基于碳排放核算的天然氣脫水系統(tǒng)優(yōu)化

葉超 祁寶萍 陳培剛 陸瀟 范良燕

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉西分公司；2.中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠；3.新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠；5.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦）

天然氣作為優(yōu)質(zhì)的低碳清潔能源，在能源消費(fèi)中的占比越來(lái)越大[1]。在天然氣的凈化、儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，對(duì)天然氣的含水量要求較為嚴(yán)格，故天然氣脫水是凈化流程中的重要環(huán)節(jié)[2]。其中，三甘醇（TEG）脫水是控制天然氣含水量和水露點(diǎn)的常用手段。諸林等[3]在響應(yīng)面分析法的基礎(chǔ)上對(duì)脫水工藝的用能情況進(jìn)行了優(yōu)化；楊冬磊等[4]針對(duì)高含硫天然氣脫水工藝中存在的設(shè)備腐蝕問(wèn)題，提出了不同的改進(jìn)工藝，并對(duì)改進(jìn)工藝效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；廖柯熹等[5]分析了影響三甘醇脫水深度的各類影響因素，并對(duì)其影響程度進(jìn)行排序。以上研究多從工藝參數(shù)敏感性角度分析脫水效果和能耗，但從碳減排方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的研究還鮮有報(bào)道。三甘醇脫水工藝中生產(chǎn)能耗較大，閃蒸氣、重沸器等會(huì)持續(xù)進(jìn)行碳排放，碳排放量較大且未進(jìn)行量化。為此，通過(guò)對(duì)某氣田TEG 脫水工藝進(jìn)行設(shè)備能流分析，實(shí)現(xiàn)碳排放源的識(shí)別，并考察不同因素對(duì)碳排放量的影響，利用粒子群算法完成碳排放目標(biāo)函數(shù)的求解。

1 工藝描述

天然氣脫水系統(tǒng)包括高壓脫水單元和高溫再生單元，其中TEG 被用作脫水劑，用于降低原料氣含水量和水露點(diǎn)溫度。在脫水單元中，原料氣先經(jīng)分離裝置脫除部分游離水和重?zé)N組分，隨后進(jìn)入吸收塔塔底，與塔頂流下的TEG 貧液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%左右）逆流接觸，通過(guò)傳質(zhì)傳熱，原料氣中的水被TEG 貧液吸收，形成TEG 富液，吸收塔塔頂凈化氣經(jīng)換熱器復(fù)熱后外輸。在再生單元中，吸收塔塔底富液經(jīng)降壓閃蒸、換熱升溫后進(jìn)入再生塔，再生塔中引入甲烷物流，通過(guò)汽提作用進(jìn)一步提高TEG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后TEG 貧液經(jīng)換熱降溫、補(bǔ)充TEG后，通過(guò)泵循環(huán)至吸收塔，完成物料循環(huán)。

2 HYSYS 模型建立及驗(yàn)證

在HYSYS 軟件中建立脫水工藝流程，TEG 脫水工藝流程模擬圖見(jiàn)圖1。其中，吸收塔、再生塔從Absorber 模塊中選取，換熱器從Heat exchange 模塊中選取，閃蒸分離器從Separator 模塊中選取，閥門(mén)和混合器分別從Valve 和Mix 模塊中選取，貧液循環(huán)通過(guò)Recycle 模塊實(shí)現(xiàn)，選用PR 方程實(shí)現(xiàn)物性參數(shù)的估算和迭代[6]。

圖1 TEG 脫水工藝流程模擬圖Fig.1 Simulation diagram of TEG dehydration process

保持與現(xiàn)場(chǎng)工況一致，氣量28.3×104Nm3/d，溫度30 ℃、壓力6.20 MPa，對(duì)其中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，模擬參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。不同指標(biāo)下兩者的相對(duì)誤差均小于3%，說(shuō)明模擬流程運(yùn)行良好，可以代表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。

表1 模擬參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison between simulation parameters and operation parameters

