基于敏感性分析的三甘醇脫水系統(tǒng)調節(jié)方法研究

馬晨波 劉向東 鄭海敏 武旭 張超

1.中海油研究總院有限責任公司 2.莫斯科國立大學

天然氣脫水是油氣集輸工藝中的重要環(huán)節(jié)，通過脫水處理可以降低管道中水合物堵塞的風險，同時可減緩天然氣中酸性組分對管材和設備的腐蝕速度。三甘醇(Triethylene glycol，TEG)吸收是常用的天然氣脫水方法，具有能耗低、占地面積小、操作便捷等特點[1-8]。近年來，針對TEG系統(tǒng)的脫水效果和參數優(yōu)化已開展了較為系統(tǒng)的研究。Mohamadbeigy[9]研究了甘醇循環(huán)量、汽提氣量和吸收塔塔板數對含水率的影響。Ghiasi等[10]采用MLP神經網絡和LSSVM算法計算預測了TEG脫水系統(tǒng)的最優(yōu)汽提氣循環(huán)量。Rahimpour等[11]通過調整三甘醇脫水系統(tǒng)壓力、貧甘醇濃度和甘醇注入位置等方式大幅降低了產品氣的水露點。王飛等[12]通過對比天然氣入口溫度、貧甘醇入口溫度、再沸器溫度等參數對外輸干氣含水量的影響得到了最優(yōu)操作參數。李天斌[13]對貧TEG循環(huán)量及其質量分數、再沸器溫度和汽提氣流量進行模擬優(yōu)化，得到最佳運行參數并將其應用于生產操作。Darwish等[14]采用人工神經網絡分析了操作壓力、濕氣量、汽提氣量波動對脫水系統(tǒng)的影響。

綜上，目前對于TEG脫水系統(tǒng)的優(yōu)化研究主要側重于各操作參數對天然氣脫水效果的影響趨勢。雖然依據各變量對產品氣中水含量的影響趨勢可以提升TEG系統(tǒng)的處理效果，但由于不同的操作參數對于TEG系統(tǒng)脫水效果的影響程度不同，所調節(jié)參數可能不是影響脫水效果的最敏感參數。此外，目前的研究重點關注調節(jié)結果，而忽略了TEG系統(tǒng)的調節(jié)過程，在實際操作中仍存在一定的盲目性。鑒于此，以國內某海上平臺正在運行的TEG脫水系統(tǒng)為對象，通過HYSYS軟件建立了符合現場運行狀況的模型，模擬得到貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量對產品氣中水含量的影響；在此基礎上，通過計算各操作參數對產品氣中水含量的相對敏感度，明確了影響產品氣中水含量的最敏感參數，提出了一種TEG系統(tǒng)的調節(jié)方法，以期為其他油氣田TEG系統(tǒng)的優(yōu)化調節(jié)提供參考。

1 TEG脫水系統(tǒng)模型的建立

1.1 TEG脫水系統(tǒng)工藝流程

TEG脫水系統(tǒng)入口氣來自上游壓縮機系統(tǒng)，入口濕氣(40 ℃、7 200 kPa)經過入口過濾分離器去除固體顆粒、游離水等后進入吸收塔底部，與來自塔頂溫度為45 ℃的貧TEG接觸，通過吸附作用脫除天然氣中的水。處理后的干氣離開吸收塔塔頂，經貧TEG/干氣換熱器后輸送至海管入口。

吸收水后的富TEG從吸收塔塔底流向再生塔，經換熱后進入閃蒸罐進行氣液分離。隨后富TEG過濾掉雜質和有機物，換熱至165 ℃進入TEG再生塔(195 ℃)。汽提氣經過再沸器預熱后進入汽提塔，與來自再沸器的TEG接觸。再生的貧TEG溶液增壓送至吸收塔頂部。TEG脫水系統(tǒng)工藝流程見圖1。

