李天斌

中海石油(中國)有限公司湛江分公司

某海洋氣田中心平臺為8腿中心處理平臺，共有4層甲板，分別是直升機甲板、上層甲板、中層甲板和下層甲板。設置模塊鉆機、120人生活樓、主電站、氣液分離及油水外輸系統(tǒng)、濕氣壓縮及三甘醇(TEG)脫水系統(tǒng)、烴露點控制及干氣外輸系統(tǒng)等。海洋平臺與陸地裝置相比，結構復雜，空間狹小，各工藝單元均按撬裝模式設計，布局更緊湊，分別布置在不同層高的甲板上。

井口氣在平臺上經(jīng)脫水和脫烴，滿足供氣要求的干氣通過海底管道輸送至香港。天然氣在輸送過程中，液態(tài)水的存在會加速天然氣中酸性組分CO2對鋼材的腐蝕，還會形成固態(tài)天然氣水合物，堵塞管道和設備。同時，液態(tài)水聚集在低洼處，也會減小管道的流通截面。天然氣中的飽和水會因壓力及管輸溫度的變化而凝結成液態(tài)水。因此，天然氣在進入管輸系統(tǒng)之前，需要脫除天然氣中的飽和水[1-4]，本裝置采用TEG脫水的方案。

對于TEG脫水與再生系統(tǒng)，TEG循環(huán)量和再沸器操作溫度對再沸器電加熱器能耗有直接影響，汽提氣用量也影響到生產(chǎn)裝置的運營成本。因此，確定TEG循環(huán)量、再沸器操作溫度以及汽提氣量，不僅可以對現(xiàn)場操作起到指導作用，而且可以達到節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。本研究使用Aspen HYSYS軟件對TEG脫水及再生系統(tǒng)進行模擬計算，優(yōu)化工藝參數(shù)，確定各變量之間的相互關系，從而找到最佳操作點。

1 TEG脫水系統(tǒng)基礎

1.1 基礎數(shù)據(jù)

天然氣處理量(15.6 ℃，101.325 kPa，下同)、操作條件及技術指標見表1。

表1 操作條件及干氣水含量Table 1 Operation conditions and dry gas water content天然氣處理量/(m3·d-1)操作溫度/℃操作壓力(G)/kPa干氣中水質(zhì)量濃度(35 ℃,8940 kPa)/(mg·m-3)175×10435.0900030

天然氣的組分含量見表2。

表2 天然氣組分Table 2 Natural gas composition組分摩爾分數(shù)組分摩爾分數(shù)N20.007 789i-C40.007 390CO20.084 182n-C40.006 491H2O0.001 004i-C50.001 797C10.751 144n-C50.000 899C20.101 258n-C60.003 994C30.034 052

1.2 工藝流程描述

三甘醇脫水工藝流程如圖1所示[5]。

溫度為35 ℃、壓力(G)為9000 kPa的濕氣在入口分離器中除去固體顆粒、游離水和液烴，以避免由于甘醇發(fā)泡而造成的溶液損失及塔效率降低，然后從吸收塔底部進入，與從塔頂進入吸收塔的40 ℃貧TEG逆流接觸，通過物理吸附去除氣體中的水。離開塔頂?shù)臍怏w進入貧TEG/干氣換熱器，以冷卻進入塔頂?shù)呢歍EG，隨后，滿足水露點要求的干氣輸送至下游。

吸收塔塔底的富TEG通過再生系統(tǒng)脫除吸收的水：富TEG先后在再生塔塔頂?shù)膿Q熱盤管、冷貧/富TEG換熱器中預熱后，進入閃蒸罐，使溶解氣、TEG及液烴三相閃蒸分離，分離出的三甘醇在顆粒過濾器和活性炭過濾器內(nèi)去除雜質(zhì)及有機物，然后與貧/富TEG換熱器換熱到170 ℃，進入三甘醇再生塔。三甘醇再沸器溫度設定為200 ℃，脫除富甘醇中的水，然后在汽提塔內(nèi)與汽提氣逆流接觸，進一步提高三甘醇的質(zhì)量分數(shù)，達到合格后，陸續(xù)和貧/富TEG換熱器、冷貧/富TEG換熱器換熱到90 ℃后進入緩沖罐，并用貧TEG增壓泵輸送到脫水塔循環(huán)使用。

