馬晨波 劉向東 鄭海敏 武旭 張超

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 2.莫斯科國立大學(xué)

天然氣脫水是油氣集輸工藝中的重要環(huán)節(jié)，通過脫水處理可以降低管道中水合物堵塞的風(fēng)險，同時可減緩天然氣中酸性組分對管材和設(shè)備的腐蝕速度。三甘醇(Triethylene glycol，TEG)吸收是常用的天然氣脫水方法，具有能耗低、占地面積小、操作便捷等特點[1-8]。近年來，針對TEG系統(tǒng)的脫水效果和參數(shù)優(yōu)化已開展了較為系統(tǒng)的研究。Mohamadbeigy[9]研究了甘醇循環(huán)量、汽提氣量和吸收塔塔板數(shù)對含水率的影響。Ghiasi等[10]采用MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和LSSVM算法計算預(yù)測了TEG脫水系統(tǒng)的最優(yōu)汽提氣循環(huán)量。Rahimpour等[11]通過調(diào)整三甘醇脫水系統(tǒng)壓力、貧甘醇濃度和甘醇注入位置等方式大幅降低了產(chǎn)品氣的水露點。王飛等[12]通過對比天然氣入口溫度、貧甘醇入口溫度、再沸器溫度等參數(shù)對外輸干氣含水量的影響得到了最優(yōu)操作參數(shù)。李天斌[13]對貧TEG循環(huán)量及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、再沸器溫度和汽提氣流量進(jìn)行模擬優(yōu)化，得到最佳運行參數(shù)并將其應(yīng)用于生產(chǎn)操作。Darwish等[14]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析了操作壓力、濕氣量、汽提氣量波動對脫水系統(tǒng)的影響。

綜上，目前對于TEG脫水系統(tǒng)的優(yōu)化研究主要側(cè)重于各操作參數(shù)對天然氣脫水效果的影響趨勢。雖然依據(jù)各變量對產(chǎn)品氣中水含量的影響趨勢可以提升TEG系統(tǒng)的處理效果，但由于不同的操作參數(shù)對于TEG系統(tǒng)脫水效果的影響程度不同，所調(diào)節(jié)參數(shù)可能不是影響脫水效果的最敏感參數(shù)。此外，目前的研究重點關(guān)注調(diào)節(jié)結(jié)果，而忽略了TEG系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，在實際操作中仍存在一定的盲目性。鑒于此，以國內(nèi)某海上平臺正在運行的TEG脫水系統(tǒng)為對象，通過HYSYS軟件建立了符合現(xiàn)場運行狀況的模型，模擬得到貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量對產(chǎn)品氣中水含量的影響；在此基礎(chǔ)上，通過計算各操作參數(shù)對產(chǎn)品氣中水含量的相對敏感度，明確了影響產(chǎn)品氣中水含量的最敏感參數(shù)，提出了一種TEG系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，以期為其他油氣田TEG系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)提供參考。

1 TEG脫水系統(tǒng)模型的建立

1.1 TEG脫水系統(tǒng)工藝流程

TEG脫水系統(tǒng)入口氣來自上游壓縮機(jī)系統(tǒng)，入口濕氣(40 ℃、7 200 kPa)經(jīng)過入口過濾分離器去除固體顆粒、游離水等后進(jìn)入吸收塔底部，與來自塔頂溫度為45 ℃的貧TEG接觸，通過吸附作用脫除天然氣中的水。處理后的干氣離開吸收塔塔頂，經(jīng)貧TEG/干氣換熱器后輸送至海管入口。

吸收水后的富TEG從吸收塔塔底流向再生塔，經(jīng)換熱后進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行氣液分離。隨后富TEG過濾掉雜質(zhì)和有機(jī)物，換熱至165 ℃進(jìn)入TEG再生塔(195 ℃)。汽提氣經(jīng)過再沸器預(yù)熱后進(jìn)入汽提塔，與來自再沸器的TEG接觸。再生的貧TEG溶液增壓送至吸收塔頂部。TEG脫水系統(tǒng)工藝流程見圖1。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

