某海洋氣田中心平臺(tái)三甘醇脫水系統(tǒng)模擬研究

李天斌

中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司

某海洋氣田中心平臺(tái)為8腿中心處理平臺(tái)，共有4層甲板，分別是直升機(jī)甲板、上層甲板、中層甲板和下層甲板。設(shè)置模塊鉆機(jī)、120人生活樓、主電站、氣液分離及油水外輸系統(tǒng)、濕氣壓縮及三甘醇(TEG)脫水系統(tǒng)、烴露點(diǎn)控制及干氣外輸系統(tǒng)等。海洋平臺(tái)與陸地裝置相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，各工藝單元均按撬裝模式設(shè)計(jì)，布局更緊湊，分別布置在不同層高的甲板上。

井口氣在平臺(tái)上經(jīng)脫水和脫烴，滿足供氣要求的干氣通過海底管道輸送至香港。天然氣在輸送過程中，液態(tài)水的存在會(huì)加速天然氣中酸性組分CO2對(duì)鋼材的腐蝕，還會(huì)形成固態(tài)天然氣水合物，堵塞管道和設(shè)備。同時(shí)，液態(tài)水聚集在低洼處，也會(huì)減小管道的流通截面。天然氣中的飽和水會(huì)因壓力及管輸溫度的變化而凝結(jié)成液態(tài)水。因此，天然氣在進(jìn)入管輸系統(tǒng)之前，需要脫除天然氣中的飽和水[1-4]，本裝置采用TEG脫水的方案。

對(duì)于TEG脫水與再生系統(tǒng)，TEG循環(huán)量和再沸器操作溫度對(duì)再沸器電加熱器能耗有直接影響，汽提氣用量也影響到生產(chǎn)裝置的運(yùn)營(yíng)成本。因此，確定TEG循環(huán)量、再沸器操作溫度以及汽提氣量，不僅可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作起到指導(dǎo)作用，而且可以達(dá)到節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。本研究使用Aspen HYSYS軟件對(duì)TEG脫水及再生系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化工藝參數(shù)，確定各變量之間的相互關(guān)系，從而找到最佳操作點(diǎn)。

1 TEG脫水系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

天然氣處理量(15.6 ℃，101.325 kPa，下同)、操作條件及技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 操作條件及干氣水含量Table 1 Operation conditions and dry gas water content天然氣處理量/(m3·d-1)操作溫度/℃操作壓力(G)/kPa干氣中水質(zhì)量濃度(35 ℃,8940 kPa)/(mg·m-3)175×10435.0900030

天然氣的組分含量見表2。

表2 天然氣組分Table 2 Natural gas composition組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)N20.007 789i-C40.007 390CO20.084 182n-C40.006 491H2O0.001 004i-C50.001 797C10.751 144n-C50.000 899C20.101 258n-C60.003 994C30.034 052

1.2 工藝流程描述

三甘醇脫水工藝流程如圖1所示[5]。

溫度為35 ℃、壓力(G)為9000 kPa的濕氣在入口分離器中除去固體顆粒、游離水和液烴，以避免由于甘醇發(fā)泡而造成的溶液損失及塔效率降低，然后從吸收塔底部進(jìn)入，與從塔頂進(jìn)入吸收塔的40 ℃貧TEG逆流接觸，通過物理吸附去除氣體中的水。離開塔頂?shù)臍怏w進(jìn)入貧TEG/干氣換熱器，以冷卻進(jìn)入塔頂?shù)呢歍EG，隨后，滿足水露點(diǎn)要求的干氣輸送至下游。

