頁巖氣三甘醇脫水裝置脫水效果評價(jià)研究

王勇 閃從新 伍坤一

中國石油西南油氣田公司集輸工程技術(shù)研究所

頁巖氣是存在于泥頁巖或高碳泥頁巖中、并且主要以吸附態(tài)或游離態(tài)存在的天然氣聚集[1]。根據(jù)美國能源情報(bào)署(EIA)的估計(jì),我國頁巖氣可采儲量高達(dá)36×1012m3[2]。然而,頁巖氣儲層具有孔隙度、滲透率極低的非常規(guī)特性,必須依靠大型水力壓裂工藝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)頁巖氣田增產(chǎn)的目的[3]。基于此,頁巖氣井開發(fā)具有生產(chǎn)初期產(chǎn)水量大、中后期產(chǎn)水量逐漸衰減至較低程度等非常規(guī)特性[4]。

頁巖氣井具有氣量變化大、液態(tài)采出水量變化大的生產(chǎn)特點(diǎn),需要設(shè)計(jì)的脫水裝置有較大的適應(yīng)性。如果脫水裝置的脫水效果不理想或難以滿足現(xiàn)場工況要求,不僅會降低集輸管道的輸送能力,增加動(dòng)力消耗,也會堵塞集輸管道,同時(shí)還會加劇CO2對管線的腐蝕。三甘醇脫水工藝是目前頁巖氣田廣泛采用的脫水方法[5-6]。因此,為保證脫水工藝能夠適應(yīng)現(xiàn)場要求,對三甘醇脫水裝置的脫水效果進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)化至關(guān)重要。

近年來,有很多學(xué)者采用模擬軟件進(jìn)行了三甘醇脫水裝置脫水效果的影響因素分析,對三甘醇脫水工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了對比優(yōu)化,同時(shí)也對三甘醇脫水裝置進(jìn)行了脫水性能評價(jià),還對三甘醇脫水裝置存在的問題及改進(jìn)措施進(jìn)行了分析,從而提出了相應(yīng)的工藝操作建議和方案[7-16]。但是目前很少有學(xué)者對頁巖氣田脫水站內(nèi)三甘醇脫水裝置的脫水效果進(jìn)行適應(yīng)性評價(jià)[17-19],并對其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

因此,基于長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣的現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況,采用HYSYS軟件模擬三甘醇脫水工藝的不同工況,定量分析三甘醇脫水裝置脫水效果的主要影響因素,然后根據(jù)脫水裝置在不同處理量下的現(xiàn)場實(shí)際考核數(shù)據(jù),并選取關(guān)鍵性能指標(biāo)對模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,從而為三甘醇脫水裝置脫水效果的評價(jià)和優(yōu)化提供借鑒。同時(shí),對頁巖氣田實(shí)際生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益的提高也有一定的意義。

1 三甘醇脫水工藝流程概述

三甘醇脫水流程可分為吸收與再生兩部分。在吸收換熱模塊,TEG吸收塔塔頂出來的干氣經(jīng)干氣/貧液換熱器與貧液換熱后,輸送至外輸裝置,在外輸裝置內(nèi)通過貿(mào)易交接計(jì)量后外輸。在TEG再生部分,TEG吸收塔塔底出來的富液進(jìn)入TEG重沸器進(jìn)行再生,TEG重沸器的富液精餾柱頂端出來的廢氣經(jīng)廢氣分液罐進(jìn)行分液后,廢氣進(jìn)入灼燒爐灼燒放空。三甘醇脫水裝置工藝流程圖見圖1。

2 三甘醇脫水流程的HYSYS模擬

2.1 狀態(tài)方程的選取及模型的建立

在采用HYSYS軟件進(jìn)行過程模擬前,合理定義HYSYS數(shù)學(xué)模型的物性包和添加模擬對象的組分是必須的,可進(jìn)行水力學(xué)特性計(jì)算、熱力學(xué)特性計(jì)算、碳?xì)浠衔镂镄杂?jì)算。采用Peng-Robinson方程作為TEG脫水的氣液平衡模型能夠表現(xiàn)出良好的收斂性和較高的精度,完全適合工程上用于計(jì)算TEG脫水所需的各項(xiàng)參數(shù)。因此,采用Peng-Robinson方程作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)天然氣三甘醇脫水實(shí)際工藝流程來建立模擬流程,如圖2所示。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用HYSYS軟件對三甘醇脫水流程進(jìn)行模擬,某裝置設(shè)計(jì)處理量300×104m3/d(20 ℃,101.325 k Pa,下同),設(shè)計(jì)操作彈性50%～120%。天然氣的氣質(zhì)條件為:在處理量為360×104m3/d的條件下,進(jìn)氣溫度(平均值)為28.6 ℃,進(jìn)氣壓力(平均值)為4.87 MPa;在處理量為300×104m3/d的條件下,進(jìn)氣溫度(平均值)為28.8 ℃,進(jìn)氣壓力(平均值)為5.03 MPa;環(huán)境溫度(平均值)為14 ℃。原料氣組成見表1,要求脫水后干氣水露點(diǎn)達(dá)到-5 ℃及以下。