1.2 基礎數據

TEG脫水系統(tǒng)設計處理能力為5×104m3/h，目前，實際天然氣處理量為4.17×104m3/h，汽提塔的汽提氣(氮氣)實際運行流量為20 m3/h，根據用戶需求，脫水后天然氣中水質量濃度應低于13.5 mg/m3。吸收塔入口濕氣組分見表1。

表1 入口濕氣組分摩爾比例組分摩爾分數/%組分摩爾分數/%CO22.4n-C42.2N20.8i-C50.3C178.5n-C50.3C27.4n-C60.1C37.1H2O0.1i-C40.8

1.3 TEG脫水系統(tǒng)HYSYS模型

根據TEG脫水系統(tǒng)的工藝流程圖(process flow diagram，簡稱PFD)，采用HYSYS軟件建立了模型，如圖2所示。根據現場運行情況，在模型中輸入各設備的操作壓力、溫度等操作參數，計算得到再沸器加熱功率、貧TEG質量分數和產品氣中水含量，與現場數據的對比結果見表2。

由表2可知，HYSYS模擬得到的再沸器加熱功率、貧TEG質量分數和干氣中水質量濃度與現場運行數據接近，說明HYSYS所建模型可靠。

表2 模型計算結果與現場運行數據對比項目貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)再沸器加熱功率/kW貧TEG質量分數/%干氣中水質量濃度/(mg·m-3)HYSYS結果722.046.2399.6113.12現場數據722.046.28 99.5913.31

2 敏感性分析方法

敏感性分析是描述自變量對因變量影響程度的有效手段，通過敏感性分析，可得到各自變量的敏感程度和潛在關系[15-16]。如果一個因變量同時對應多個自變量，由于各自變量的變化范圍、變化幅度不同，應使用相對敏感度進行分析[16]。天然氣TEG脫水工藝常見的調節(jié)方法有：改變入口濕氣溫度、改變三甘醇循環(huán)量、改變貧甘醇質量分數等；其中，貧甘醇質量分數取決于再沸器溫度和汽提氣量等因素[11,13]。以TEG系統(tǒng)脫水后產品氣中水含量作為因變量，通過分析貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量4個自變量的相對敏感度，明確了其對TEG脫水效果的影響程度。無量綱相對敏感度計算公式見式(1)。

(1)

3 TEG脫水系統(tǒng)模擬分析及調節(jié)方法

HYSYS模型的基本信息如下：①吸收塔理論塔板數為4，操作壓力為7 200 kPa，入口濕氣溫度為40 ℃，貧TEG進入吸收塔溫度為45 ℃；②再生塔理論塔板數為3塊，再沸器溫度為195 ℃，操作壓力為20 kPa；③汽提塔理論塔板數為2，汽提氣量為20 m3/h。以下系統(tǒng)分析了貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量對產品氣中水含量的影響。

3.1 貧TEG循環(huán)量的影響

采用單一變量法，保持吸收塔入口濕氣溫度40 ℃、再沸器溫度195 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算了貧TEG循環(huán)量變化對TEG系統(tǒng)脫水后產品氣中水含量的影響，計算步長為23 kg/h，結果見圖3。

由圖3可知，當貧TEG循環(huán)量低于1 000 kg/h時，處理后產品氣中水含量隨著TEG循環(huán)量的增大逐漸降低，且呈現出先快后慢的下降趨勢。當貧TEG循環(huán)量為67.7 kg/h時，經過TEG系統(tǒng)處理后，產品氣中水質量濃度高達463.4 mg/m3。當貧TEG循環(huán)量增至722.0 kg/h時，脫水后產品氣中水質量濃度可降至13.1 mg/m3。隨著貧TEG循環(huán)量進一步升高，當循環(huán)量為902.4 kg/h時，產品氣中水質量濃度僅為10.9 mg/m3。

為了進一步分析貧TEG循環(huán)量對產品氣中水含量的影響，采用式(1)計算得到貧TEG循環(huán)量的相對敏感度。圖3數據點的數值微分可采用四階的牛頓插值多項式進行計算[17]，如式(2)所示。