吸收塔塔底的富TEG通過再生系統(tǒng)脫除吸收的水：富TEG先后在再生塔塔頂?shù)膿Q熱盤管、冷貧/富TEG換熱器中預(yù)熱后，進(jìn)入閃蒸罐，使溶解氣、TEG及液烴三相閃蒸分離，分離出的三甘醇在顆粒過濾器和活性炭過濾器內(nèi)去除雜質(zhì)及有機(jī)物，然后與貧/富TEG換熱器換熱到170 ℃，進(jìn)入三甘醇再生塔。三甘醇再沸器溫度設(shè)定為200 ℃，脫除富甘醇中的水，然后在汽提塔內(nèi)與汽提氣逆流接觸，進(jìn)一步提高三甘醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，達(dá)到合格后，陸續(xù)和貧/富TEG換熱器、冷貧/富TEG換熱器換熱到90 ℃后進(jìn)入緩沖罐，并用貧TEG增壓泵輸送到脫水塔循環(huán)使用。

2 TEG脫水系統(tǒng)模擬及分析

現(xiàn)以第1章中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工藝流程描述為基礎(chǔ)，使用Aspen HYSYS軟件搭建三甘醇脫水及再生系統(tǒng)模型，工藝模擬流程如圖2所示。

本次模擬計(jì)算關(guān)鍵初始值確定：吸收塔理論塔板數(shù)為3，貧TEG進(jìn)入吸收塔的溫度為40 ℃；富甘醇精餾塔為2塊塔板，再沸器溫度為200 ℃，操作壓力為20 kPa；汽提塔塔板數(shù)為1，汽提氣量為25 m3/h。

對(duì)TEG脫水工藝，降低干氣含水量常用的方法有：增加三甘醇循環(huán)量、提高貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)等；貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于再沸器溫度、汽提氣量等因素。使用Aspen HYSYS軟件對(duì)貧TEG循環(huán)量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、再沸器溫度及汽提氣用量進(jìn)行計(jì)算，分析各自對(duì)TEG脫水效果的影響，最終確定TEG循環(huán)量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、汽提氣用量、再沸器溫度，以期指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.1 三甘醇循環(huán)量的影響

經(jīng)計(jì)算，上述條件下，飽和天然氣中水流量為57.5 kg/h，根據(jù)SY/T 0602-2005《甘醇型天然氣脫水裝置規(guī)范》及工程經(jīng)驗(yàn)，脫除1 kg水需要17～25 L甘醇[6-7]；當(dāng)脫除1 kg水所用的甘醇量超過40 kg時(shí)[8]，對(duì)干氣水含量的影響已經(jīng)很小。保持汽提氣流量為25 m3/h，分別計(jì)算TEG循環(huán)量在1000～1800 kg/h變化時(shí)，貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干氣含水量及電加熱器熱負(fù)荷的變化，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知：當(dāng)貧TEG循環(huán)量小于1750 kg/h時(shí)，隨著貧TEG循環(huán)量的增加，干氣含水量急劇減小，貧TEG循環(huán)量對(duì)干氣含水量的影響較為明顯；當(dāng)貧TEG循環(huán)量超過1750 kg/h時(shí)，干氣含水量基本不隨貧TEG循環(huán)量的增加而發(fā)生變化。

由圖4可知：保持汽提氣流量不變，隨著TEG循環(huán)量的增加，再生貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微減小，但變化不大；再沸器電加熱器功率呈線性增長(zhǎng)，運(yùn)行成本將增加。

2.2 再沸器溫度的影響

保持甘醇循環(huán)量為1750 kg/h，逐漸調(diào)整再沸器溫度，將其從180 ℃升至204 ℃，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)干氣含水量和再生貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，隨著再沸器溫度的升高，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸增大，干氣含水量也會(huì)明顯降低。受TEG物理性質(zhì)的影響，當(dāng)TEG溫度超過204 ℃時(shí)，三甘醇溶液分解速率明顯增加，故再沸器溫度范圍為177～204 ℃[9-11]，一般設(shè)定為200 ℃，如果再沸器溫度升高至204 ℃，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然不能滿足脫水要求，就需要調(diào)節(jié)汽提氣量。

