李鳳華，劉德緒，曹學(xué)文，邊 江

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 山東 青島 266400； 2. 中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院， 河南 濮陽(yáng) 457000）

儲(chǔ)氣庫(kù)地面脫水系統(tǒng)用能優(yōu)化研究

李鳳華1，劉德緒2，曹學(xué)文1，邊 江1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 山東 青島 266400； 2. 中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院， 河南 濮陽(yáng) 457000）

通過(guò)幾種脫水方法的比較確定適合大型儲(chǔ)氣庫(kù)集注站脫水工藝——三甘醇脫水工藝，從系統(tǒng)的角度分析影響三甘醇脫水裝置的能耗的主要參數(shù)，應(yīng)用流程模擬軟件 HYSYS對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的脫水流程進(jìn)行工藝模擬。通過(guò)研究主要參數(shù)對(duì)脫水裝置能耗影響情況，優(yōu)化脫水裝置主要工藝參數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，同時(shí)提出有效的節(jié)能優(yōu)化措施。

三甘醇脫水；參數(shù)優(yōu)化；工藝模擬；HYSYS 模擬軟件；能耗；節(jié)能

目前常見(jiàn)的脫水方法有固體分子篩吸附法、丙烷制冷脫水、節(jié)流+丙烷低溫分離法、三甘醇吸收法等。丙烷制冷工藝裝置設(shè)備多且流程復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定，運(yùn)行費(fèi)用高；節(jié)流+丙烷低溫分離法，雖占地面積小，操作簡(jiǎn)單，但是只適用于高壓且壓力穩(wěn)定的場(chǎng)所，對(duì)壓力不高的節(jié)流降溫不足，達(dá)不到水露點(diǎn)的要求，運(yùn)行費(fèi)用也較高；固體分子篩適用于小型場(chǎng)所。儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣處理量一般較大，脫水深度要求不高，采氣期天然氣壓力遞減快、壓力變化大，且后期壓力低，而三甘醇吸收法運(yùn)行平穩(wěn)質(zhì)量穩(wěn)定，吸濕性高，露點(diǎn)降高，蒸氣壓低，氣相攜帶損失小，裝置投資及運(yùn)行費(fèi)用較低，進(jìn)出裝置的壓降小，其設(shè)備投資、操作費(fèi)用低，適應(yīng)于儲(chǔ)氣庫(kù)脫水系統(tǒng)。

1 三甘醇脫水工藝

原料氣經(jīng)過(guò)氣液分離后進(jìn)入 TEG 吸收塔下部，與塔上部進(jìn)入的 TEG 貧液在塔內(nèi)逆流接觸，天然氣中的大部分的飽和水被脫除[1]。脫水后的干氣從塔頂排出，與進(jìn)入吸收塔前的貧三甘醇通過(guò)換熱器換熱，然后換熱后的天然氣進(jìn)入集氣干線外輸。TEG富液從吸收塔下部集液管排出，后經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入三甘醇再生塔，被吸收塔塔頂蒸汽經(jīng)過(guò)加熱后流進(jìn)閃蒸罐，在閃蒸罐中閃蒸出部分烴氣體回收；閃蒸后的三甘醇通過(guò)閃蒸罐底部流出，后進(jìn)入貧富換熱器，與從重沸器底部的緩沖罐流出的貧甘醇換熱以后，流入三甘醇再生塔，在三甘醇再生塔中，分離出富甘醇中的水。重沸器中的貧甘醇在貧液汽提柱中由引入汽提柱下部的熱干氣對(duì)貧液進(jìn)行汽提[2]；貧液從緩沖罐進(jìn)入貧富液換熱器，與富甘醇進(jìn)行換熱， 后進(jìn)循環(huán)泵，由泵增壓后進(jìn)換熱器與外輸氣換熱后進(jìn)入到吸收塔吸收天然氣中的水。

儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中流量不穩(wěn)定，脫水裝置吸收塔選用泡罩塔盤以適應(yīng)流量的波動(dòng)，處理量彈性范圍 80%～120%，三甘醇脫水流程見(jiàn)圖 1。

2 三甘醇脫水系統(tǒng) HYSYS 建模

針對(duì) TEG 脫水系統(tǒng)，HYSYS 提供了 Glycol 物性包，該物性包是根據(jù) TST（Twu-Sim-Tassone）狀態(tài)方程建立的，其中包含了必要的純組分和在天然氣脫水過(guò)程中經(jīng)常遇到的組分的二元交互系數(shù)，因此該物性包能夠準(zhǔn)確的模擬某些組分間，特別是TEG 與水的二元體系的相特性。