(2)

采用式(2)計算得到各點的數值微分值，然后將結果代入式(1)中，可得到貧TEG循環(huán)量的相對敏感度，計算過程示例見表3。其中，yi是產品氣中水含量，xi是貧TEG循環(huán)量。

在整個貧TEG循環(huán)量范圍內，相對敏感度均為負值，這是因為隨著貧TEG循環(huán)量的增大，脫水后產品氣中水含量逐漸降低(圖3)。自變量對因變量的影響取決于相對敏感度的絕對值大小。對貧TEG循環(huán)量而言，相對敏感度絕對值越大，說明其對產品氣中水含量的影響越大，不同貧TEG循環(huán)量下的相對敏感度絕對值見圖4。由圖4可知，當貧TEG循環(huán)量低于496 kg/h時，相對敏感度絕對值隨著貧TEG循環(huán)量的增大而增大。當貧TEG循環(huán)量為496 kg/h時，相對敏感度絕對值達到最大值2.41，說明該貧TEG循環(huán)量對產品氣中水含量的影響最大。隨著貧TEG循環(huán)量的進一步升高，相對敏感度絕對值隨著TEG循環(huán)量的增大而減小。當貧TEG循環(huán)量增大至900 kg/h以上時，相對敏感度絕對值接近于0，說明此時貧TEG循環(huán)量對產品氣中水含量的影響很小。

表3 相對敏感參數計算示例貧TEG循環(huán)量xi/(kg·h-1)產品氣含水量yi/(mg·m-3)Δyi/(mg·m-3)Δ2yi/(mg·m-3)Δ3yi/(mg·m-3)Δ4yi/(mg·m-3)Syx67.68463.38-75.4113.29-2.220.04-0.54 90.25387.97-62.1211.07-2.180.65-0.71112.81325.85-51.058.89-1.53……135.37274.80-42.167.37…157.93232.64-34.79…180.49197.85…… 注:Δnyi=Δn-1yi+1-Δn-1yi。

3.2 入口濕氣溫度的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、再沸器溫度195 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算了吸收塔入口濕氣溫度的變化對產品氣中水含量的影響，計算步長為0.5 ℃，結果如圖5(a)所示。根據SY/T 0076-2008《天然氣脫水設計規(guī)范》，吸收塔入口濕氣溫度不宜高于48 ℃[18]。海上平臺常采用海水作為冷卻介質，受限于環(huán)境溫度，天然氣溫度一般不低于30 ℃。采用3.1節(jié)的方法，得到了入口濕氣溫度對脫水后產品氣中水含量的相對敏感度絕對值，結果如圖5(b)所示。

由圖5(a)可知，在30～48 ℃的溫度范圍內，脫水后產品氣中水含量隨入口濕氣溫度的升高而增大，且增長速率越來越快。當入口濕氣溫度為30 ℃時，脫水后產品氣中水質量濃度僅為3.3 mg/m3，當入口濕氣溫度達到40 ℃時，處理后產品氣中水質量濃度為13.1 mg/m3，接近入口濕氣為30 ℃時產品氣中水質量濃度的4倍。當入口濕氣溫度增至48 ℃時，經TEG系統(tǒng)脫水后產品氣中水質量濃度可高達40.2 mg/m3。

由于產品氣中水含量隨入口濕氣溫度的升高而增大，整個溫度區(qū)間內相對敏感度始終大于0，各入口濕氣溫度下的相對敏感度與相對敏感度絕對值相等。由圖5(b)可知，隨著入口濕氣溫度的升高，相對敏感度絕對值逐漸增大，入口濕氣溫度從30 ℃升至48 ℃，相對敏感度絕對值由3.68增至6.52。由此說明，在其他操作參數維持不變的前提下，當入口濕氣溫度較高時，溫度對產品氣中水含量的影響更大。

