 ℃，塔內(nèi)存在一定溫降，貧甘醇入口溫度優(yōu)化為40 ℃。

3.1.3 貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)

吸收塔操作壓力為10 600 kPa，貧甘醇循環(huán)量為1.17 m3/h，天然氣入口溫度為33 ℃，貧甘醇入口溫度為40 ℃，設(shè)定因變量為外輸干氣含水量，自變量為貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，范圍為98.00%～99.70%，步長(zhǎng)為0.10%，在HYSYS中運(yùn)行，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)外輸干氣含水量的影響如圖5。

由圖5可知，隨著貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，干氣水含量逐漸降低。原因是貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，降低了溶液中水含量，導(dǎo)致水分在天然氣和貧液間傳質(zhì)的推動(dòng)力增大，氣液傳質(zhì)增強(qiáng)，脫水速率變大，提升了脫水效果。

平臺(tái)三甘醇再生裝置設(shè)計(jì)可達(dá)到的貧液最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.70%，鑒于在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.30%時(shí)干氣中水質(zhì)量濃度為26 mg/m3，已滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，裝置能耗越高。所以，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化為99.30%。

3.2 三甘醇再生工藝參數(shù)模擬優(yōu)化

貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響因素可由拉馬奧特公式[8](見(jiàn)式1)得出：

(1)

式中：xw為貧甘醇中水的摩爾分?jǐn)?shù)，%；p為再沸器內(nèi)的壓力，kPa；pv為再沸器溫度下水的蒸汽壓，kPa；yw為再沸器蒸汽中水的摩爾分?jǐn)?shù)(與xw平衡)，%。

由式(1)可知，影響貧三甘醇中水的摩爾分?jǐn)?shù)的因素有3個(gè)：①在再沸器溫度下水的蒸汽壓；②再沸器內(nèi)的壓力；③再沸器蒸汽中水的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)再沸器溫度一定時(shí)，水的蒸汽壓值pv也是一定的，只能通過(guò)減少再沸器內(nèi)的壓力p和再沸器蒸汽中水的摩爾分?jǐn)?shù)yw來(lái)減小貧三甘醇中水的摩爾分?jǐn)?shù)xw，由此提高貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.2.1 再沸器溫度

再沸器溫度高于204 ℃時(shí)，三甘醇溶液的分解速率明顯增加，甚至導(dǎo)致溶液變質(zhì)[9]，故再沸器溫度一般控制在170～204 ℃，推薦溫度為193 ℃[10]。設(shè)計(jì)時(shí)常壓下再沸器內(nèi)溫度達(dá)到204 ℃時(shí)，貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到99.10%。

對(duì)再沸器進(jìn)行單獨(dú)模擬，設(shè)定因變量為貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，自變量為再沸器溫度，范圍為170～204 ℃，步長(zhǎng)為1 ℃，在HYSYS中運(yùn)行，再沸器溫度和貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)圖6，三甘醇再沸器溫度和貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量的關(guān)系見(jiàn)圖7。

由圖6和圖7可知，隨著再沸器溫度的升高，貧三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。再沸器溫度從170 ℃升至204 ℃時(shí)，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由97.67%增大到98.94%，溫度每升高1 ℃，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量從0.06%下降到0.02%，溫度的升高對(duì)貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響逐漸變小，根據(jù)SY/T 0076-2008《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》中“汽提氣對(duì)三甘醇濃度的影響”圖C.1[11]，通過(guò)汽提氣可將三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高提純到99.9%，提純空間最大達(dá)1.9%，溫度為180 ℃時(shí)，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.17%，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為99.30%，考慮到進(jìn)一步用汽提氣提純，且平臺(tái)再沸器采用電加熱方式，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)供電，天然氣進(jìn)行了二次能源轉(zhuǎn)換，利用效率低于汽提氣提純。因此，再沸器溫度優(yōu)化為180 ℃。

3.2.2 汽提氣用量

根據(jù)式(1)，當(dāng)再沸器溫度一定時(shí)，進(jìn)一步提高貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可采取如下措施：①減小再沸器內(nèi)的壓力，如采用真空泵、再沸器負(fù)壓，孫雷等對(duì)高原地區(qū)負(fù)壓對(duì)再沸器效果的研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)[12]；②減小再沸器蒸汽中水含量，如采用汽提氣。平臺(tái)所用措施為汽提氣提純。

