某海洋平臺(tái)天然氣水露點(diǎn)控制及用能優(yōu)化研究

劉吼（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

1 概述

某海洋平臺(tái)為8 腿導(dǎo)管架平臺(tái)，由樁、導(dǎo)管架和組塊組成。平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)井口采出氣或伴生氣進(jìn)行脫水、脫碳及脫烴處理，處理合格后的干氣通過海底管道輸送至下游用戶[1]。其中，天然氣水露點(diǎn)是氣體輸送的主要控制指標(biāo)之一，根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5 ℃及以上。如外輸天然氣中夾帶液態(tài)水或液烴，將導(dǎo)致在立管或地形起伏的管段處形成兩相流或段塞流，降低管道輸送效率，部分海泥低溫區(qū)還會(huì)形成水合物堵塞管道，并影響終端壓縮機(jī)透平的正常運(yùn)行。目前，天然氣水露點(diǎn)控制的方法有吸收法、吸附法和低溫冷凍法等[2-3]，且以吸收法中的三甘醇（TEG）脫水工藝應(yīng)用最為廣泛。李天斌利用HYSYS 軟件對(duì)海洋中心處理平臺(tái)的天然氣脫水狀態(tài)進(jìn)行了模擬，得到了不同操作參數(shù)下的最佳運(yùn)行條件[4]；王飛等人在固定吸收塔操作壓力下，獲取了不同運(yùn)行參數(shù)的自變量和因變量的關(guān)系，得到了滿足海上平臺(tái)外輸標(biāo)準(zhǔn)的干氣露點(diǎn)[5]；錢欣等人以碳排量總量最小為目標(biāo)函數(shù)，通過遺傳算法實(shí)現(xiàn)了碳排放的降低[6]。以上研究結(jié)果和優(yōu)化方法均存在計(jì)算量大、計(jì)算效率低、關(guān)鍵參數(shù)考慮不全、需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整等問題，降低了優(yōu)化過程的可行性和科學(xué)性，并造成調(diào)節(jié)過程不必要的資源浪費(fèi)。

某海洋平臺(tái)在運(yùn)行的過程中，其運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在不一致的現(xiàn)象，說明存在較大的能耗優(yōu)化空間?；诖?，為減少現(xiàn)場工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)次數(shù)，避免停車事故的發(fā)生，通過HYSYS 軟件搭建天然氣脫水工藝流程，并利用軟件自帶的求解器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)求解，為指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)提供實(shí)際參考。

2 基于HYSYS 軟件的脫水系統(tǒng)模型

HYSYS 軟件具有操作界面友好、組分庫豐富、狀態(tài)方程齊全等優(yōu)點(diǎn)，可以用于吸收塔、蒸餾塔、分餾塔等塔器參數(shù)的計(jì)算，被廣泛用于油氣田地面工程領(lǐng)域的工藝流程模擬和動(dòng)態(tài)控制。文中主要采用穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行脫水工藝調(diào)試，模擬脫水系統(tǒng)優(yōu)化前后的工藝參數(shù)變化情況。

2.1 現(xiàn)場脫水流程

脫水流程分為三甘醇貧液吸收和三甘醇富液再生兩部分。對(duì)于前者流程，原料氣先經(jīng)過過濾式分離器，分離濕氣中夾帶的液烴、固體雜質(zhì)和游離水等物質(zhì)；再從吸收塔底進(jìn)入，原料氣自下而上、三甘醇貧液自上而下運(yùn)行，通過介質(zhì)間的傳質(zhì)完成貧液吸收水分的過程，干氣通過干氣/貧液換熱器加熱后外輸。對(duì)于后者流程，吸收塔底流出的三甘醇富液通過與再生塔塔頂氣體進(jìn)行換熱后，經(jīng)閃蒸罐分離出閃蒸氣用于平臺(tái)上的燃料消耗，多余氣體接入火炬系統(tǒng)放空；最后三甘醇富液與貧液進(jìn)一步換熱后，進(jìn)入再生塔完成再生過程。為提高三甘醇貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在汽提柱通入少量外輸干氣對(duì)貧液進(jìn)行再度提濃。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