3 脫水效果影響因素分析

3.1 三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫水效果的影響

當(dāng)吸收塔入口溫度一定時(shí),隨著三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,出塔后干氣的平衡露點(diǎn)顯著下降。且隨著貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,干氣露點(diǎn)降低的趨勢增大,這是因?yàn)槿蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,溶液中的水含量降低,水分在氣液兩相間傳質(zhì)的推動(dòng)力增大,有利于更好地進(jìn)行氣液傳質(zhì),增大吸收速率。影響三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因素有:閃蒸罐溫度和壓力、重沸器溫度和壓力、是否采用汽提氣等。三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著重沸器溫度的增加而增加,但是當(dāng)溫度大于204℃時(shí),三甘醇溶液分解速率明顯增加。重沸器壓力升高會降低三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。使用汽提可顯著提升三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外,飽和水蒸氣是造成三甘醇脫水性能下降的重要原因,并且當(dāng)飽和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí),三甘醇的脫水效率會急劇下降。

在360×104m3/d的處理量(工況一)下,將三甘醇循環(huán)量設(shè)定為1.06 m3/h,只改變?nèi)蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)?？疾烊蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)和出脫水裝置干氣露點(diǎn)的關(guān)系,如圖3所示。

由圖3可知,在工況一的條件下,隨著三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加,出脫水裝置干氣的露點(diǎn)也在不斷降低,并且干氣露點(diǎn)下降趨勢明顯增大。這是因?yàn)槿蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)的水含量較低,氣液兩相之間的傳質(zhì)效果顯著,水分吸收速率較高。

在300×104m3/d的處理量(工況二)下,將三甘醇循環(huán)量設(shè)定為1.16 m3/h,只改變?nèi)蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)?？疾烊蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)和出脫水裝置干氣露點(diǎn)的關(guān)系,如圖4所示。

由圖4可知,在工況二的條件下,三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對出脫水裝置干氣露點(diǎn)的影響規(guī)律與工況一相似,但是當(dāng)三甘醇循環(huán)量從1.06 m3/h增至1.16 m3/h時(shí),在不同三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的出脫水裝置干氣露點(diǎn)均有不同程度的降低,脫水效果更為顯著。

在裝置長期運(yùn)行過程中,由于三甘醇溶液的降解和雜質(zhì)的增加,以及因結(jié)垢或腐蝕等帶來的設(shè)備性能降低,均會造成溶液再生效果逐漸變差的情況,三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。因此,在生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,定期檢測三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。建議將三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在99%以上,如果低于此值,應(yīng)通過調(diào)整再生溫度和汽提氣量等參數(shù),即在確保再生溫度不超過熱降解溫度204 ℃的前提下,適當(dāng)提高重沸器溫度,在15～25 m3/h的范圍內(nèi)合理提高汽提氣量。

3.2 三甘醇循環(huán)量對脫水效果的影響

三甘醇循環(huán)量會影響脫水效果,三甘醇循環(huán)量過大不僅增大了動(dòng)力消耗,還會造成淹塔,降低塔的脫水效率。因此,將單位處理量下的三甘醇循環(huán)量納入評價(jià)指標(biāo)能夠更加詳細(xì)地反映脫水站內(nèi)脫水工藝及其裝置的經(jīng)濟(jì)性和脫水效果的優(yōu)劣。當(dāng)塔板數(shù)和三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定不變時(shí),如果三甘醇循環(huán)量增大,則干氣含水量減小,露點(diǎn)降也會隨之增大,但是當(dāng)循環(huán)量增大到一定程度后,露點(diǎn)的下降速率明顯減少。如果循環(huán)量過大,可能會增加重沸器的負(fù)荷量,動(dòng)力消耗過大。因此,循環(huán)量應(yīng)該維持在能滿足脫水效果的范圍內(nèi),既可以提高三甘醇脫水工藝效率,又可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。

