王兆鳳，呂連杰

(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

仿真技術(shù)是以計算機和各種設(shè)備為工具，在相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立并利用模型對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的一項綜合技術(shù)[1]。當(dāng)前，為了進(jìn)一步降低天然氣處理的生產(chǎn)運營成本、提高安全運行水平，國內(nèi)外油氣企業(yè)紛紛采用仿真模擬技術(shù)優(yōu)化天然氣處理廠的設(shè)計、運行。

本文將天然氣處理廠設(shè)計運行中重要工藝技術(shù)[2]——三甘醇脫水工藝，引進(jìn)到實驗教學(xué)過程中，為學(xué)員提供一個了解工程實際、應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識的平臺，此工藝仿真實驗的開展不僅能夠創(chuàng)新軟件實訓(xùn)教學(xué)方法，而且對提高學(xué)員的專業(yè)素養(yǎng)

和技術(shù)能力有很大幫助[3]。

1 三甘醇脫水工藝流程

三甘醇脫水工藝流程[4-6]是，含水天然氣自吸收塔底部進(jìn)入，與來自塔頂?shù)娜蚀钾氁哼M(jìn)行逆流吸收，脫除水分，脫水后的天然氣自吸收塔塔頂排出，吸收后的三甘醇富液自吸收塔塔底排出，經(jīng)冷凝器升溫后進(jìn)入閃蒸罐蒸出烴類氣體，再經(jīng)過濾器濾掉部分雜質(zhì)后經(jīng)過貧/富液換熱器再次升溫后通過緩沖罐，再進(jìn)入再生塔內(nèi)完成解吸；解吸后的三甘醇貧液經(jīng)貧/富液換熱器冷卻后，通過甘醇泵輸送至吸收塔頂部循環(huán)使用[7]。如圖1所示。

圖1 三甘醇脫水工藝流程圖

2 實驗方案

2.1 實驗內(nèi)容

(1)穩(wěn)態(tài)模擬。對井口來氣壓力11.2 MPa、處理氣量2.124×104m3/d的穩(wěn)定工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬的模型建立和調(diào)試。

(2)正常工況下的動態(tài)模擬。以穩(wěn)態(tài)模擬為基礎(chǔ)，建立相同工況下的動態(tài)模擬模型，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試。

(3)氣源變化工況下的動態(tài)模擬。在正常工況下動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，將井口來氣壓力由11.2 MPa逐漸降低至6 MPa，來氣溫度、流量均不變，優(yōu)化、調(diào)試新的動態(tài)模型。

(4)誤操作工況下的動態(tài)模擬。在正常工況下動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，將三甘醇吸收塔甘醇出口閥門開度由100%變?yōu)?0%，造成吸收塔液位波動，其他條件均不變，優(yōu)化、調(diào)試新的動態(tài)模型。

(5)仿真結(jié)果的分析。以模擬得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對三甘醇脫水工藝的適用性進(jìn)行分析。

2.2 實驗步驟

2.2.1 建立穩(wěn)態(tài)模型

根據(jù)現(xiàn)場運行參數(shù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，建立三甘醇脫水的穩(wěn)態(tài)模型，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)模擬工藝流程圖

模型各部分功能和建立過程描述如下。

2.2.1.1 氣體脫水流程

①從井口來的濕天然氣進(jìn)入原料氣過濾器中過濾分離掉5 μm以上的固體及液體雜質(zhì)后，由物流7進(jìn)入三甘醇吸收塔下部，濕天然氣在三甘醇吸收塔的上升過程中，與從塔上部下來的貧三甘醇充分接觸，氣液傳質(zhì)交換，脫除掉天然氣中的水分后，再經(jīng)塔頂除沫器除去大于5 μm的甘醇液滴后，干天然氣由塔頂部出塔。

②自三甘醇吸收塔脫水后的干天然氣進(jìn)入到氣體—貧甘醇換熱器與貧甘醇換熱，換熱后干天然氣進(jìn)入產(chǎn)品氣分離器中分離掉天然氣中攜帶的三甘醇后，干天然氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制吸收塔運行壓力，進(jìn)入集配氣總站。

2.2.1.2 三甘醇循環(huán)再生流程

①貧三甘醇由塔上部進(jìn)入吸收塔，由上而下經(jīng)過填料塔盤，吸收天然氣中的水分。吸收水分后的三甘醇富液在泵送下，在換熱器中被塔頂蒸汽加熱至40～60℃后進(jìn)入三甘醇富液閃蒸罐閃蒸分離出溶解在甘醇中的烴氣體，加熱器保證三甘醇富液的溫度符合要求。

