基于HYSYS 的三甘醇脫水工藝分析及優(yōu)化調(diào)節(jié)研究

劉畑 王瑀 劉明川 張?zhí)睚?李媛媛 薛潤(rùn)斌

1中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司

2中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦

井口采出氣中通常含有大量的飽和水，在管輸過程中，因溫度、壓力的降低，飽和水會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水在管內(nèi)積聚，引發(fā)冰堵和水合物形成，使設(shè)備腐蝕開裂造成輸氣效率降低等諸多問題[1-2]。因此，天然氣在進(jìn)入管輸系統(tǒng)前，應(yīng)盡可能地脫除飽和水，其中三甘醇（TEG）脫水工藝因壓力損失小、控制簡(jiǎn)單、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)在集氣站和集中處理廠中被廣泛應(yīng)用。諸多學(xué)者對(duì)TEG 脫水工藝的效果和能耗優(yōu)化進(jìn)行了研究[3-4]，蔣洪等[5]研究了酸性氣體在TEG 脫水工藝流程上的分布情況，通過調(diào)節(jié)TEG 循環(huán)量、閃蒸罐溫度和重沸器溫度優(yōu)化產(chǎn)氣組分；諸林等[6]利用響應(yīng)曲面優(yōu)化了脫水工藝的用能環(huán)節(jié)，得到二次響應(yīng)能耗模型；王飛等[7]利用單因素試驗(yàn)方法，從天然氣進(jìn)塔溫度、貧TEG 入口溫度、重沸器溫度、汽提氣流量等方面研究了對(duì)脫水效果的影響，并給出了優(yōu)化方案。以上研究多側(cè)重操作參數(shù)對(duì)脫水效果的影響，但不同操作參數(shù)對(duì)干氣水露點(diǎn)的影響程度不一，且操作參數(shù)之間存在交互影響，如重沸器溫度和汽提氣流量與貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間相關(guān)。目前的優(yōu)化方法存在一定的盲目性[8-9]，無法區(qū)分參數(shù)的調(diào)節(jié)先后。以某氣田區(qū)塊集中處理廠TEG 脫水裝置為例，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行條件，通過HYSYS 軟件建立脫水工藝模擬流程，引入靈敏度分析方法考察不同因素對(duì)干氣露點(diǎn)的影響，根據(jù)靈敏度大小依次調(diào)節(jié)操作參數(shù)。

1 TEG 脫水工藝

1.1 工藝流程描述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的TEG 脫水工藝流程圖，采用ASPEN HYSYS 軟件搭建系統(tǒng)模型（圖1）。脫水工藝包括吸收單元和再生單元。濕氣（物流1）經(jīng)原料氣過濾器（V-100）分離出固體顆粒、游離水和液烴后，從吸收塔（T-100）底部進(jìn)入，與吸收塔頂部進(jìn)入的貧TEG 逆流接觸，干氣從吸收塔頂部流出進(jìn)入貧TEG/干氣換熱器（E-100）換熱，滿足露點(diǎn)要求后外輸。在TEG 再生單元中，吸收了飽和水的富TEG 從吸收塔底部流出，經(jīng)換熱后進(jìn)入閃蒸罐（V-101）分離出閃蒸氣，隨后富TEG在貧/富TEG 換熱器（E-102）中預(yù)熱，進(jìn)入再生塔（T-101），在塔底再沸器的作用下蒸出富液中的水分，再生塔塔頂流出的再生氣經(jīng)換熱降溫后，由分離器（V-102）將冷凝液打回再生塔頂部。為了進(jìn)一步提純TEG，從再沸器流出的TEG 溶液，經(jīng)氣體塔（T-102）汽提后，塔底流出的貧TEG 經(jīng)換熱加壓后送回吸收塔頂部，實(shí)現(xiàn)TEG 溶液的循環(huán)利用。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行HYSYS 模擬前，需定義狀態(tài)方程和物性包，以便進(jìn)行水力、熱力和碳?xì)浠衔镂镄杂?jì)算，在此采用Peng-Robinson 方程作為計(jì)算TEG 脫水工藝氣液平衡的狀態(tài)方程。原始數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，原料氣量150×104m3/d，入塔壓力5.5 MPa，入塔溫度35 ℃，原料氣氣質(zhì)組分見表1。貧TEG 的入塔溫度40 ℃，TEG 循環(huán)量1.30 m3/h。