在360×104m3/d的處理量下,將三甘醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為99.20%,只改變?nèi)蚀佳h(huán)量?？疾烊蚀佳h(huán)量和出脫水裝置干氣露點(diǎn)的關(guān)系,見圖5。

由圖5可知,隨著三甘醇溶液循環(huán)量的不斷增加,脫水后的干氣露點(diǎn)也會逐漸降低,但是干氣露點(diǎn)的下降速率不斷減小,這是因?yàn)檫^高的三甘醇溶液循環(huán)量會增加攜帶進(jìn)入吸收塔的液量,增大氣、液兩相之間傳質(zhì)的阻力。

在300×104m3/d的處理量下,將三甘醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為99.10%,只改變?nèi)蚀佳h(huán)量。考察三甘醇循環(huán)量和出脫水裝置干氣露點(diǎn)的關(guān)系,見圖6。

由圖6可知,在工況二條件下,三甘醇循環(huán)量對出脫水裝置干氣露點(diǎn)的影響規(guī)律與工況一相似,但是當(dāng)三甘醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從99.20%降低至99.10%時(shí),在不同三甘醇溶液循環(huán)量下的出脫水裝置干氣露點(diǎn)均有不同程度的降低,脫水效果更為顯著。

根據(jù)圖5、圖6分析可知,出脫水裝置干氣露點(diǎn)隨著三甘醇循環(huán)量的增加而降低。但是增加三甘醇循環(huán)量所引起的水露點(diǎn)下降并不明顯,反而增加了動(dòng)力負(fù)荷,提高了運(yùn)營成本。過大的三甘醇循環(huán)量甚至?xí)斐裳退?從而降低塔板效率,導(dǎo)致天然氣水露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)。在單位體積溶液可吸收的水分(量)不變的情況下,過低的三甘醇循環(huán)量會打破吸收塔的平衡態(tài),氣速過快或停留時(shí)間過短,意味著總的脫水量降低,從而致使吸收塔出口的天然氣含水量升高。在第二工況下,流量較小,壓力較高,原料氣總的含水量降低,從而導(dǎo)致露點(diǎn)溫度降低過多,增加能耗。因此,可以考慮適當(dāng)降低再生溫度,或合理降低三甘醇循環(huán)量。

4 現(xiàn)場實(shí)際考核數(shù)據(jù)分析

4.1 考核項(xiàng)目及指標(biāo)

某脫水裝置投產(chǎn)至今運(yùn)行平穩(wěn),目前裝置單套處理量300×104m3/d,具備考核條件。為保證新建脫水裝置在設(shè)計(jì)操作范圍之內(nèi),確定脫水裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)的300×104m3/d(單套)處理能力,將在100%和120%兩個(gè)負(fù)荷條件下進(jìn)行性能考核,考核脫水裝置在100%滿負(fù)荷條件下是否達(dá)到設(shè)計(jì)處理能力,以及在設(shè)計(jì)負(fù)荷120%的上限條件下是否能夠正常生產(chǎn),即300×104m3/d脫水裝置(單套)在300×104m3/d和360×104m3/d兩種工況下進(jìn)行性能考核。

通過對新建脫水裝置的考核,以明確裝置最大實(shí)際處理能力,發(fā)現(xiàn)裝置存在的主要問題和瓶頸,指導(dǎo)生產(chǎn)操作,調(diào)整和優(yōu)化工藝操作參數(shù)。因此,需要開展此次考核工作。某脫水裝置的性能考核項(xiàng)目及指標(biāo)見表2。

表2 某脫水裝置性能考核項(xiàng)目及指標(biāo)

4.2 不同處理量下脫水裝置的考核指標(biāo)情況

4.2.1360×104m3/d脫水裝置考核結(jié)果

360×104m3/d脫水裝置的現(xiàn)場考核時(shí)間為3天。在裝置性能考核期間,裝置日均處理量分別為358.3×104m3/d、360.6×104m3/d和354.8×104m3/d,原料氣日均壓力分別為4.81 MPa、4.86 MPa和4.94 MPa,原料氣日均溫度分別為29.1 ℃、28.6 ℃和28 ℃,日均TEG貧液循環(huán)量分別為1.06 m3/h、1.17 m3/h和1.16 m3/h,環(huán)境溫度14℃(平均值),主要工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

由表3可知,考核期間360×104m3/d脫水裝置的產(chǎn)品氣水露點(diǎn)均低于-5℃,均在考核要求范圍之內(nèi),達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。360×104m3/d脫水裝置貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均大于99%,達(dá)到設(shè)計(jì)和考核指標(biāo)。