對(duì)汽提柱進(jìn)行單獨(dú)模擬，設(shè)定因變量為汽提柱出口貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，自變量為汽提氣流量，范圍為1～70 m3/h，步長(zhǎng)為1 m3/h，在HYSYS中運(yùn)行，汽提氣流量和貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)圖8。

由圖8可知，增大汽提氣的用量可提高再生后的貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且增大效應(yīng)逐漸變緩。當(dāng)汽提氣流量從1 m3/h增加到70 m3/h，貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由98.66%增大到99.96%，增加了1.30%。汽提氣流量升高時(shí)，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸提高，當(dāng)汽提氣流量超過(guò)7 m3/h時(shí)，再生氣流量對(duì)提高再生貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響逐漸降低。另外，汽提氣用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：

(1) 精餾柱頂部溫度降低，水蒸氣冷凝回流加大，重沸器負(fù)荷增大，影響脫水效果。

(2) 汽提柱中汽提氣和三甘醇以氣、液鼓泡形式進(jìn)行傳質(zhì)，影響汽提效果。

(3) 大量汽提氣進(jìn)入緩沖罐，可能導(dǎo)致三甘醇循環(huán)泵入口有氣體，影響泵正常運(yùn)行。

因此，將汽提氣流量?jī)?yōu)化為7 m3/h，對(duì)應(yīng)的再生貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.30%。

3.2.3 回流冷凝柱旁通開(kāi)度

回流冷凝柱處設(shè)有旁通管線，可根據(jù)精餾柱頂部溫度控制開(kāi)度。精餾柱頂部溫度一般要求使用汽提氣時(shí)控制在88 ℃左右，不使用汽提氣時(shí)控制在99 ℃，不能低于93 ℃，不超過(guò)104 ℃。溫度過(guò)低，水蒸氣冷凝量過(guò)多，增大再沸器負(fù)荷，極端情況下將在柱內(nèi)產(chǎn)生液泛，甚至將三甘醇液體吹出；溫度過(guò)高，則由水汽攜帶的三甘醇增加，導(dǎo)致三甘醇蒸發(fā)損失過(guò)多。模擬計(jì)算精餾柱頂部溫度為93 ℃，平臺(tái)回流冷凝柱旁通一般保持關(guān)閉，本模擬不做優(yōu)化。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

通過(guò)模擬，在吸收塔操作壓力為10 600 kPa、貧甘醇循環(huán)量為1.17 m3/h的工況下，優(yōu)化參數(shù)如下：

天然氣入口溫度為33 ℃，貧甘醇入口溫度為40 ℃，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.30%，再沸器溫度為180 ℃，汽提氣流量為7 m3/h。

根據(jù)以上優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，200×104m3/d產(chǎn)量下的平臺(tái)濕氣處理后的干氣水露點(diǎn)為-15.7 ℃，水質(zhì)量濃度為26.1 mg/m3。實(shí)測(cè)貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干氣含水量如表1所示，干氣中水質(zhì)量濃度為20～28 mg/m3，與模擬計(jì)算結(jié)果相符合，說(shuō)明上述優(yōu)化可行。

表1 實(shí)測(cè)貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干氣中水質(zhì)量濃度Table 1 Actual lean TEG mass fraction and water mass concentration in dry gas序號(hào)w(貧甘醇)/%ρ(干氣中水)/(mg·m-3)199.3325299.2928399.3527499.5020599.4026平均值99.3725

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)HYSYS軟件模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1) 在天然氣脫水工藝中，可通過(guò)降低天然氣入口溫度、貧甘醇入口溫度、提高貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方式，降低干氣含水量。其中，貧甘醇入口溫度對(duì)干氣含水量的影響較小。

(2) 在三甘醇再生工藝中，提高再沸器溫度及汽提氣流量有助于貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高。

(3) HYSYS軟件可根據(jù)實(shí)際工況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化模擬，其模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，可在其他海上氣田推廣應(yīng)用，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。