表1 原料氣氣質(zhì)組分Tab.1 Gas composition of raw gas 摩爾分?jǐn)?shù)/%

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，管輸天然氣水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下的最低環(huán)境溫度低5 ℃，根據(jù)集中處理站所在地區(qū)的氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，要求脫水后干氣露點(diǎn)低于-10 ℃。

1.3 結(jié)果驗(yàn)證

將HYSYS 軟件模擬得到的關(guān)鍵物流和設(shè)備參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相比較（表2）。結(jié)果表明：目前的出口干氣水露點(diǎn)無法滿足脫水要求，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，表明HYSYS 軟件所建模型具有可靠性和科學(xué)性，可以用于后續(xù)研究。

表2 模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison between simulation results and actual data

2 靈敏度分析方法

靈敏度分析是檢驗(yàn)與分析各流程變量間相互作用的工具，通過該分析可以決定哪些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響較大[10-12]。如果自變量x的變動(dòng)量為Δx，則x的相對(duì)變動(dòng)量為，同理因變量y的相對(duì)變動(dòng)量為，根據(jù)相對(duì)變動(dòng)量的比值和導(dǎo)數(shù)定義，令Δx→x，則x對(duì)y的相對(duì)靈敏度為S，公式為

式中：xi、yi分別為第i點(diǎn)的數(shù)值。公式（1）中的微分部分可用牛頓插值法求解，四階算法精度較高，公式為

3 影響因素分析及優(yōu)化調(diào)節(jié)方法

影響TEG 脫水效果的因素有原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、原料氣入塔流量、吸收塔塔板數(shù)、吸收塔塔板效率、貧TEG 入塔溫度、TEG 循環(huán)量和貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。其中，原料氣入塔流量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，對(duì)干氣露點(diǎn)的影響較?。粸闈M足吸收塔內(nèi)溫降的要求，吸收塔板數(shù)和塔板效率與氣體壓降和液面高差等有關(guān)，雖然塔板數(shù)的增加或塔板效率的下降有利于干氣露點(diǎn)的降低，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)而言，可操作性較差；貧TEG 入塔溫度通常高于原料氣入塔溫度3～8 ℃，與原料氣相比，TEG 溶液在吸收塔內(nèi)的流量較小，故其對(duì)干氣露點(diǎn)的影響較小。綜上所述，確定現(xiàn)場(chǎng)可供調(diào)節(jié)的操作參數(shù)有原料氣入塔溫度、原料氣入塔壓力、TEG 循環(huán)量和貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與再沸器溫度和汽提量有關(guān)，最終確定五個(gè)可調(diào)操作參數(shù)。

3.1 入塔溫度

在原料氣量為150×104m3/d，入塔壓力為5.5 MPa，TEG 循環(huán)量為1.30 m3/h，貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.7%的條件下，考察原料氣入塔溫度對(duì)干氣露點(diǎn)的影響。SY/T 0076—2008《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定入塔溫度宜維持在15～48 ℃之間，根據(jù)集中處理站當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，設(shè)計(jì)入塔溫度下限為25 ℃，設(shè)計(jì)上限為42 ℃，因此以入塔溫度25～42 ℃為變量條件，模擬結(jié)果見圖2。

圖2 原料氣入塔溫度對(duì)干氣露點(diǎn)的影響Fig.2 Effect of raw gas inlet temperature on dry gas dew point