3 能流分析及碳排放源識(shí)別

碳排放分析的前提是進(jìn)行工藝能流分析，將設(shè)備內(nèi)部視為黑箱，將設(shè)備之間視為灰箱，對(duì)TEG 脫水工藝進(jìn)行能流分析。

根據(jù)能量守恒定律，能流分析結(jié)果可表達(dá)為：

式中：Es1為原料氣進(jìn)入系統(tǒng)的輸入能，kW；Es2為閃蒸氣、再生氣、凈化氣流出系統(tǒng)的輸出能，kW；Es3為各設(shè)備內(nèi)部損失能，kW；E1、E2、E3為循環(huán)泵、汽提氣加熱器和再生塔底重沸器的供給能，kW；E4為再生塔頂冷凝器的排出能，kW。

目前，聯(lián)合國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織分別頒布了《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》、ISO 14064-1∶2018標(biāo)準(zhǔn)等，用于指導(dǎo)碳排放源的識(shí)別和定量計(jì)算[7]。我國(guó)有關(guān)石油石化行業(yè)的碳排放源識(shí)別主要參照《中國(guó)石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》，將碳排放源分為燃料燃燒、火炬燃燒、工藝放空、甲烷逃逸、甲烷回收、二氧化碳回收、凈購(gòu)入電力和熱力的隱含排放等。根據(jù)能流分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，閃蒸氣直接連接燃燒器或灼燒爐燃燒，為塔底重沸器提供能量；再生塔、緩沖罐等設(shè)備產(chǎn)生的再生氣直接放空；循環(huán)泵和汽提氣加熱器采用電加熱的方式提供能量。根據(jù)核算邊界限制，可識(shí)別到的碳排放源為重沸器、再生氣、循環(huán)泵和汽提氣加熱器，其中重沸器為燃料燃燒排放節(jié)點(diǎn)，再生氣為工藝放空排放節(jié)點(diǎn)，循環(huán)泵和汽提氣加熱器為凈購(gòu)入電力排放節(jié)點(diǎn)。排放核算見(jiàn)下式：

式中：TCO2_燃燒、TCO2_放空、TCO2_凈電分別為燃料燃燒、工藝放空和凈購(gòu)入電力的碳排放量，t/h；A1為燃料消耗量，Nm3/h；C為燃料平均碳含量，t/Nm3；O為碳氧化率，取值0.99；Qout為再生塔出口的氣體流量，Nm3/h；VCO2,out出再生塔氣體中CO2的體積分?jǐn)?shù)；A2為泵或加熱器功率，kW；e為電力供應(yīng)的碳排放因子，取值0.667 5 t/kWh。

TEG 脫水工藝流程的碳排放核算見(jiàn)公式（5）：

由此核算目前的碳排放量38.43 kg/h。影響碳排放的參數(shù)與能耗和干氣露點(diǎn)相關(guān)，包括原料氣溫度、原料氣壓力、TEG 貧液入塔溫度、TEG 循環(huán)量、TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和吸收塔塔板數(shù)等，但原料氣溫度和壓力受氣源和冷卻系統(tǒng)的影響較大，一般保持穩(wěn)定狀態(tài)；TEG 貧液入塔溫度通常高于原料氣溫度3～5 ℃，也可認(rèn)為不可調(diào)控；TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受重沸器溫度和汽提氣流量影響。綜上，對(duì)TEG 循環(huán)量、重沸器溫度、汽提氣流量和吸收塔塔板數(shù)等參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的碳排放敏感性分析。