原料氣處理量（101.325 kPa、20 ℃）和基礎(chǔ)工況參數(shù)見表1，原料氣組成見表2。根據(jù)現(xiàn)場交接要求，確定脫水后的干氣水露點(diǎn)應(yīng)小于-10 ℃。

表1 原料氣處理量和基礎(chǔ)工況參數(shù)Tab.1 Feed gas treatment capacity and basic operating parameters

表2 原料氣組成Tab.2 Feed gas composition 摩爾分?jǐn)?shù)/%

2.3 狀態(tài)方程選取及模型驗(yàn)證

參照脫水流程，在HYSYS 軟件中搭建模擬工藝（圖1）。其中：吸收塔和再生塔的塔板數(shù)均為6，內(nèi)部填料形式為金屬鮑爾環(huán)；采用汽提塔代替汽提柱；通過Balance 模塊傳遞吸收塔塔頂干氣的組分摩爾流，以確定干氣露點(diǎn)；通過Recycle 模塊將富甘醇再生后的貧甘醇循環(huán)至吸收塔頂部塔板；將再生塔頂部精餾柱采用分離器代替，通過Recycle 模塊將回流冷凝液循環(huán)至再生塔頂部塔板；再生塔底流出的貧甘醇經(jīng)汽提柱提純，通過Recycle 模塊將汽提后的氣體循環(huán)至再生塔底部塔板；通過Sprdsht 模塊計(jì)算比功耗數(shù)值。

圖1 基于HYSYS 軟件的模擬工藝Fig.1 Simulation process based on HYSYS software

為避免TEG 溶液在純度較高時(shí)，軟件求解過程中出現(xiàn)奇異解現(xiàn)象，采用Glycol Package 狀態(tài)方程求解TEG-水系統(tǒng)的相平衡狀態(tài)。

將表1 至表2 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入HYSYS 軟件模擬流程中，計(jì)算中間及結(jié)果參數(shù)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比見表3?？梢娔M結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)基本一致，產(chǎn)生誤差的原因：一是模擬流程是理想結(jié)果，二是現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)存在一定系統(tǒng)誤差和偶然誤差。但綜合看，兩者結(jié)果的一致性較好，說明HYSYS模擬流程準(zhǔn)確、可靠。

表3 模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison between simulation results and field data

3 單因素影響實(shí)驗(yàn)及敏感性分析

通過變量控制法，研究不同工藝參數(shù)對(duì)水露點(diǎn)和用能的影響。其中，流程中的用能設(shè)備包括溶液循環(huán)泵、塔底再沸器和汽提氣加熱器，采用比功耗作為用能衡量指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：E為比功耗，kWh/kg；W1、W2、W3分別為溶液循環(huán)泵、塔底再沸器和汽提氣加熱器的功率，kW；Q為干氣質(zhì)量流量，kg/h。

3.1 原料氣進(jìn)塔溫度的影響

根據(jù)SY/T 0076—2008 《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，原料氣進(jìn)塔溫度應(yīng)在15～48 ℃之間，且不宜超過48 ℃。該平臺(tái)采用海水對(duì)原料氣進(jìn)行降溫處理，根據(jù)環(huán)境溫度，原料氣溫度一般不低于30 ℃[7]。定量分析原料氣溫度對(duì)水露點(diǎn)及比功耗的影響，結(jié)果見圖2。受流程換熱器的影響，進(jìn)塔溫度只能模擬至42 ℃，脫水干氣露點(diǎn)隨原料氣進(jìn)塔溫度的增加而升高，且增速逐漸變快，這是由于吸收反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，進(jìn)塔溫度的提高會(huì)降低水蒸氣在TEG 貧液中的溶解度，進(jìn)而影響吸收效果。雖然原料氣溫度的提高可以提高塔底TEG 富液的溫度，進(jìn)而降低再生塔的能耗，此時(shí)所需的汽提干氣流量也在不斷加大，導(dǎo)致汽提氣加熱器的功率增加，最終比功耗有所增加，但增大的幅度較小，僅從0.003 08 kWh/kg 增加至0.003 23 kWh/kg。綜合考慮，控制原料氣進(jìn)塔溫度為30～38 ℃。