2 TEG脫水系統(tǒng)模擬及分析

現(xiàn)以第1章中的基礎數(shù)據(jù)及工藝流程描述為基礎，使用Aspen HYSYS軟件搭建三甘醇脫水及再生系統(tǒng)模型，工藝模擬流程如圖2所示。

本次模擬計算關鍵初始值確定：吸收塔理論塔板數(shù)為3，貧TEG進入吸收塔的溫度為40 ℃；富甘醇精餾塔為2塊塔板，再沸器溫度為200 ℃，操作壓力為20 kPa；汽提塔塔板數(shù)為1，汽提氣量為25 m3/h。

對TEG脫水工藝，降低干氣含水量常用的方法有：增加三甘醇循環(huán)量、提高貧甘醇質(zhì)量分數(shù)等；貧甘醇質(zhì)量分數(shù)取決于再沸器溫度、汽提氣量等因素。使用Aspen HYSYS軟件對貧TEG循環(huán)量及質(zhì)量分數(shù)、再沸器溫度及汽提氣用量進行計算，分析各自對TEG脫水效果的影響，最終確定TEG循環(huán)量及質(zhì)量分數(shù)、汽提氣用量、再沸器溫度，以期指導生產(chǎn)。

2.1 三甘醇循環(huán)量的影響

經(jīng)計算，上述條件下，飽和天然氣中水流量為57.5 kg/h，根據(jù)SY/T 0602-2005《甘醇型天然氣脫水裝置規(guī)范》及工程經(jīng)驗，脫除1 kg水需要17～25 L甘醇[6-7]；當脫除1 kg水所用的甘醇量超過40 kg時[8]，對干氣水含量的影響已經(jīng)很小。保持汽提氣流量為25 m3/h，分別計算TEG循環(huán)量在1000～1800 kg/h變化時，貧TEG質(zhì)量分數(shù)、干氣含水量及電加熱器熱負荷的變化，結果如圖3、圖4所示。

由圖3可知：當貧TEG循環(huán)量小于1750 kg/h時，隨著貧TEG循環(huán)量的增加，干氣含水量急劇減小，貧TEG循環(huán)量對干氣含水量的影響較為明顯；當貧TEG循環(huán)量超過1750 kg/h時，干氣含水量基本不隨貧TEG循環(huán)量的增加而發(fā)生變化。

由圖4可知：保持汽提氣流量不變，隨著TEG循環(huán)量的增加，再生貧TEG質(zhì)量分數(shù)略微減小，但變化不大；再沸器電加熱器功率呈線性增長，運行成本將增加。

2.2 再沸器溫度的影響

保持甘醇循環(huán)量為1750 kg/h，逐漸調(diào)整再沸器溫度，將其從180 ℃升至204 ℃，計算并統(tǒng)計干氣含水量和再生貧TEG質(zhì)量分數(shù)，結果見圖5。

由圖5可以看出，隨著再沸器溫度的升高，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)會逐漸增大，干氣含水量也會明顯降低。受TEG物理性質(zhì)的影響，當TEG溫度超過204 ℃時，三甘醇溶液分解速率明顯增加，故再沸器溫度范圍為177～204 ℃[9-11]，一般設定為200 ℃，如果再沸器溫度升高至204 ℃，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)仍然不能滿足脫水要求，就需要調(diào)節(jié)汽提氣量。

2.3 汽提氣的影響

TEG再生系統(tǒng)在沒有汽提氣的情況下，再生貧甘醇質(zhì)量分數(shù)最大可達到98.75%，通過調(diào)整汽提氣流量，再生貧甘醇質(zhì)量分數(shù)最大可達到99.96%[8]。為提高貧甘醇質(zhì)量分數(shù)，通常會使用汽提氣，常用氮氣或燃料氣做汽提氣，其用量通常為15～25 m3/m3TEG[12-13]。本項目基本流程為燃料氣先在再沸器內(nèi)預熱后進入汽提塔底部，與來自再沸器的甘醇在汽提塔內(nèi)逆流接觸?，F(xiàn)計算汽提氣流量在0～40 m3/h范圍內(nèi)變化時，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)及干氣含水的變化情況(重沸器溫度200 ℃)，結果見圖6。