4 不同參數(shù)碳排放敏感性分析

4.1 TEG 循環(huán)量

TEG 循環(huán)量過(guò)小，會(huì)降低TEG 貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；循環(huán)量過(guò)大，會(huì)增加動(dòng)力能耗，在吸收塔和再生塔內(nèi)積累大量液相，降低塔運(yùn)行效率。根據(jù)工程檢驗(yàn)，脫除濕氣中1 kg水所需的經(jīng)濟(jì)甘醇量為17～25 L。保持其余參數(shù)不變，分析不同TEG 循環(huán)量作用下對(duì)碳排放量及干氣水露點(diǎn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。隨著TEG 循環(huán)量的增加，水露點(diǎn)不斷下降，但在循環(huán)量超過(guò)1.4 m3/h 時(shí)，水露點(diǎn)下降趨勢(shì)變緩。這是由于原料氣中的濕氣含量是固定的，此時(shí)氣液之間的傳質(zhì)阻力也有極限限制，當(dāng)水露點(diǎn)接近平衡露點(diǎn)時(shí)，循環(huán)量對(duì)水露點(diǎn)的影響較小[8]。對(duì)于碳排放，重沸器工藝放空和循環(huán)泵的碳排放量呈線性增長(zhǎng)，但工藝放空的排放量較小，可忽略不計(jì)；由于汽提氣量保持不變，故汽提氣加熱器的排放量也不變。碳排放主要來(lái)自重沸器，占比96%以上，其次為循環(huán)泵和汽提氣加熱器，占比分別在5%和1%以下。

圖2 TEG 循環(huán)量對(duì)碳排放量及水露點(diǎn)的影響Fig.2 Influence of TEG circulation amount on carbon emission and water dew point

4.2 重沸器溫度

理論上重沸器的溫度不能高于三甘醇熱分解溫度（理論為207 ℃，現(xiàn)場(chǎng)控制最高為204 ℃），因此常規(guī)工藝重沸器溫度一般控制在190～204 ℃?？疾熘胤衅鳒囟葘?duì)碳排放量及干氣水露點(diǎn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。隨著重沸器溫度的增加，TEG 貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從98.88%升高至99.18%，導(dǎo)致在吸收塔用于脫水的甘醇量增加，脫水深度提高，干氣水露點(diǎn)降低。對(duì)于碳排放，重沸器和循環(huán)泵的碳排放量呈線性增加，但循環(huán)泵的變化量較小，碳排放僅從1.32 kg/h 升高到1.48 kg/h，汽提氣加熱器的碳排量保持不變。

圖3 重沸器溫度對(duì)碳排放量及水露點(diǎn)的影響Fig.3 Influence of reboiler temperature on carbon emission and water dew point

4.3 汽提氣流量

當(dāng)無(wú)汽提操作時(shí)，塔底甘醇可達(dá)到的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為98.68%，根據(jù)汽提原理，通過(guò)在塔底通入氮?dú)饣騼艋瘹猓蓪⒃灰褐蟹謮狠^低的水解析出來(lái)，從而增加TEG 貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用凈化氣作為汽提氣，考察不同汽提氣流量對(duì)碳排放量及干氣水露點(diǎn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著汽提氣流量的增加，水露點(diǎn)逐漸降低，但在流量大于8 m3/h 時(shí)，流量對(duì)水露點(diǎn)的影響變小，其原因與TEG 循環(huán)量對(duì)水露點(diǎn)的影響類似[9]。對(duì)于碳排放，重沸器和汽提氣加熱器的碳排放量有小幅上升，循環(huán)泵的碳排放量有小幅下降，這是由于汽提氣量與原料氣量相比，量級(jí)較小，其變化量對(duì)于傳質(zhì)的影響不大。

圖4 汽提氣流量對(duì)碳排放及干氣水露點(diǎn)的影響Fig.4 Influence of stripping gas flow on carbon emission and dry gas water dew point

4.4 吸收塔塔板數(shù)

保持進(jìn)料位置不變，考察吸收塔塔板數(shù)對(duì)碳排放量及干氣水露點(diǎn)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，氣液之間的接觸時(shí)間和傳質(zhì)作用增強(qiáng)，干氣水露點(diǎn)下降，但當(dāng)塔板數(shù)大于14 塊時(shí)，水露點(diǎn)的降低幅度變小，說(shuō)明此時(shí)已接近理論塔板數(shù)。對(duì)于碳排放，重沸器和循環(huán)泵的碳排放量小幅下降，汽提氣加熱器的碳排放量保持不變。