2.3 汽提氣的影響

TEG再生系統(tǒng)在沒有汽提氣的情況下，再生貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大可達(dá)到98.75%，通過調(diào)整汽提氣流量，再生貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大可達(dá)到99.96%[8]。為提高貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通常會(huì)使用汽提氣，常用氮?dú)饣蛉剂蠚庾銎釟?，其用量通常?5～25 m3/m3TEG[12-13]。本項(xiàng)目基本流程為燃料氣先在再沸器內(nèi)預(yù)熱后進(jìn)入汽提塔底部，與來自再沸器的甘醇在汽提塔內(nèi)逆流接觸?，F(xiàn)計(jì)算汽提氣流量在0～40 m3/h范圍內(nèi)變化時(shí)，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干氣含水的變化情況(重沸器溫度200 ℃)，結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，隨著汽提氣流量的增加，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，但增大的速度越來越慢，當(dāng)汽提氣流量達(dá)到25 m3/h并繼續(xù)增大時(shí)，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)將不會(huì)有明顯的變化；而隨著汽提氣流量的增加，干氣中含水量急劇減小，當(dāng)汽提氣流量超過25 m3/h后，干氣中水含量減小的趨勢(shì)逐漸減弱。即對(duì)于本裝置而言，當(dāng)重沸器溫度不能再升高時(shí)，調(diào)節(jié)汽提氣流量是調(diào)節(jié)貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及產(chǎn)品氣中水含量的主要手段。

保持甘醇循環(huán)量為1750 kg/h，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)再沸器在不同溫度下，要使貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.6%，汽提氣流量的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，保持貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，提高再沸器溫度，所使用的汽提氣流量逐漸減少，脫水效果也越來越好。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)綜合考慮再沸器負(fù)荷與汽提氣流量的經(jīng)濟(jì)成本。

2.4 數(shù)據(jù)對(duì)比

將上述模擬計(jì)算得到的關(guān)鍵工藝參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總于表3。由表3可以看出，模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合，模擬計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

表3 模擬數(shù)據(jù)與工廠數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 3 Comparison of simulation and factory process parameters項(xiàng)目天然氣處理量/(m3·d-1)吸收塔操作壓力(G)/kPa吸收塔操作溫度/℃再沸器操作壓力(G)/kPa再沸器操作溫度/℃甘醇泵流量/(m3·h-1)再沸器電加熱器功率/kW貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%干氣中ρ(水)/(mg·m-3)模擬數(shù)據(jù)175900035202001.677.0299.6122.05①工廠數(shù)據(jù)175900035202001.678.0099.5821.55② 注:①36.24 ℃,表壓8940 kPa;②36.24 ℃,表壓8960 kPa。

3 結(jié)論

(1)三甘醇循環(huán)量直接影響三甘醇脫水裝置的脫水效果，可以按每1 kg 水30 L 甘醇的比例確定脫水系統(tǒng)所需要的甘醇量，如果繼續(xù)增加其循環(huán)量，電加熱器功率會(huì)呈直線升高，從而增加操作費(fèi)用。

(2)通過升高再沸器溫度，可以增大貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，理論而言，再沸器溫度越高越好，但考慮到甘醇在高溫下會(huì)發(fā)生降解，當(dāng)TEG溫度超過204 ℃時(shí)，三甘醇溶液分解速率明顯增加，一般設(shè)定再沸器的操作溫度為200 ℃。

(3)通過增加汽提氣用量，可使貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，但達(dá)到一定的用量后，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干氣含水量均不再發(fā)生明顯變化，反而會(huì)增加汽提塔及再生塔的氣相負(fù)荷，甚至發(fā)生液泛。

(4)甘醇循環(huán)量、再沸器溫度及汽提氣量對(duì)脫水效果均有明顯的影響，同時(shí)，它們也是相互影響的，生產(chǎn)過程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況摸索出最佳操作點(diǎn)，不僅可以滿足生產(chǎn)指標(biāo)，還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(5)Aspen HYSYS軟件具有豐富的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及專用熱力學(xué)方程，其計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確模擬三甘醇脫水工藝。通過實(shí)際生產(chǎn)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，軟件計(jì)算準(zhǔn)確，對(duì)工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)操作具有指導(dǎo)作用。