表3 360×104 m3/d脫水裝置考核期間的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)及考核指標(biāo)

表4 300×104 m3/d脫水裝置考核期間的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)及考核指標(biāo)

4.2.2300×104m3/d脫水裝置考核結(jié)果

300×104m3/d脫水裝置的現(xiàn)場考核時(shí)間為3天。在性能考核期間,裝置日均處理量分別為304×104m3/d、296×104m3/d和306×104m3/d,原料氣日均壓力為5.05 MPa、5.08 MPa和4.95 MPa,原料氣日均溫度分別為28.5 ℃、29.4 ℃和28.4 ℃,日均TEG貧液循環(huán)量分別為1.17 m3/h、1.16 m3/h和1.18 m3/h,環(huán)境溫度14 ℃(平均值),主要工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

由表4可知,考核期間300×104m3/d脫水裝置的產(chǎn)品氣水露點(diǎn)均遠(yuǎn)低于-5 ℃,在考核要求范圍之內(nèi),達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值大于99%,達(dá)到設(shè)計(jì)和考核指標(biāo)。

4.3 考核結(jié)果分析

在目前氣質(zhì)條件下,某脫水站內(nèi)300×104m3/d脫水裝置的原料氣處理量在296×104～360.6×104m3/d的范圍內(nèi),裝置產(chǎn)品氣水露點(diǎn)、三甘醇貧液質(zhì)量均合格,脫水裝置操作平穩(wěn)。

通過HYSYS模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際考核數(shù)據(jù)對比分析可知,兩者之間誤差較小,可以相互驗(yàn)證,從而證實(shí)了軟件模擬方法的可靠性及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)隨著三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,干氣水露點(diǎn)降低的趨勢增大,這是因?yàn)槿蚀钾氁嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,溶液中的水含量降低,水分在氣液兩相間傳質(zhì)的推動(dòng)力增大,有利于更好地進(jìn)行氣液傳質(zhì),增大吸收速率。

(2)由于技術(shù)和實(shí)際條件的約束,在一段時(shí)間后,三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。因此,在生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況定期檢測三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(3)出脫水裝置干氣露點(diǎn)隨著三甘醇循環(huán)量的增加而降低,但當(dāng)三甘醇循環(huán)量超過一定限度后,增加三甘醇循環(huán)量所引起的水露點(diǎn)下降并不明顯,反而增加了動(dòng)力負(fù)荷,并提高了運(yùn)營成本。

(4)某脫水站內(nèi)脫水裝置處理量為296×104～360×104m3/d,壓力為4.55～5.0 MPa,采用干氣水露點(diǎn)、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TEG循環(huán)量等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行考核。結(jié)果表明,考核指標(biāo)合格,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(5)現(xiàn)場實(shí)際考核數(shù)據(jù)與HYSYS模擬結(jié)果相吻合,從而證實(shí)了軟件模擬方法及其結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)也印證了采用干氣水露點(diǎn)、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TEG循環(huán)量等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行考核的方法具有較高的可靠性。

5.2 建議

(1)建議定期檢測三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù),保持三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上,如果低于此值,應(yīng)以調(diào)整再生溫度和汽提氣量等參數(shù)為主,以補(bǔ)充新的三甘醇貧液為輔,即在確保再生溫度不超過熱降解溫度204 ℃的前提下,適當(dāng)提高重沸器溫度并在15～25 m3/h的范圍內(nèi)合理提高汽提氣量;在第二工況下,流量較小,壓力較高,原料氣中總含水量降低,從而導(dǎo)致露點(diǎn)溫度降低過多,浪費(fèi)能耗,可以考慮適當(dāng)降低再生溫度,或合理降低三甘醇循環(huán)量。

(2)在現(xiàn)場實(shí)際考核期間,當(dāng)貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于99%時(shí),水露點(diǎn)接近-20 ℃,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值-5 ℃;建議在保證產(chǎn)品氣水露點(diǎn)達(dá)標(biāo)的前提下開啟循環(huán)泵旁路閥門,適當(dāng)調(diào)整三甘醇貧液的總循環(huán)量,從而降低重沸器燃料氣耗量,并降低能耗。

(3)在開啟汽提氣后,三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到99%以上;建議在日常生產(chǎn)中加強(qiáng)對三甘醇貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的監(jiān)控,當(dāng)需要提高貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),開啟汽提氣以保證三甘醇貧液的再生質(zhì)量。