本文選用某儲(chǔ)氣庫(kù)原料氣氣質(zhì)為表1所示。

圖1 三甘醇脫水流程示意圖Fig.1TEG dehydrationprocess diagram

表1 某儲(chǔ)氣庫(kù)采出氣組成表Table 1Theproduced gas composition table of gas storage

本文選用儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)品氣規(guī)格為表2所示。

表2 某儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)品氣規(guī)格Table 2 Theproduced gas specification of a gas storage

圖 2 為應(yīng)用 HYSYS 建立的脫水系統(tǒng)能耗分析[3]。

圖2 某儲(chǔ)氣庫(kù)脫水系統(tǒng)能耗分析模型Fig.2 A gas storage dewatering system energy analysis model

3 脫水系統(tǒng)工藝參數(shù)分析

對(duì)于三甘醇脫水工藝，由于原料氣的流量遠(yuǎn)大于甘醇溶液流量，所以吸收塔內(nèi)的甘醇的吸收溫度近似與原料氣溫度相等，原料氣的溫度和壓力決定了其含水量及需要脫除的水量[5]。

（3）貧三甘醇進(jìn)吸收塔的溫度

進(jìn)入塔頂?shù)呢毟蚀紲囟葘?duì)氣體的露點(diǎn)降有較大的影響，貧三甘醇進(jìn)吸收塔的溫度一般要比塔內(nèi)氣體溫度高 3～8 ℃。如果貧三甘醇溫度過(guò)低，會(huì)使氣體中的部分重?zé)N冷凝，促使溶液發(fā)泡[6]，如果貧三甘醇溫度過(guò)高，甘醇?xì)饣瘬p失和出塔干氣的露點(diǎn)會(huì)增加。

（4）貧三甘醇進(jìn)吸收塔的濃度

在給定了甘醇循環(huán)率和塔板數(shù)的情況下，貧甘醇的濃度越高，露點(diǎn)降就越大[7]。

3.2 再生塔參數(shù)

（1） 重沸器溫度

再生貧三甘醇濃度與重沸器的溫度和壓力有關(guān)。重沸器的溫度可控制水在貧甘醇中的濃度，溫度越高，貧甘醇濃度也越大。三甘醇的熱分解溫度為 206.7 ℃，所以重沸器內(nèi)溫度不應(yīng)超過(guò) 204 ℃[8]。

在汽提氣氣量 0.6 kmol/h 條件下，改變?nèi)蚀荚偕胤衅鳒囟?，觀察其對(duì)三甘醇濃度的影響。從圖3可以看出，三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨再生塔重沸器溫度的升高而增大。

3.1 吸收塔參數(shù)

（1） 原料氣流量

原料氣流量直接影響三甘醇吸收塔脫除的水量[4]。

（2）原料氣的溫度和壓力

圖3 再生塔重沸器溫度對(duì)貧三甘醇濃度的影響Fig.3 The effect of regeneration tower reboiler temperature on lean TEG concentration

（2） 汽提氣

增大汽提氣氣量能夠顯著提高貧三甘醇濃度。

在三甘醇再生塔重沸器溫度一定的條件下，改變汽提氣氣量，以考察其對(duì)三甘醇濃度的影響。從圖4中可以看出，三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨汽提氣氣量的增大而增大。

4 脫水系統(tǒng)能耗分析與優(yōu)化

4.1 主要工藝參數(shù)與能耗的關(guān)系

儲(chǔ)氣庫(kù)集注站脫水系統(tǒng)能耗為各主要設(shè)備能耗之和。脫水系統(tǒng)主要能耗設(shè)備見(jiàn)表3。

圖4 汽提氣量對(duì)貧三甘醇濃度的影響Fig.4 The effect of stripping gas to lean TEG concentration

表 3 脫水系統(tǒng)主要能耗設(shè)備Table 3 Main energy consuming equipment of the dewatering system

由天然氣脫水工藝過(guò)程及其用能特點(diǎn)可知，天然氣在脫除水過(guò)程中所消耗的能耗主要受能原料氣氣質(zhì)情況、產(chǎn)品氣的水露點(diǎn)要求、三甘醇溶液循環(huán)泵熱效率、再生塔重沸器溫度、TEG 濃度等[9]，而在原料氣氣質(zhì)條件和干氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下，影響因素主要就是三甘醇再生塔溫度和汽提氣量。

4.1.1 三甘醇再生塔重沸器溫度對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的

影響

選定汽提氣量為 0.6 kmol/h 并保證干氣質(zhì)量，通過(guò)改變?nèi)蚀荚偕胤衅鳒囟龋^察其對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的影響,見(jiàn)圖 5、6、7。