隨著入塔溫度的不斷增加，干氣露點(diǎn)呈先慢后快的指數(shù)型增長(zhǎng)。這是由于TEG 與濕氣中飽和水的氣液平衡受溫度升高的影響，入口濕氣中的水含量增加，且飽和水在TEG 中的溶解度逐漸降低，最終導(dǎo)致干氣露點(diǎn)上升。當(dāng)入塔溫度大于30 ℃時(shí)，無法滿足脫水要求。將圖2 的數(shù)據(jù)代入公式（1）和（2）求相對(duì)靈敏度，求解過程見表3。

在考察入塔溫度的范圍內(nèi)，相對(duì)靈敏度S均為正值，表示原料氣入塔溫度與干氣露點(diǎn)呈正相關(guān)。無論正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)，絕對(duì)靈敏度|S|反映了自變量對(duì)因變量的影響程度，因此得到原料氣入塔溫度的絕對(duì)靈敏度曲線（圖3）。當(dāng)溫度小于34 ℃時(shí)，|S|較小未超過3；當(dāng)溫度大于34 ℃時(shí)，|S|快速增加，最大值為12.6。

圖3 原料氣入塔溫度的絕對(duì)靈敏度曲線Fig.3 Absolute sensitivity curve of raw gas inlet temperature

3.2 入塔壓力

在原料氣量為150×104m3/d，入塔溫度35 ℃，TEG 循環(huán)量為1.30 m3/h，貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.7%的條件下，考察原料氣入塔壓力對(duì)干氣露點(diǎn)的影響。一般入塔壓力應(yīng)大于4.5 MPa，壓力上升有利于增加飽和水在TEG 中的溶解度，但壓力過大，吸收塔內(nèi)塔板之間的壓差較大，TEG 溶液容易發(fā)泡，因此以入塔壓力4.5～6.5 MPa 為變量，模擬結(jié)果見圖4。

圖4 不同入塔壓力下的干氣露點(diǎn)和絕對(duì)靈敏度Fig.4 Dry gas dew point and absolute sensitivity under different inlet pressures

當(dāng)原料氣入塔壓力為4.4～5.5 MPa 時(shí)，干氣露點(diǎn)快速下降，當(dāng)入塔壓力大于5.5 MPa 時(shí)，干氣露點(diǎn)的下降速率變緩。在模擬范圍內(nèi)，干氣露點(diǎn)始終未達(dá)到脫水要求。

在考察入塔壓力的范圍內(nèi)，相對(duì)靈敏度S均為負(fù)值，說明原料氣入塔壓力與干氣露點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。隨著入塔壓力的增加，絕對(duì)靈敏度|S|始終維持在2.5 以下，呈波動(dòng)向下趨勢(shì)，說明在入塔壓力較低時(shí)，壓力對(duì)干氣露點(diǎn)的影響更大。

3.3 TEG 循環(huán)量

在原料氣量為150×104m3/d，入塔溫度35 ℃，入塔壓力為5.5 MPa，貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.7%的條件下，考察TEG 循環(huán)量對(duì)干氣露點(diǎn)的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，脫除1 kg 的水需要0.02～0.03 m3的TEG 溶液，因此以TEG 循環(huán)量1.2～1.8 m3/h 為變量，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 不同TEG 循環(huán)量下的干氣露點(diǎn)和絕對(duì)靈敏度Fig.5 Dry gas dew point and absolute sensitivity under different TEG circulation rates

隨著TEG 循環(huán)量不斷增加，干氣露點(diǎn)快速下降，當(dāng)循環(huán)量大于1.4 m3/h 時(shí)，干氣露點(diǎn)下降速度明顯變慢，此階段的干氣露點(diǎn)均小于-10 ℃，滿足脫水要求。過大的TEG 會(huì)增加液體進(jìn)入吸收塔的液量，增大氣、液兩相間的傳質(zhì)阻力，還會(huì)增加循環(huán)泵的動(dòng)力能耗，造成塔內(nèi)液面上升，形成淹塔事故。