TEG脫水系統(tǒng)設(shè)計處理能力為5×104m3/h，目前，實際天然氣處理量為4.17×104m3/h，汽提塔的汽提氣(氮氣)實際運行流量為20 m3/h，根據(jù)用戶需求，脫水后天然氣中水質(zhì)量濃度應(yīng)低于13.5 mg/m3。吸收塔入口濕氣組分見表1。

表1 入口濕氣組分摩爾比例組分摩爾分?jǐn)?shù)/%組分摩爾分?jǐn)?shù)/%CO22.4n-C42.2N20.8i-C50.3C178.5n-C50.3C27.4n-C60.1C37.1H2O0.1i-C40.8

1.3 TEG脫水系統(tǒng)HYSYS模型

根據(jù)TEG脫水系統(tǒng)的工藝流程圖(process flow diagram，簡稱PFD)，采用HYSYS軟件建立了模型，如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場運行情況，在模型中輸入各設(shè)備的操作壓力、溫度等操作參數(shù)，計算得到再沸器加熱功率、貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)品氣中水含量，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對比結(jié)果見表2。

由表2可知，HYSYS模擬得到的再沸器加熱功率、貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干氣中水質(zhì)量濃度與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)接近，說明HYSYS所建模型可靠。

表2 模型計算結(jié)果與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對比項目貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)再沸器加熱功率/kW貧TEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%干氣中水質(zhì)量濃度/(mg·m-3)HYSYS結(jié)果722.046.2399.6113.12現(xiàn)場數(shù)據(jù)722.046.28 99.5913.31

2 敏感性分析方法

敏感性分析是描述自變量對因變量影響程度的有效手段，通過敏感性分析，可得到各自變量的敏感程度和潛在關(guān)系[15-16]。如果一個因變量同時對應(yīng)多個自變量，由于各自變量的變化范圍、變化幅度不同，應(yīng)使用相對敏感度進(jìn)行分析[16]。天然氣TEG脫水工藝常見的調(diào)節(jié)方法有：改變?nèi)肟跐駳鉁囟?、改變?nèi)蚀佳h(huán)量、改變貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)等；其中，貧甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于再沸器溫度和汽提氣量等因素[11,13]。以TEG系統(tǒng)脫水后產(chǎn)品氣中水含量作為因變量，通過分析貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量4個自變量的相對敏感度，明確了其對TEG脫水效果的影響程度。無量綱相對敏感度計算公式見式(1)。

(1)

3 TEG脫水系統(tǒng)模擬分析及調(diào)節(jié)方法

HYSYS模型的基本信息如下：①吸收塔理論塔板數(shù)為4，操作壓力為7 200 kPa，入口濕氣溫度為40 ℃，貧TEG進(jìn)入吸收塔溫度為45 ℃；②再生塔理論塔板數(shù)為3塊，再沸器溫度為195 ℃，操作壓力為20 kPa；③汽提塔理論塔板數(shù)為2，汽提氣量為20 m3/h。以下系統(tǒng)分析了貧TEG循環(huán)量、入口濕氣溫度、再沸器溫度和汽提氣量對產(chǎn)品氣中水含量的影響。

3.1 貧TEG循環(huán)量的影響

采用單一變量法，保持吸收塔入口濕氣溫度40 ℃、再沸器溫度195 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算了貧TEG循環(huán)量變化對TEG系統(tǒng)脫水后產(chǎn)品氣中水含量的影響，計算步長為23 kg/h，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，當(dāng)貧TEG循環(huán)量低于1 000 kg/h時，處理后產(chǎn)品氣中水含量隨著TEG循環(huán)量的增大逐漸降低，且呈現(xiàn)出先快后慢的下降趨勢。當(dāng)貧TEG循環(huán)量為67.7 kg/h時，經(jīng)過TEG系統(tǒng)處理后，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度高達(dá)463.4 mg/m3。當(dāng)貧TEG循環(huán)量增至722.0 kg/h時，脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度可降至13.1 mg/m3。隨著貧TEG循環(huán)量進(jìn)一步升高，當(dāng)循環(huán)量為902.4 kg/h時，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度僅為10.9 mg/m3。

為了進(jìn)一步分析貧TEG循環(huán)量對產(chǎn)品氣中水含量的影響，采用式(1)計算得到貧TEG循環(huán)量的相對敏感度。圖3數(shù)據(jù)點的數(shù)值微分可采用四階的牛頓插值多項式進(jìn)行計算[17]，如式(2)所示。

