成慶林 王 雪 孟 嵐 孫 巍 劉鶴皋

1. 東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163000;

2. 大慶油田工程有限責任公司, 黑龍江 大慶 163000

0 前言

中國屬于能源消耗大國,一次能源占有率低,油氣消費對外依存高,現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)對生態(tài)環(huán)境造成過大壓力,迫切需要能源轉(zhuǎn)型及能耗優(yōu)化[1]。未來30年天然氣和非化石能源的地位將會顯著提升,中國能源消費結(jié)構(gòu)將發(fā)生質(zhì)的變化[2]。由于天然氣資源充足而且潔凈有效,是可獲取、可接受、可消費的優(yōu)質(zhì)能源,所以促進天然氣發(fā)展、進行天然氣改革是促進中國燃料生產(chǎn)與消費革命的重大措施[3-4]。

天然氣在凈化儲存和運輸過程中,對天然氣含水量的要求比較嚴格。如果天然氣中有水分存在,在輸送過程中,一定程度上會降低天然氣的熱值和管道輸送能力,還會縮短管道使用年限,這與生產(chǎn)經(jīng)濟與安全息息相關(guān),故天然氣脫水工藝是凈化處理過程中的重要環(huán)節(jié)。三甘醇(TEG)脫水工藝是有效控制管道天然氣水露點的常用脫水方法,Mohamadbeigy K H[5]研究了甘醇循環(huán)量、汽提氣量與吸收塔塔板數(shù)對TEG脫水工藝的影響;李天斌[6]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(guān)系,從而找到最佳操作點;蔣洪等人[7]采用二次回歸正交實驗設(shè)計能耗優(yōu)化方法,有效優(yōu)化了三甘醇脫水裝置的能耗;周軍等人[8]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GA遺傳算法結(jié)合,得出脫水工藝過程優(yōu)化操作參數(shù),單位能耗下降18.13%。但在以往的優(yōu)化研究中，側(cè)重各操作參數(shù)的敏感度分析以影響三甘醇脫水效果,聚焦于脫水裝置的能耗優(yōu)化而忽略了整個系統(tǒng)的碳排放水平。

本文利用Aspen HYSYS軟件,根據(jù)西北某氣田天然氣TEG脫水工藝流程建立數(shù)學模型，根據(jù)實際生產(chǎn)情況,選取影響生產(chǎn)效率的實際參數(shù),對重沸器負荷進行敏感度分析;引入碳排放指標,建立碳排放優(yōu)化模型;采用Aspen HYSYS軟件優(yōu)化器進行優(yōu)化,求解出滿足處理工藝要求的最優(yōu)結(jié)果,為油氣田生產(chǎn)TEG脫水處理工藝的繼續(xù)優(yōu)化提供參考。

1 TEG脫水系統(tǒng)模型建立

1.1 TEG脫水系統(tǒng)工藝流程簡介

TEG脫水系統(tǒng)主要包括天然氣常壓脫水和低壓高溫TEG富溶液(濃縮)再生兩部分。在三甘醇脫水裝置中,三甘醇溶液被用作此設(shè)計工藝流程脫水劑,作用是去除凈化天然氣中大部分的水分。經(jīng)三甘醇吸收器(工作壓力下水露點<-5 ℃)脫水的干燥凈化天然氣作為商業(yè)天然氣出口[9]。TEG脫水系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 TEG脫水系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of TEG dehydration system

原料天然氣首先通過分離裝置進入TEG吸收塔底部,天然氣中的水分在TEG吸收塔頂部通過與TEG溶液逆流接觸后被脫除,干天然氣途經(jīng)TEG吸收塔的頂部到達分離器,經(jīng)分離裝置分離的產(chǎn)品氣被輸送出去。富TEG溶液從吸收塔出來后與再生塔頂部之間進行熱量交換,然后進入TEG富液換熱器,再進入閃蒸罐,溶解在閃蒸罐中的碳氫化合物會很快出現(xiàn),交換之后依次進入TEG富液換熱器和閃蒸罐。TEG脫水處理工藝再生過程中,產(chǎn)生的廢氣被廢氣焚燒爐焚燒,再生的TEG貧液從再生系統(tǒng)出來后依次進入重沸器和緩沖罐。進行熱交換后,通過將貧TEG溶液送入TEG循環(huán)泵,再送入換熱器,最后送至TEG吸收塔頂部,實現(xiàn)TEG的循環(huán)利用。

1.2 設(shè)計物料參數(shù)及組分

西北某氣田的天然氣水露點要求<-5 ℃,濕天然氣的實際參數(shù)及產(chǎn)品氣的設(shè)計物料參數(shù)見表1,物料組分見表2。

表2 設(shè)計物料摩爾組分表Tab.2 Design material molar components

1.3 Aspen HYSYS模擬軟件建立

Aspen HYSYS模擬軟件是一種常見的大型油氣加工模擬軟件,包含動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個部分。Aspen HYSYS模擬軟件可以將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、控制理論、動態(tài)化工和熱力學模型、動態(tài)數(shù)據(jù)處理等有機地結(jié)合起來,通過求解巨型常微分方程組進行動態(tài)仿真模擬[10-12]。本文選用Aspen HYSYS模擬軟件進行工藝流程建模、參數(shù)提取、參數(shù)分析和優(yōu)化過程。