圖2 原料氣進(jìn)塔溫度的影響Fig.2 Influence of feed gas inlet temperature

3.2 TEG 貧液進(jìn)塔溫度的影響

定量分析TEG 貧液進(jìn)塔溫度對(duì)水露點(diǎn)及比功耗的影響，結(jié)果見圖3。脫水干氣露點(diǎn)隨TEG 貧液進(jìn)塔溫度的增加呈線性上升趨勢(shì)，但與原料氣進(jìn)塔溫度相比，干氣露點(diǎn)變化不大，這是由于與干氣流量相比，TEG 溶液流量較小，故對(duì)吸收塔每層塔板的溫度影響也較小。TEG 貧液的溫度越升高，再生過程再沸器的熱負(fù)荷越降低，但總體上對(duì)比功耗的影響較小。考慮到貧液溫度過高會(huì)影響TEG 溶液的吸收效果和質(zhì)量，綜合考慮，控制TEG 貧液進(jìn)塔溫度在35～45 ℃，且比原料氣進(jìn)塔溫度高3～5 ℃。

圖3 TEG 貧液進(jìn)塔溫度的影響Fig.3 Influence of TEG lean liquid inlet temperature

3.3 TEG 富液進(jìn)塔溫度的影響

定量分析TEG 富液進(jìn)塔溫度對(duì)水露點(diǎn)及比功耗的影響，結(jié)果見圖4。脫水干氣露點(diǎn)隨TEG 富液進(jìn)塔溫度的增加呈線性下降趨勢(shì)，但變化幅度較小，模擬范圍內(nèi)的露點(diǎn)降僅為0.20 ℃。由于再沸器功率占整個(gè)流程總功率的95%，故比功耗隨TEG 富液進(jìn)塔溫度的增加而大幅下降，由此推測運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)大幅下降。綜合考慮，應(yīng)在工藝中盡量增大TEG 富液的進(jìn)塔溫度。

圖4 TEG 富液進(jìn)塔溫度的影響Fig.4 Influence of TEG rich liquid inlet temperature

3.4 TEG 貧液循環(huán)量的影響

定量分析TEG 貧液循環(huán)量對(duì)水露點(diǎn)及比功耗的影響，結(jié)果見圖5。脫水干氣露點(diǎn)隨TEG 貧液循環(huán)量的增加呈先下降后緩慢上升趨勢(shì)，因?yàn)楦鶕?jù)氣液平衡原理，TEG 循環(huán)量越大，原料氣中的水分被帶走的越多，但過高的TEG 循環(huán)量會(huì)導(dǎo)致再生TEG 貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，脫水深度降低。比功耗隨TEG貧液循環(huán)量的增加呈線性上升趨勢(shì)。綜合考慮，在滿足脫水深度的前提下，TEG 貧液循環(huán)量應(yīng)控制在0.70～1.50 m3/h 之間。

圖5 TEG 貧液循環(huán)量的影響Fig.5 Influence of TEG lean liquid circulation

3.5 TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

根據(jù)拉馬奧特公式，TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與再沸器溫度下水的蒸汽壓、再沸器壓力和再沸器蒸汽中水的摩爾分?jǐn)?shù)等因素相關(guān)。在再沸器溫度一定的前提下，通過增加汽提氣流程，可減小再沸器蒸汽中水的摩爾分?jǐn)?shù)，最終提高TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由此可見，TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與再沸器溫度和汽提氣流量相關(guān)，故定量考察上述因素對(duì)水露點(diǎn)及比功耗的影響，結(jié)果見圖6。脫水干氣露點(diǎn)隨再沸器溫度的增加呈線性下降趨勢(shì)，且露點(diǎn)下降較大（14.05 ℃），比功耗隨再沸器溫度的增加呈線性上升趨勢(shì)。考慮到三甘醇的熱分解溫度為204 ℃，且TEG 貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在99%以上，將再沸器溫度控制180～190 ℃。