在考察TEG 循環(huán)量的范圍內(nèi)，相對(duì)靈敏度S均為負(fù)值，說明TEG 循環(huán)量與干氣露點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)循環(huán)量為1.4 m3/h 時(shí)，絕對(duì)靈敏度|S|達(dá)到最大值10.33，當(dāng)循環(huán)量大于1.52 m3/h 時(shí)，|S| 幾乎為0，說明此時(shí)循環(huán)量對(duì)干氣露點(diǎn)的影響很小。

3.4 再沸器溫度

在原料氣量為150×104m3/d，入塔溫度為35 ℃，入塔壓力為5.5 MPa，TEG 循環(huán)量為1.30 m3/h的條件下，通過改變?cè)俜衅鳒囟扔绊懾歍EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干氣露點(diǎn)。受TEG 溶液物理性質(zhì)的影響（TEG 的熱分解溫度為204 ℃）[13-14]，再沸器溫度過高會(huì)導(dǎo)致溶液變質(zhì)，因此以再沸器溫度170～204 ℃為變量，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 不同再沸器溫度下的干氣露點(diǎn)和絕對(duì)靈敏度Fig.6 Dry gas dew point and absolute sensitivity under different reboiler temperatures

隨著再沸器溫度的升高，干氣露點(diǎn)呈先快后慢的趨勢(shì)降低。當(dāng)再沸器溫度大于190 ℃時(shí)，干氣露點(diǎn)小于-10 ℃，滿足脫水要求。

在考察再沸器溫度的范圍內(nèi)，相對(duì)靈敏度S均為負(fù)值，說明再沸器溫度與干氣露點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。隨著再沸器溫度的升高，絕對(duì)靈敏度|S| 也逐漸下降，說明較低的再沸器溫度對(duì)干氣露點(diǎn)的影響較大。

3.5 汽提氣量

在原料氣量為150×104m3/d，入塔溫度為35 ℃，入塔壓力為5.5 MPa，TEG 循環(huán)量為1.30 m3/h的條件下，通過改變汽提氣量影響貧TEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干氣露點(diǎn)。汽提氣來源于合格干氣，從再沸器后端逆流引入，以汽提氣量1.5～3 m3/h 為變量，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 不同汽提氣量下的干氣露點(diǎn)和絕對(duì)靈敏度Fig.7 Dry gas dew point and absolute sensitivity under different stripping volumes

隨著汽提氣量的增加，干氣露點(diǎn)呈先快后慢的趨勢(shì)降低。當(dāng)汽提氣與富TEG 溶液接觸時(shí)，可降低TEG 表面的水蒸氣分壓，使TEG 溶液提高濃度。當(dāng)汽提氣量大于1.6 m3/h 時(shí)，干氣露點(diǎn)小于-10 ℃，滿足脫水要求。

在考察汽提氣量的范圍內(nèi)，相對(duì)靈敏度S均為負(fù)值，說明汽提氣量與干氣露點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。隨著汽提氣量的增加，絕對(duì)靈敏度|S|先增大后減小，在汽提氣量為1.85 m3/h 時(shí)，|S|達(dá)到最大值2.32，說明該汽提氣量對(duì)干氣露點(diǎn)的影響較大。

3.6 優(yōu)化調(diào)節(jié)方法

通過上述模擬研究，可采用降低原料氣入塔溫度、提高原料氣入塔壓力、增大TEG 循環(huán)量、提高再沸器溫度和增大汽提氣量等措施降低干氣露點(diǎn)，提高脫水效果。不同操作參數(shù)對(duì)干氣露點(diǎn)的影響程度不同，根據(jù)一定工況下的絕對(duì)靈敏度大小依次調(diào)節(jié)操作參數(shù)，以減少操作步驟和工況波動(dòng)，調(diào)節(jié)流程見圖8。