(2)

采用式(2)計算得到各點的數(shù)值微分值，然后將結(jié)果代入式(1)中，可得到貧TEG循環(huán)量的相對敏感度，計算過程示例見表3。其中，yi是產(chǎn)品氣中水含量，xi是貧TEG循環(huán)量。

在整個貧TEG循環(huán)量范圍內(nèi)，相對敏感度均為負(fù)值，這是因為隨著貧TEG循環(huán)量的增大，脫水后產(chǎn)品氣中水含量逐漸降低(圖3)。自變量對因變量的影響取決于相對敏感度的絕對值大小。對貧TEG循環(huán)量而言，相對敏感度絕對值越大，說明其對產(chǎn)品氣中水含量的影響越大，不同貧TEG循環(huán)量下的相對敏感度絕對值見圖4。由圖4可知，當(dāng)貧TEG循環(huán)量低于496 kg/h時，相對敏感度絕對值隨著貧TEG循環(huán)量的增大而增大。當(dāng)貧TEG循環(huán)量為496 kg/h時，相對敏感度絕對值達(dá)到最大值2.41，說明該貧TEG循環(huán)量對產(chǎn)品氣中水含量的影響最大。隨著貧TEG循環(huán)量的進(jìn)一步升高，相對敏感度絕對值隨著TEG循環(huán)量的增大而減小。當(dāng)貧TEG循環(huán)量增大至900 kg/h以上時，相對敏感度絕對值接近于0，說明此時貧TEG循環(huán)量對產(chǎn)品氣中水含量的影響很小。

表3 相對敏感參數(shù)計算示例貧TEG循環(huán)量xi/(kg·h-1)產(chǎn)品氣含水量yi/(mg·m-3)Δyi/(mg·m-3)Δ2yi/(mg·m-3)Δ3yi/(mg·m-3)Δ4yi/(mg·m-3)Syx67.68463.38-75.4113.29-2.220.04-0.54 90.25387.97-62.1211.07-2.180.65-0.71112.81325.85-51.058.89-1.53……135.37274.80-42.167.37…157.93232.64-34.79…180.49197.85…… 注:Δnyi=Δn-1yi+1-Δn-1yi。

3.2 入口濕氣溫度的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、再沸器溫度195 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算了吸收塔入口濕氣溫度的變化對產(chǎn)品氣中水含量的影響，計算步長為0.5 ℃，結(jié)果如圖5(a)所示。根據(jù)SY/T 0076-2008《天然氣脫水設(shè)計規(guī)范》，吸收塔入口濕氣溫度不宜高于48 ℃[18]。海上平臺常采用海水作為冷卻介質(zhì)，受限于環(huán)境溫度，天然氣溫度一般不低于30 ℃。采用3.1節(jié)的方法，得到了入口濕氣溫度對脫水后產(chǎn)品氣中水含量的相對敏感度絕對值，結(jié)果如圖5(b)所示。

由圖5(a)可知，在30～48 ℃的溫度范圍內(nèi)，脫水后產(chǎn)品氣中水含量隨入口濕氣溫度的升高而增大，且增長速率越來越快。當(dāng)入口濕氣溫度為30 ℃時，脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度僅為3.3 mg/m3，當(dāng)入口濕氣溫度達(dá)到40 ℃時，處理后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為13.1 mg/m3，接近入口濕氣為30 ℃時產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度的4倍。當(dāng)入口濕氣溫度增至48 ℃時，經(jīng)TEG系統(tǒng)脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度可高達(dá)40.2 mg/m3。

由于產(chǎn)品氣中水含量隨入口濕氣溫度的升高而增大，整個溫度區(qū)間內(nèi)相對敏感度始終大于0，各入口濕氣溫度下的相對敏感度與相對敏感度絕對值相等。由圖5(b)可知，隨著入口濕氣溫度的升高，相對敏感度絕對值逐漸增大，入口濕氣溫度從30 ℃升至48 ℃，相對敏感度絕對值由3.68增至6.52。由此說明，在其他操作參數(shù)維持不變的前提下，當(dāng)入口濕氣溫度較高時，溫度對產(chǎn)品氣中水含量的影響更大。