②甘醇由閃蒸罐下部流出，依次進(jìn)入預(yù)過濾分離器、活性炭過濾器及后過濾器，過濾掉富甘醇中5 μm以上的固體雜質(zhì)、部分重?zé)N及三甘醇再生時的降解物質(zhì)。

③經(jīng)過濾后富甘醇進(jìn)入三甘醇貧-富液換熱器，與由再生重沸器下部三甘醇緩沖罐流出的熱貧甘醇換熱升溫至130～160℃后進(jìn)入三甘醇再生塔。

④在三甘醇再生塔中，通過提餾段、精餾段、塔頂回流及塔底重沸的綜合作用，使富甘醇中的水分及很小部分烴類分離出塔。塔底重沸溫度為198～203℃，三甘醇重量百分比濃度為98.8～99.2%。

⑤重沸器中的貧甘醇經(jīng)貧液汽提柱，溢流至重沸器下部三甘醇緩沖罐，在貧液汽提柱中可由引入汽提柱下部的熱干氣對貧液進(jìn)行汽提[8]，經(jīng)過汽提后的貧甘醇重量百分比濃度可達(dá)99.8%。

⑥貧液12在換熱器中通過換熱盤管與富甘醇換熱，溫度降至160℃左右出換熱器，進(jìn)入三甘醇貧-富液換熱器，溫度降至80℃以下經(jīng)柱塞泵增壓后，進(jìn)吸收塔吸收天然氣中的水分。

2.2.2 正常工況下的動態(tài)模型

在得到穩(wěn)態(tài)模型各設(shè)備、環(huán)節(jié)的運行參數(shù)后，建立各設(shè)備的動態(tài)模型。之后逐漸增加調(diào)節(jié)閥、安全閥、切斷閥模型，最后增加控制邏輯，并記錄各個設(shè)備的動態(tài)運行數(shù)據(jù)，運行時間設(shè)置為1 h，建立得到的三甘醇脫水的動態(tài)模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，如圖3所示。

圖3 正常工況下的部分運行數(shù)據(jù)

由圖3可見，在正常工況下，各個設(shè)備的各項參數(shù)都能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 氣源變化工況下的動態(tài)仿真模型

在正常工況下動態(tài)模擬模型的基礎(chǔ)上，將井口來氣壓力在20～40 min之間，由11.2 MPa逐漸降低至6 MPa，其他均不變。各個設(shè)備的動態(tài)運行數(shù)據(jù)記錄在覆蓋記錄在電子表格中。

由圖4可見，在氣源變化工況降壓期間，各個設(shè)備的溫度、壓力和體積流量近似處于線性變化，之后保持穩(wěn)定狀態(tài)；外輸天然氣的水露點在小范圍內(nèi)變化劇烈，但基本保持穩(wěn)定；再沸器溫度變化顯著，塔頂溫度基本保持不變。

圖4 氣源變化工況下的部分運行數(shù)據(jù)

2.2.4 誤操作工況下的動態(tài)仿真模型調(diào)試

在正常工況下動態(tài)模擬模型(圖3)的基礎(chǔ)上，將三甘醇吸收塔甘醇出口閥門開度由100%變?yōu)?0%，其他均不變。各個設(shè)備的動態(tài)運行數(shù)據(jù)記錄在覆蓋記錄在電子表格中。

由圖5可見，在誤操作工況下下，閥門開度的變化對吸收塔V-200-I之前的設(shè)備影響較小，吸收塔塔底液位和出口溫度有顯著上升；外輸天然氣的溫度和水露點有明顯的上升，之后保持穩(wěn)定；富液壓力在小范圍內(nèi)有上升，流量有明顯下降；再沸器R-100-I溫度有明顯的上升，再生塔ST-100-I塔頂溫度基本穩(wěn)定。

圖5 誤操作工況下的部分運行數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文設(shè)計了具體的三甘醇脫水工藝仿真實驗。通過該實驗，為學(xué)員提供一個了解工程實際、應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識的平臺，加強和培養(yǎng)了本科學(xué)員的科研能力、創(chuàng)新能力和專業(yè)知識掌握能力，豐富了油氣儲運工程專業(yè)軟件應(yīng)用實踐課程教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。此工藝仿真實驗的開展不僅能夠創(chuàng)新軟件實訓(xùn)教學(xué)方法，而且對提高學(xué)員的專業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)能力有很大幫助。