Aspen HYSYS模擬軟件中,Peng-Robinson狀態(tài)方程(即P-R狀態(tài)方程)具有很多優(yōu)點,比如精確度較高、適用范圍廣等,尤其是在TEG脫水工藝流程的氣液平衡模型中表現(xiàn)出良好的收斂性和較高的精度[13]。為使脫水工藝流程快速收斂,同時減少誤差,本文選P-R狀態(tài)方程[14-15]，該軟件初步建立的TEG脫水工藝流程模擬見圖2。

圖2 TEG脫水工藝流程模擬圖Fig.2 Simulation diagram of TEG dehydration process flow

2 TEG系統(tǒng)優(yōu)化方法建立

碳排放的衡量離不開能耗,能耗是導(dǎo)致碳排放的必要因素之一。根據(jù)文獻調(diào)研和實際生產(chǎn)情況,當富甘醇進入再生塔時,入塔時的溫度對產(chǎn)品氣的質(zhì)量有相對較小的影響。在工藝流程中,汽提氣的用量也會影響其熱值和汽提氣加熱器的負荷。在TEG脫水處理工藝流程中,如果入塔時貧甘醇流量、重沸器溫度及汽提氣的用量被嚴格控制住,可以減少蒸汽的消耗量,從而大大減少TEG脫水裝置的能量損耗[16-17],導(dǎo)致碳排放量增加。

2.1 因素敏感度分析

通過敏感性分析,可以確定項目的敏感性因素,并確定這些因素在評估指標中改變時的影響程度[18]。利用HYSYS軟件分別對脫水系統(tǒng)內(nèi)TEG循環(huán)量、汽提氣用量、重沸器溫度對重沸器負荷的影響進行敏感度分析,根據(jù)重沸器負荷變化得出關(guān)鍵因素。重沸器負荷變化見圖3。

圖3 重沸器負荷變化圖Fig.3 Reboiler load variation

通過敏感性分析,可以找出其關(guān)鍵敏感因素。由圖3可知:當改變汽提氣用量時,重沸器負荷變化幅度是最小的;當改變重沸器溫度時,重沸器負荷變化幅度較為明顯;當改變TEG循環(huán)量時,重沸器負荷變化幅度最為明顯。

2.2 TEG系統(tǒng)碳排放源識別

“雙碳”目標的提出,將引領(lǐng)石油化工行業(yè)進入前所未有的時代,全球石油化工行業(yè)競爭格局也將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變[19]。《中國石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)—2015》主要包含燃料燃燒、逸散排放、工藝放空的直接排放源,以及用電消耗的間接碳排放源。此次設(shè)計對TEG脫水系統(tǒng)進行碳排放源識別分析。在此次設(shè)計工藝流程中,TEG循環(huán)泵設(shè)備為主要能耗設(shè)備,屬于間接碳排放源,而重沸器設(shè)備為耗熱設(shè)備,再生塔設(shè)備也為耗熱設(shè)備,重沸器設(shè)備與再生塔設(shè)備都屬于燃燒源。此外,由于工藝流程中的緩沖罐和閥門都會產(chǎn)生少量的逸散碳排放量,因此廢氣焚燒爐中存在大量放空污染源。但由于選擇優(yōu)化的參數(shù)并不涉及緩沖罐、閥門和廢氣焚燒爐,因此TEG系統(tǒng)的碳排放量優(yōu)化邊界并不涉及逸散排放源和工藝放空源。燃料燃燒源碳排放核算見式(1)。

(1)

間接排放源碳排放核算見式(2)。

E=AD2×EF

(2)

西北某氣田TEG脫水系統(tǒng)的熱能由天然氣燃燒供給,天然氣低位熱值為38 931 kJ/m3,含碳量為0.000 596 tCO2/m3,碳氧化率為0.99,西北區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子為0.667 1 tCO2/(MW·h)。

2.3 TEG系統(tǒng)碳排放量優(yōu)化模型建立

TEG脫水工藝流程中,TEG循環(huán)泵、重沸器和再生塔為主要耗能裝置,碳排放節(jié)點為TEG循環(huán)泵的電耗，以及重沸器和汽提氣的熱耗。根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)的控制選取,建立該系統(tǒng)碳排放量優(yōu)化模型見式(3)～(5)。

(3)

s.t.l≤g(x1,x2,x3)≤u

(4)

z≤-5

(5)