由圖6可以看出，隨著汽提氣流量的增加，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)逐漸增大，但增大的速度越來越慢，當汽提氣流量達到25 m3/h并繼續(xù)增大時，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)將不會有明顯的變化；而隨著汽提氣流量的增加，干氣中含水量急劇減小，當汽提氣流量超過25 m3/h后，干氣中水含量減小的趨勢逐漸減弱。即對于本裝置而言，當重沸器溫度不能再升高時，調(diào)節(jié)汽提氣流量是調(diào)節(jié)貧甘醇質(zhì)量分數(shù)及產(chǎn)品氣中水含量的主要手段。

保持甘醇循環(huán)量為1750 kg/h，計算并統(tǒng)計再沸器在不同溫度下，要使貧TEG質(zhì)量分數(shù)達到99.6%，汽提氣流量的計算結果如圖7所示。

由圖7可知，保持貧TEG質(zhì)量分數(shù)不變，提高再沸器溫度，所使用的汽提氣流量逐漸減少，脫水效果也越來越好。在生產(chǎn)過程中，應綜合考慮再沸器負荷與汽提氣流量的經(jīng)濟成本。

2.4 數(shù)據(jù)對比

將上述模擬計算得到的關鍵工藝參數(shù)和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總于表3。由表3可以看出，模擬計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)基本吻合，模擬計算結果可以用于指導實際生產(chǎn)。

表3 模擬數(shù)據(jù)與工廠數(shù)據(jù)對比表Table 3 Comparison of simulation and factory process parameters項目天然氣處理量/(m3·d-1)吸收塔操作壓力(G)/kPa吸收塔操作溫度/℃再沸器操作壓力(G)/kPa再沸器操作溫度/℃甘醇泵流量/(m3·h-1)再沸器電加熱器功率/kW貧甘醇質(zhì)量分數(shù)/%干氣中ρ(水)/(mg·m-3)模擬數(shù)據(jù)175900035202001.677.0299.6122.05①工廠數(shù)據(jù)175900035202001.678.0099.5821.55② 注:①36.24 ℃,表壓8940 kPa;②36.24 ℃,表壓8960 kPa。

3 結論

(1)三甘醇循環(huán)量直接影響三甘醇脫水裝置的脫水效果，可以按每1 kg 水30 L 甘醇的比例確定脫水系統(tǒng)所需要的甘醇量，如果繼續(xù)增加其循環(huán)量，電加熱器功率會呈直線升高，從而增加操作費用。

(2)通過升高再沸器溫度，可以增大貧甘醇質(zhì)量分數(shù)，理論而言，再沸器溫度越高越好，但考慮到甘醇在高溫下會發(fā)生降解，當TEG溫度超過204 ℃時，三甘醇溶液分解速率明顯增加，一般設定再沸器的操作溫度為200 ℃。

(3)通過增加汽提氣用量，可使貧甘醇質(zhì)量分數(shù)明顯升高，但達到一定的用量后，貧甘醇質(zhì)量分數(shù)及干氣含水量均不再發(fā)生明顯變化，反而會增加汽提塔及再生塔的氣相負荷，甚至發(fā)生液泛。

(4)甘醇循環(huán)量、再沸器溫度及汽提氣量對脫水效果均有明顯的影響，同時，它們也是相互影響的，生產(chǎn)過程中可根據(jù)現(xiàn)場實際情況摸索出最佳操作點，不僅可以滿足生產(chǎn)指標，還能達到節(jié)能降耗的目的。

(5)Aspen HYSYS軟件具有豐富的熱力學數(shù)據(jù)庫及專用熱力學方程，其計算結果能準確模擬三甘醇脫水工藝。通過實際生產(chǎn)與模擬數(shù)據(jù)的對比可知，軟件計算準確，對工藝設計及現(xiàn)場操作具有指導作用。