圖5 再生塔重沸器溫度對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的影響Fig.5 The effect of regeneration tower reboiler temperature on the energy consumption of the dewatering system

分析圖5可知，汽提氣量一定時(shí)，脫水系統(tǒng)的能耗隨再生溫度升高而線性增大。當(dāng)三甘醇再生塔重沸器溫度從 202 ℃升到 205 ℃時(shí)，脫水系統(tǒng)能耗從 619 kW 增加到 636 kW，即溫度每升高 1℃，能耗增加大約 5 kW，其主要原因是隨著加熱溫度升高，重沸器能耗呈線性增大（見(jiàn)圖 6），而 TEG 循環(huán)泵的能耗基本沒(méi)有變化（見(jiàn)圖 7）。

圖6 再生塔重沸器溫度對(duì) TEG 重沸器能耗的影響Fig.6 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG reboiler energy consumption

圖7 再生塔重沸器溫度對(duì) TEG 循環(huán)泵能耗的影響Fig.7 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG circulationpump energy consumption

4.1.2 汽提氣量對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的影響

選定三甘醇再生塔重沸器溫度為 204 ℃并保證干氣質(zhì)量，通過(guò)改變汽提氣量，觀察其對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的影響，見(jiàn)圖 8、9、10。

圖8 汽提氣氣量對(duì)脫水系統(tǒng)能耗的影響Fig.8 The effect of stripping gas on the energy consumption of the dewatering system

分析圖 8 得，當(dāng)汽提氣量從 0.5 kmol/h 提高到1.2 kmol/h 時(shí)，脫水系統(tǒng)的能耗從 632 kW 降低到 619 kW。汽提氣量的增加有助于降低重沸器的熱負(fù)荷（見(jiàn)圖 9），但是對(duì)循環(huán)泵的影響不大，因而使得脫水系統(tǒng)總能耗降低。

圖9 汽提氣氣量對(duì)脫水系統(tǒng)重沸器能耗的影響Fig.9 The effect of stripping gas on TEG reboiler energy consumption

圖10 汽提氣氣量對(duì)脫水系統(tǒng)TEG循環(huán)泵能耗的影響Fig.10 The effect of stripping gas on TEG circulationpump energy consumption

4.2 三甘醇脫水系統(tǒng)理論能耗

根據(jù)天然氣脫水單元工藝流程及用能特點(diǎn)可知，影響天然氣脫水單元能耗的因素主要包括原料氣氣質(zhì)條件、產(chǎn)品氣水露點(diǎn)指標(biāo)、TEG 溶液循環(huán)泵效率、再生塔重沸器、TEG 溶液濃度等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察研究及對(duì)考察資料的分析發(fā)現(xiàn)，脫水系統(tǒng)的能耗主要包括溶液循環(huán)泵的耗電、TEG 再生塔的高壓蒸汽消耗以及循環(huán)冷卻水的消耗。利用模擬軟件HYSYS 建立脫水模塊能耗分析模型（見(jiàn)圖 2），產(chǎn)品氣合格后輸出與之相關(guān)的理論能耗值，其中輸出的理論能耗數(shù)據(jù)包括再生器重沸器熱負(fù)荷、貧富液換熱后貧液水冷所帶走的熱量、三甘醇循環(huán)泵耗能，然而這些值均為理論能耗輸出值，還需進(jìn)一步計(jì)算出理論的能耗值。

確定得出理論能耗值，必須首先明確計(jì)算理論能耗的基準(zhǔn)條件，根據(jù)三甘醇脫水裝置的工藝特點(diǎn)，確定的計(jì)算基準(zhǔn)條件如下：

a.凈化氣的氣質(zhì)要求

依據(jù)國(guó)家對(duì)管輸天然氣氣質(zhì)要求標(biāo)準(zhǔn)，凈化氣水露點(diǎn)在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，比最低環(huán)境溫度還要低 5 ℃[10]。

b.三甘醇再生重沸器溫度

通常情況下，三甘醇重沸器的溫度限制為 204℃。主要原因在于當(dāng)溫度高于 205 ℃時(shí)，三甘醇容易發(fā)生分解，且分解速率隨溫度上升明顯增加。

c.再生貧液的入吸收塔溫度

再生貧液的吸收溫度一般為 10～54 ℃，但是最好控制在 27～38 ℃。吸收溫度低于 21℃時(shí)，三甘醇粘度過(guò)大，起泡增多，損失增加[11]；吸收溫度高于 43 ℃時(shí)，甘醇溶液的脫水能力也會(huì)下降。

d.回收熱量損失

回收貧富液換熱的貧液熱量時(shí)，保溫設(shè)備和換熱效率較高的情況下熱量損失不大。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，取回收熱量損失為5%。

e.裝置處理量

以裝置實(shí)際處理量為準(zhǔn)。

f.基準(zhǔn)原料氣氣質(zhì)