圖6 再沸器溫度和汽提氣流量的影響Fig.6 Influence of reboiler temperature and stripping gas flow

脫水干氣露點(diǎn)隨汽提氣量的增加呈線性下降趨勢(shì)，通過采用一定量的汽提氣可以降低TEG 溶液表面的水蒸氣分壓，將TEG 溶液提濃，露點(diǎn)下降較大（34.36 ℃），比功耗隨再沸器溫度的增加先緩慢上升后迅速上升。汽提氣流量過大，再生塔可能出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，故在滿足露點(diǎn)和貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前提下，應(yīng)盡量降低汽提氣流量，控制在40～60 m3/h。

3.6 敏感性分析

通過敏感性分析進(jìn)一步考察上述不同參數(shù)對(duì)于干氣露點(diǎn)和用能的影響程度，以便在現(xiàn)場快速確定參數(shù)調(diào)整的優(yōu)先次序[8]。為了便于比較，對(duì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，參數(shù)敏感性分析結(jié)果見圖7。曲線斜率越大，相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)干氣露點(diǎn)和比功耗的影響程度越大。對(duì)于干氣露點(diǎn)，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、原料氣進(jìn)塔溫度、汽提氣流量、TEG 貧液循環(huán)量、TEG 貧液進(jìn)塔溫度和TEG 富液進(jìn)塔溫度，其中后兩項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)干氣露點(diǎn)的影響不大；對(duì)于比功耗，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、TEG 貧液循環(huán)量、TEG 富液進(jìn)塔溫度、TEG貧液進(jìn)塔溫度、原料氣進(jìn)塔溫度和汽提氣流量，其中后三項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)比功耗的影響不大。在現(xiàn)場實(shí)際調(diào)控的過程中，如調(diào)控干氣露點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整再沸器溫度、原料氣進(jìn)塔溫度和汽提氣流量；如調(diào)控比功耗，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整再沸器溫度、TEG 貧液循環(huán)量和TEG 富液進(jìn)塔溫度。

圖7 參數(shù)敏感性分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of parameters sensitivity

3.7 優(yōu)化器求解

利用HYSYS 軟件自帶的優(yōu)化器進(jìn)行參數(shù)求解[9-10]，以公式（1）為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置約束條件為干氣露點(diǎn)小于-10 ℃，再沸器溫度、TEG 貧液循環(huán)量和TEG 富液進(jìn)塔溫度為決策變量，通過Orignal優(yōu)化模塊，對(duì)最低比功耗下的決策變量進(jìn)行求解，結(jié)果見表4。三種優(yōu)化方法均能使比功耗下降，優(yōu)化效果從強(qiáng)到弱依次為BOX、SQP 和Mixed 方法，BOX 方法在干氣露點(diǎn)有所上升的情況下，比功耗降低0.521×10-3kWh/kg，降幅19.04%，同時(shí)貧液中TEG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.71%，也符合脫水工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 HYSYS 軟件優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of optimization results for HYSYS software

4 結(jié)論

1）在HYSYS 軟件中搭建了與現(xiàn)場工藝一致的脫水系統(tǒng)模擬流程，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的吻合性較好，驗(yàn)證了搭建模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

2）在脫水過程中對(duì)于干氣露點(diǎn)，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、原料氣進(jìn)塔溫度、汽提氣流量、TEG 貧液循環(huán)量、TEG 貧液進(jìn)塔溫度和TEG 富液進(jìn)塔溫度；對(duì)于比功耗，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、TEG 貧液循環(huán)量、TEG 富液進(jìn)塔溫度、TEG 貧液進(jìn)塔溫度、原料氣進(jìn)塔溫度和汽提氣流量。

3）三種優(yōu)化方法均能使脫水流程工藝比功耗降低，優(yōu)化效果由強(qiáng)到弱依次為BOX、SQP 和Mixed 方法，其中BOX 方法優(yōu)化效果最優(yōu)，比功耗較原現(xiàn)場工藝降低0.521× 10-3kWh/kg，降幅19.04%，節(jié)能效果明顯。