3.3 再沸器溫度的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、入口濕氣溫度40 ℃和汽提氣量20 m3/h不變，計算得到不同再沸器溫度下產(chǎn)品氣中水含量，計算步長為0.5 ℃，結(jié)果如圖6(a)所示。根據(jù)SY/T 0076-2008《天然氣脫水設(shè)計規(guī)范》和已有研究成果[18-20]，再沸器溫度不應(yīng)高于204 ℃，避免三甘醇溶液的快速分解。再沸器溫度通?？刂圃?70～204 ℃[12]。采用3.1節(jié)的方法，計算了再沸器溫度對脫水后天然氣中水含量的相對敏感度絕對值，結(jié)果如圖6(b)所示。

由圖6(a)可知，隨著再沸器溫度的升高，脫水后產(chǎn)品氣中水含量逐漸降低。當(dāng)再沸器溫度為170 ℃時，脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為31.0 mg/m3。當(dāng)再沸器溫度升至204 ℃時，脫水后天然氣中水質(zhì)量濃度可降至11.2 mg/m3，比再沸器溫度為170 ℃時產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度下降了63.9%。

由圖6(b)可知，相對敏感度絕對值隨著再沸器溫度的升高而降低，當(dāng)再沸器溫度由170 ℃升至204 ℃時，相對敏感度絕對值由7.29降至2.81，說明較低的再沸器溫度對產(chǎn)品氣中水含量的影響更大。

3.4 汽提氣量的影響

保持貧TEG循環(huán)量722.0 kg/h、入口濕氣溫度40 ℃和再沸器溫度195 ℃不變，計算得到汽提氣量對產(chǎn)品氣中水含量的影響，計算步長為0.5 m3/h，結(jié)果如圖7(a)所示。TEG系統(tǒng)汽提氣可采用燃料氣或氮氣，本平臺采用氮氣?？紤]平臺現(xiàn)有制氮系統(tǒng)規(guī)模和常用的汽提氣量[21]，本研究計算汽提氣量范圍為0～50 m3/h。采用3.1節(jié)的方法，得到不同汽提氣量下的相對敏感度絕對值，結(jié)果如圖7(b)所示。

由圖7(a)可知，隨著汽提氣量的增大，脫水后產(chǎn)品氣中水含量逐漸降低。當(dāng)汽提氣量為0 m3/h時，脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為88.8 mg/m3。當(dāng)汽提氣量增至20 m3/h時，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度可降至13.1 mg/m3，比無汽提氣時下降了85.2%。汽提氣量進(jìn)一步提升至50 m3/h時，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度僅為9.73 mg/m3。

由圖7(b)可知，隨著汽提氣量的增大，相對敏感度絕對值經(jīng)歷了先升高后降低的變化趨勢。當(dāng)汽提氣量為13.5 m3/h時，相對敏感度絕對值達(dá)到最大值0.918；相比其他汽提氣量，此時汽提氣量對產(chǎn)品氣中水含量的影響更大。

3.5 TEG脫水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

增大貧TEG循環(huán)量、降低入口濕氣溫度、提高再沸器溫度或提升汽提氣用量均有助于降低產(chǎn)品氣中水含量，但不同操作參數(shù)對產(chǎn)品氣中水含量的影響程度不一。相對敏感度的正負(fù)代表因變量隨自變量的變化趨勢，其絕對值反映了自變量對因變量的影響程度。通過分析各工作點(即當(dāng)前操作參數(shù))的相對敏感度絕對值大小，可確定對應(yīng)工況點的最敏感操作參數(shù)，從而為TEG脫水系統(tǒng)提供一種調(diào)節(jié)方法，見圖8。

通過計算不同工作點各操作參數(shù)的相對敏感度，按照調(diào)節(jié)最敏感操作參數(shù)的原則，逐步調(diào)節(jié)TEG脫水系統(tǒng)，直至滿足脫水要求。本研究以該平臺TEG脫水系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀作為初始工作點，對調(diào)節(jié)步驟進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