圖5 吸收塔塔板數(shù)對(duì)碳排放量及干氣水露點(diǎn)的影響Fig.5 Influence of the number of absorber plates on carbon emission and dry gas water dew point

5 基于碳排放核算的工藝參數(shù)優(yōu)化

基于上述分析，各工藝參數(shù)對(duì)于干氣水露點(diǎn)和碳排放量的影響程度不一，且一個(gè)因素變化，會(huì)引起另一個(gè)因素變化，參數(shù)之間存在較強(qiáng)的非線性關(guān)系?？紤]到HYSYS 軟件自帶的優(yōu)化器無(wú)法對(duì)塔板數(shù)、再沸器溫度等內(nèi)部約束條件求解，故采用粒子群（PSO）算法完成目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)過(guò)程[10]。

5.1 建立目標(biāo)函數(shù)

以碳排放總量最小為目標(biāo)函數(shù)，見(jiàn)公式（6）：

約束條件要滿足外輸凈化氣的水露點(diǎn)要求，脫水效率、TEG 貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，決策變量的上下限值根據(jù)第4 節(jié)的內(nèi)容確定，約束條件和決策變量見(jiàn)表2。

表2 約束條件和決策變量Tab.2 Constraints and decision variables

5.2 優(yōu)化步驟

1）根據(jù)已知條件在HYSYS 軟件中建立脫水工藝流程。

2）在MATLAB 軟件中編寫(xiě)PSO 算法程序，初始化種群，在表2 決策變量的參數(shù)范圍內(nèi)隨機(jī)生成N組數(shù)據(jù)，形成種群數(shù)為N的個(gè)體。

3）將步驟2）的數(shù)據(jù)通過(guò)Active X 控件傳遞至HYSYS 軟件中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和批處理運(yùn)算。

4）將計(jì)算結(jié)果返回MATLAB 軟件，并根據(jù)約束條件確定是否滿足工藝要求。

5）將目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，通過(guò)不斷更新粒子的位置和速度，更新適應(yīng)度函數(shù)，直到適應(yīng)度值滿足限定的允許誤差或達(dá)到最大迭代次數(shù)。

6）將適應(yīng)度最小值對(duì)應(yīng)的決策變量作為優(yōu)化結(jié)果。

PSO 算法優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。優(yōu)化后，TEG 循環(huán)量從1.4 m3/h 降至1.1 m3/h，降幅21%；重沸器溫度從200 ℃降至190 ℃，降幅5%；汽提氣流量和吸收塔塔板數(shù)有所增加。最終，碳排放總量從38.43 kg/h降至31.59 kg/h，降幅17.8%，且因重沸器引起的燃料燃燒排放節(jié)點(diǎn)的碳排放量降幅最為明顯；總能耗和比功耗均有所下降，優(yōu)化效果明顯。

表3 PSO 算法優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of optimization results of PSO algorithm

6 結(jié)論

1）通過(guò)建立模擬流程和能流分析對(duì)天然氣脫水系統(tǒng)流程中的碳排放源進(jìn)行識(shí)別，其中重沸器、再生氣、循環(huán)泵和汽提氣加熱器為主要的碳排放節(jié)點(diǎn)。

2）工藝參數(shù)的變化對(duì)水露點(diǎn)和碳排放量產(chǎn)生一定影響，TEG 循環(huán)量、重沸器溫度和汽提氣流量與碳排放量呈正比，吸收塔塔板數(shù)與碳排放量呈反比。

3）建立了碳排放量最小化的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)多種約束條件，利用PSO 算法對(duì)決策變量進(jìn)行求解，優(yōu)化后碳排放總量從38.43 kg/h 降至31.59 kg/h，降幅17.8%，總能耗從49.47 kW 降至41.50 kW，降幅16.1%，節(jié)能減排效果顯著。