基準(zhǔn)原料氣氣質(zhì)以出儲(chǔ)氣庫(kù)采出氣分析結(jié)果為準(zhǔn)。

根據(jù)建立的脫水系統(tǒng)能耗分析模型的輸出結(jié)果，結(jié)合各種因素，得出脫水裝置的理論能耗計(jì)算值。

（1）高壓蒸汽用量

由模擬所得的再生塔底重沸器熱負(fù)荷 QRegn以及高壓蒸汽冷凝潛熱 HR[12]，可求得再生塔高壓蒸汽用量為：

（2）汽提氣（燃料氣）用量

由在基準(zhǔn)條件下由能耗分析模型直接輸出值。

（3）貧液冷卻水用量

根據(jù)冷卻水所需冷卻的負(fù)荷，可求出用量。

式中：Qcoll為冷卻所需負(fù)荷，kJ/h；Cp,w為用于冷卻的循環(huán)水的比熱容，4.1868 kJ/(kg˙℃)；m 為循水的流量，kg/h；ΔT 為循環(huán)水溫升，℃。

（4）循環(huán)泵的能耗

根據(jù) GB/T 13007-2011《離心泵效率》規(guī)定，離心泵效率在 0.9 為優(yōu)秀。本文能耗計(jì)算所用循環(huán)泵泵效率 η 取 0.9，則計(jì)算得泵的實(shí)際能耗為

（5）總能耗

4.3 脫水系統(tǒng)主要參數(shù)優(yōu)化結(jié)果(表 4)

表 4 脫水系統(tǒng)能耗優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比Table 4 Dewatering system energy optimizationparameters before and after contrast

根據(jù)在確定的基準(zhǔn)條件數(shù)據(jù)下脫水能耗分析模型給出的理論能耗輸出值，便可求得理論能耗量，見(jiàn)圖 11。

圖11 脫水前后能耗優(yōu)化結(jié)果Fig.11Optimization of energy consumption before and after dehydration result

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)幾種脫水工藝進(jìn)行比對(duì)，選出適應(yīng)于儲(chǔ)氣庫(kù)的脫水工藝，即三甘醇脫水工藝。利用 HYSYS模擬軟件對(duì)三甘醇脫水系統(tǒng)能耗分析模型，通過(guò)對(duì)脫水系統(tǒng)的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，得出主要影響因素為三甘醇再生塔溫度和汽提氣量，主要能耗設(shè)備為再生塔重沸器和三甘醇循環(huán)泵。優(yōu)化主要影響因素，與通過(guò)計(jì)算得出的理論能耗進(jìn)行比對(duì)，可知，優(yōu)化參數(shù)后的脫水系統(tǒng)的能耗明顯減少，達(dá)到節(jié)能的目的。

同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)三甘醇脫水工藝提出優(yōu)化措施：

（1）增大脫水裝置汽提氣用量，減少 TEG 循環(huán)量，再生塔重沸器的溫度適當(dāng)降低，通過(guò)這些操作，減少再生器消耗的熱量。

（2）在三甘醇你脫水工藝中，若是汽提氣的用量比較大的情況，應(yīng)考慮把含有水的汽提氣回收待利用。

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Energy Optimization of Ground Dewatering System for Gas Storages

LI Feng-hua1, LIU De-xu2, CAO Xue-wen1, BIAN Jiang1
（1. China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266400，China；2. Sinopec Zhongyuanpetroleum Exploration Bureau Survey and Design Institute, Henanpuyang 457000，China）

A suitable dehydrationprocess-the TEG dehydrationprocess for large gas storage was selected by comparison of several dehydration methods. The main energy consumptionparameters of TEG dehydration device were analyzed from a systemperspective, and the dehydrationprocess was simulated by usingprocess simulation software HYSYS. Theprocessparameters were optimized through studying the influence of the mainparameters on the energy consumption of the dehydration device to achieve thepurpose of saving energy and reducing consumption. At the same time, effective measures to optimize energy efficiency wereput forward.

TEG dehydration;parameter optimization;process simulation; HYSYS simulation software; Energy consumption; Energy conservation

TQ 644

： A

：1671-0460（2017）02-0311-05

2016-09-14

李鳳華（1992-），女，山東省青島市人，碩士研究生，就讀于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：cjwl157@163.com。