3.3 再沸器溫度的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、入口濕氣溫度40 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算得到不同再沸器溫度下產品氣中水含量，計算步長為0.5 ℃，結果如圖6(a)所示。根據SY/T 0076-2008《天然氣脫水設計規(guī)范》和已有研究成果[18-20]，再沸器溫度不應高于204 ℃，避免三甘醇溶液的快速分解。再沸器溫度通?？刂圃?70～204 ℃[12]。采用3.1節(jié)的方法，計算了再沸器溫度對脫水后天然氣中水含量的相對敏感度絕對值，結果如圖6(b)所示。

由圖6(a)可知，隨著再沸器溫度的升高，脫水后產品氣中水含量逐漸降低。當再沸器溫度為170 ℃時，脫水后產品氣中水質量濃度為31.0 mg/m3。當再沸器溫度升至204 ℃時，脫水后天然氣中水質量濃度可降至11.2 mg/m3，比再沸器溫度為170 ℃時產品氣中水質量濃度下降了63.9%。

由圖6(b)可知，相對敏感度絕對值隨著再沸器溫度的升高而降低，當再沸器溫度由170 ℃升至204 ℃時，相對敏感度絕對值由7.29降至2.81，說明較低的再沸器溫度對產品氣中水含量的影響更大。

3.4 汽提氣量的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、入口濕氣溫度40 ℃和再沸器溫度195 ℃不變，計算得到汽提氣量對產品氣中水含量的影響，計算步長為0.5 m3/h，結果如圖7(a)所示。TEG系統(tǒng)汽提氣可采用燃料氣或氮氣，本平臺采用氮氣?？紤]平臺現有制氮系統(tǒng)規(guī)模和常用的汽提氣量[21]，本研究計算汽提氣量范圍為0～50 m3/h。采用3.1節(jié)的方法，得到不同汽提氣量下的相對敏感度絕對值，結果如圖7(b)所示。

由圖7(a)可知，隨著汽提氣量的增大，脫水后產品氣中水含量逐漸降低。當汽提氣量為0 m3/h時，脫水后產品氣中水質量濃度為88.8 mg/m3。當汽提氣量增至20 m3/h時，產品氣中水質量濃度可降至13.1 mg/m3，比無汽提氣時下降了85.2%。汽提氣量進一步提升至50 m3/h時，產品氣中水質量濃度僅為9.73 mg/m3。

由圖7(b)可知，隨著汽提氣量的增大，相對敏感度絕對值經歷了先升高后降低的變化趨勢。當汽提氣量為13.5 m3/h時，相對敏感度絕對值達到最大值0.918；相比其他汽提氣量，此時汽提氣量對產品氣中水含量的影響更大。

3.5 TEG脫水系統(tǒng)的調節(jié)方法

增大貧TEG循環(huán)量、降低入口濕氣溫度、提高再沸器溫度或提升汽提氣用量均有助于降低產品氣中水含量，但不同操作參數對產品氣中水含量的影響程度不一。相對敏感度的正負代表因變量隨自變量的變化趨勢，其絕對值反映了自變量對因變量的影響程度。通過分析各工作點(即當前操作參數)的相對敏感度絕對值大小，可確定對應工況點的最敏感操作參數，從而為TEG脫水系統(tǒng)提供一種調節(jié)方法，見圖8。

通過計算不同工作點各操作參數的相對敏感度，按照調節(jié)最敏感操作參數的原則，逐步調節(jié)TEG脫水系統(tǒng)，直至滿足脫水要求。本研究以該平臺TEG脫水系統(tǒng)的運行現狀作為初始工作點，對調節(jié)步驟進行了詳細闡述。

表4 TEG調節(jié)步驟計算結果工作點貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)入口濕氣溫度/℃再沸器溫度/℃汽提氣量/(m3·h-1)無量綱相對敏感度絕對值|Syx|貧TEG循環(huán)量入口濕氣溫度再沸器溫度汽提氣量產品氣中水質量濃度/(mg·m-3)0722.040195201.545.814.310.77213.121722.039195201.405.604.780.85011.372722.038195201.245.405.200.9309.863722.037195201.105.235.710.9868.544722.037196201.205.325.510.9888.30