圖8 優(yōu)化調(diào)節(jié)流程Fig.8 Flow chart of optimization and adjustment

4 實(shí)例驗(yàn)證

以表2 中的數(shù)據(jù)為初始工況，參照優(yōu)化調(diào)節(jié)方法進(jìn)行操作參數(shù)調(diào)整，TEG 工藝優(yōu)化調(diào)節(jié)步驟見表4。在工況1（初始工況）條件下，干氣露點(diǎn)不滿足脫水要求，此時(shí)再沸器溫度的絕對(duì)靈敏度（7.652 9）最大，說明該工況下調(diào)節(jié)再沸器溫度對(duì)干氣露點(diǎn)的影響最大。在工況2 條件下，將再沸器溫度增大至185 ℃，干氣露點(diǎn)降為-7.89 ℃，此時(shí)再沸器溫度的絕對(duì)靈敏度（6.320 5）依然最大，因此再次升高再沸器溫度。在工況3 條件下，將再沸器溫度增大至190 ℃，干氣露點(diǎn)降為-9.21，此時(shí)原料氣入塔溫度的絕對(duì)靈敏度（7.120 5）超過了再沸器溫度的絕對(duì)靈敏度（5.208 8），但兩者的靈敏度差距較大，說明再沸器溫度增加的步長(zhǎng)過大，故重新選擇增加再沸器溫度至187 ℃。在工況4 條件下，原料氣入塔溫度的絕對(duì)靈敏度（6.210 9）超過了再沸器溫度的絕對(duì)靈敏度（6.038 9），兩者靈敏度相差不足5%，說明步長(zhǎng)選擇合適，下一步可降低原料氣入塔溫度。在工況5 條件下，將原料氣入塔溫度降至33 ℃，干氣露點(diǎn)降為-9.75 ℃，此時(shí)原料氣入塔溫度的絕對(duì)靈敏度（5.720 5）最大，且與排序第二的貧TEG 循環(huán)量靈敏度相比（5.510 5），兩者相差不足5%，說明入塔溫度的降低步長(zhǎng)選取合適，可再次降低原料氣入塔溫度。在工況6 條件下，將原料氣入塔溫度降至31 ℃，干氣露點(diǎn)降為-10.34 ℃，滿足干氣露點(diǎn)要求，優(yōu)化調(diào)節(jié)結(jié)束。

表4 TEG 工藝優(yōu)化調(diào)節(jié)步驟Tab.4 TEG process optimization and adjustment steps

綜上所述，先將再沸器溫度由180 ℃升至187 ℃，再將原料氣入口溫度由35 ℃降低至31 ℃，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（表5）。經(jīng)對(duì)比兩者幾乎一致，說明該調(diào)節(jié)方法可以用最少的調(diào)節(jié)次數(shù)完成脫水工藝的達(dá)標(biāo)驗(yàn)證。

表5 TEG 工藝優(yōu)化調(diào)節(jié)模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Comparison between simulation results of TEG process optimization and adjustment and the actual data

5 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，采用HYSYS 軟件建立了TEG 脫水工藝流程，經(jīng)驗(yàn)證關(guān)鍵物流和設(shè)備參數(shù)的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相比吻合性較好。

（2）通過引入靈敏度分析，確定操作參數(shù)對(duì)干氣露點(diǎn)的影響程度，其中TEG 循環(huán)量和汽提氣量的絕對(duì)靈敏度存在極值，原料氣入塔溫度和再沸器溫度的絕對(duì)靈敏度分別呈單調(diào)遞增和遞減趨勢(shì)，原料氣入塔壓力的絕對(duì)靈敏度呈波動(dòng)遞減趨勢(shì)。

（3）在適當(dāng)操作參數(shù)步長(zhǎng)條件下，利用不同工況下絕對(duì)靈敏度的大小，確定操作參數(shù)調(diào)節(jié)的先后順序，調(diào)節(jié)后模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)一致，說明可以用最少的調(diào)節(jié)次數(shù)達(dá)到深度脫水的要求。