2.4 Aspen HYSYS優(yōu)化方法選用

TEG循環(huán)量、濕天然氣進塔時溫度、汽提氣的體積流量和重沸器溫度等參數(shù)對天然氣脫水效果和重沸器碳排放量影響相對較大[3,20]。由于濕天然氣的溫度主要由上游流程決定,該系統(tǒng)無法進行調(diào)節(jié);此外,Optimizer優(yōu)化器不能將再生塔內(nèi)部的約束條件設(shè)置為自變量,所以針對脫水流程可優(yōu)化的變量為TEG循環(huán)量和汽提氣的體積流量。令TEG循環(huán)量x1,汽提氣用量x2為自變量,以單位用能E為目標函數(shù),建立優(yōu)化模型[21],其約束方程設(shè)定見表3。

表3 Aspen HYSYS優(yōu)化約束條件表Tab.3 Aspen HYSYS optimization constraints

Aspen HYSYS軟件自帶優(yōu)化方法包括BOX、SQP、MIX、Fletcher Reeves、Quasi-Newton,見表4。

表4 Aspen HYSYS軟件自帶優(yōu)化方法表Tab.4 Aspen HYSYS built-in optimizer optional optimization method

根據(jù)TEG系統(tǒng)建立的碳排放量優(yōu)化模型,結(jié)合Aspen HYSYS軟件自帶優(yōu)化方法的特點,選擇BOX、SQP、MIX方法進行優(yōu)化求解。優(yōu)化流程見圖4。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

模擬結(jié)果見表5。對上述影響碳排放量的三個重要參數(shù)TEG循環(huán)量、汽提氣用量和重沸器溫度進行分析后認為:當重沸器溫度降低時,貧甘醇溶液的含量也相應(yīng)降低,同時產(chǎn)品氣的質(zhì)量也隨著貧甘醇溶液含量的降低而相應(yīng)下降,同時重沸器的加熱負荷和重沸器消耗的蒸汽量也隨之降低。與貧甘醇流量和重沸器溫度這兩個參數(shù)相比較,汽提氣用量的變化對重沸器蒸汽消耗量的影響相對較小。

圖4 HYSYS優(yōu)化流程圖Fig.4 Aspen HYSYS optimization flow chart

表5 Aspen HYSYS優(yōu)化前后結(jié)果對比表Tab.5 Comparison of results before and after Aspen HYSYS optimization

模擬結(jié)果表明,由于經(jīng)過優(yōu)化,TEG再生重沸器的加熱負荷明顯降低,從而導(dǎo)致了整體的單位綜合能耗顯著下降,節(jié)電效益突出,在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中值得推廣應(yīng)用。通過對TEG脫水工藝參數(shù)和工藝過程優(yōu)化的研究,確定了TEG脫水工藝參數(shù),由于Aspen HYSYS優(yōu)化模型為理想狀態(tài)下的最優(yōu)結(jié)果,故在實際現(xiàn)場中選取SQP模型的模擬優(yōu)化結(jié)果作為操作參考。當汽提氣用量、入塔貧甘醇流量這兩個主要參數(shù)的數(shù)值均滿足設(shè)計要求且重沸器的溫度設(shè)定為188 ℃時,利用Aspen HYSYS軟件模擬三甘醇脫水工藝流程,通過優(yōu)化前后結(jié)果對比可知,優(yōu)化后能耗降低了約6.7%。

通過TEG系統(tǒng)優(yōu)化前后碳排放核算對比,以SQP模型下的結(jié)果為參考,該系統(tǒng)內(nèi)燃料燃燒源碳排放可達到0.050 43 tCO2/d,間接排放源排放可達到0.005 066 tCO2/d,總碳排放量可達到0.055 496 tCO2/d,優(yōu)化前的系統(tǒng)原始碳排放量為0.057 567 565 tCO2/d,優(yōu)化后的脫水系統(tǒng)可減少碳排放量0.002 07 tCO2/d,每年可減少0.756 0 tCO2的排放量。該優(yōu)化研究對“雙碳”的實施有著一定的經(jīng)濟參考價值。

4 建議

1)在TEG脫水工藝模擬過程中,將TEG溶液的循環(huán)量提高,其它參數(shù)保持恒定不變時,露點溫降會變大;但是當TEG溶液循環(huán)量提高到一定程度時,重沸器設(shè)備的負荷將會增加,同時也會增加能耗。在實際生產(chǎn)過程中,通過合理的工藝流程優(yōu)化,選擇合適的工藝參數(shù),不僅可以提高生產(chǎn)效率,還可以達到節(jié)能環(huán)保減排的效果。

2)在使用Aspen HYSYS數(shù)值模擬軟件進行工藝參數(shù)敏感性分析時,結(jié)果顯示TEG循環(huán)量對重沸器熱負荷敏感度影響最大,其次是重沸器溫度,影響較小的是汽提氣用量。

3)基于碳核算的TEG系統(tǒng)優(yōu)化研究,建立碳排放模型,找出最佳工藝參數(shù),對企業(yè)碳排放核算清單的建立具有一定的參考價值。對于油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化,碳排放是未來參考的重要指標之一。