開始時，TEG脫水系統(tǒng)入口濕氣溫度為40 ℃，TEG循環(huán)量為722.0 kg/h，再沸器溫度為195 ℃，汽提氣量為20 m3/h，產品氣中水質量濃度為13.1 mg/m3。假定目前的脫水效果不能滿足用戶需求，需進一步將產品氣中水質量濃度降至8.5 mg/m3以下。

根據3.1～3.4節(jié)，可得到初始工作點(序號0)各操作參數的相對敏感度絕對值，如表4所列。

對于工作點0而言，入口濕氣溫度的相對敏感度絕對值最大，說明在此條件下該參數對于產品氣中水含量的影響最大，故降低入口濕氣溫度為最優(yōu)選擇。當入口濕氣溫度降至38 ℃時(工作點2)，產品氣中水質量濃度為9.86 mg/m3，比要求的水質量濃度高1.36 mg/m3；此時，入口濕氣溫度的相對敏感度絕對值仍然最大，因此，繼續(xù)降低入口濕氣溫度。當入口濕氣溫度為37 ℃時，產品氣中水含量仍高于要求指標，但在工作點3處，再沸器溫度的相對敏感度絕對值最大，此時，應通過提升再沸器溫度來提升脫水效果。當再沸器溫度升至196 ℃時，產品氣中水質量濃度為8.30 mg/m3，滿足要求，至此，整個調節(jié)過程結束。由此可知，為了將TEG系統(tǒng)脫水效果進一步提升至要求的指標，整個調試過程為：先將TEG系統(tǒng)入口濕氣溫度由40 ℃降至37 ℃，然后在此基礎上，將再沸器溫度由195 ℃升至196 ℃。

將上述模擬調試過程應用于現場，得到的產品氣中水含量見表5。從表5可以看出，現場調試結果與模擬結果接近，說明該調節(jié)方法可用于指導現場實際生產。

表5 TEG調試模擬結果與現場數據對比工作點貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)入口濕氣溫度/℃再沸器溫度/℃汽提氣量/(m3·h-1)產品氣中水質量濃度/(mg·m-3)模擬結果現場數據0722.0401952013.1213.311722.037195208.548.702722.037196208.308.44

4 結論

使用HYSYS軟件建立了符合現場運行狀況的TEG脫水系統(tǒng)模型，通過模擬得到了不同操作參數對產品氣中水含量的影響。在此基礎上，分析了各操作參數的無量綱相對敏感度，據此提出了一種TEG脫水系統(tǒng)調節(jié)方法。

(1) 在TEG脫水系統(tǒng)運行現狀下，模擬分析操作參數發(fā)現：TEG循環(huán)量和汽提氣量對產品氣中水含量的相對敏感度存在峰值，隨著操作參數的增大，相對敏感度呈現先降低后升高的變化趨勢；而入口濕氣溫度和再沸器溫度的相對敏感度隨著操作參數的變化呈現單調變化的規(guī)律。

(2) 提出了一種TEG脫水系統(tǒng)的調節(jié)方法。通過對比各工作點操作參數的相對敏感度絕對值，確定了該條件下的最敏感操作參數；在此基礎上，調節(jié)各工作點最敏感的操作參數，直至產品氣中水含量滿足脫水要求。

(3) 本研究中入口濕氣溫度和再沸器溫度的相對敏感度絕對值比貧TEG循環(huán)量和汽提氣量大，說明入口濕氣溫度和再沸器溫度是影響產品氣中水含量的主要敏感因素。根據不同工況點各操作參數的相對敏感度絕對值計算結果，采用先降低入口濕氣溫度、再提升再沸器溫度的步驟對該TEG脫水系統(tǒng)進行了調節(jié)，模擬結果與現場調試結果接近。