表4 TEG調(diào)節(jié)步驟計算結(jié)果工作點貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)入口濕氣溫度/℃再沸器溫度/℃汽提氣量/(m3·h-1)無量綱相對敏感度絕對值|Syx|貧TEG循環(huán)量入口濕氣溫度再沸器溫度汽提氣量產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度/(mg·m-3)0722.040195201.545.814.310.77213.121722.039195201.405.604.780.85011.372722.038195201.245.405.200.9309.863722.037195201.105.235.710.9868.544722.037196201.205.325.510.9888.30

開始時，TEG脫水系統(tǒng)入口濕氣溫度為40 ℃，TEG循環(huán)量為722.0 kg/h，再沸器溫度為195 ℃，汽提氣量為20 m3/h，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為13.1 mg/m3。假定目前的脫水效果不能滿足用戶需求，需進(jìn)一步將產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度降至8.5 mg/m3以下。

根據(jù)3.1～3.4節(jié)，可得到初始工作點(序號0)各操作參數(shù)的相對敏感度絕對值，如表4所列。

對于工作點0而言，入口濕氣溫度的相對敏感度絕對值最大，說明在此條件下該參數(shù)對于產(chǎn)品氣中水含量的影響最大，故降低入口濕氣溫度為最優(yōu)選擇。當(dāng)入口濕氣溫度降至38 ℃時(工作點2)，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為9.86 mg/m3，比要求的水質(zhì)量濃度高1.36 mg/m3；此時，入口濕氣溫度的相對敏感度絕對值仍然最大，因此，繼續(xù)降低入口濕氣溫度。當(dāng)入口濕氣溫度為37 ℃時，產(chǎn)品氣中水含量仍高于要求指標(biāo)，但在工作點3處，再沸器溫度的相對敏感度絕對值最大，此時，應(yīng)通過提升再沸器溫度來提升脫水效果。當(dāng)再沸器溫度升至196 ℃時，產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度為8.30 mg/m3，滿足要求，至此，整個調(diào)節(jié)過程結(jié)束。由此可知，為了將TEG系統(tǒng)脫水效果進(jìn)一步提升至要求的指標(biāo)，整個調(diào)試過程為：先將TEG系統(tǒng)入口濕氣溫度由40 ℃降至37 ℃，然后在此基礎(chǔ)上，將再沸器溫度由195 ℃升至196 ℃。

將上述模擬調(diào)試過程應(yīng)用于現(xiàn)場，得到的產(chǎn)品氣中水含量見表5。從表5可以看出，現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果與模擬結(jié)果接近，說明該調(diào)節(jié)方法可用于指導(dǎo)現(xiàn)場實際生產(chǎn)。

表5 TEG調(diào)試模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比工作點貧TEG循環(huán)量/(kg·h-1)入口濕氣溫度/℃再沸器溫度/℃汽提氣量/(m3·h-1)產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度/(mg·m-3)模擬結(jié)果現(xiàn)場數(shù)據(jù)0722.0401952013.1213.311722.037195208.548.702722.037196208.308.44

4 結(jié)論

使用HYSYS軟件建立了符合現(xiàn)場運行狀況的TEG脫水系統(tǒng)模型，通過模擬得到了不同操作參數(shù)對產(chǎn)品氣中水含量的影響。在此基礎(chǔ)上，分析了各操作參數(shù)的無量綱相對敏感度，據(jù)此提出了一種TEG脫水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法。

(1) 在TEG脫水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀下，模擬分析操作參數(shù)發(fā)現(xiàn)：TEG循環(huán)量和汽提氣量對產(chǎn)品氣中水含量的相對敏感度存在峰值，隨著操作參數(shù)的增大，相對敏感度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢；而入口濕氣溫度和再沸器溫度的相對敏感度隨著操作參數(shù)的變化呈現(xiàn)單調(diào)變化的規(guī)律。

(2) 提出了一種TEG脫水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。通過對比各工作點操作參數(shù)的相對敏感度絕對值，確定了該條件下的最敏感操作參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)各工作點最敏感的操作參數(shù)，直至產(chǎn)品氣中水含量滿足脫水要求。

(3) 本研究中入口濕氣溫度和再沸器溫度的相對敏感度絕對值比貧TEG循環(huán)量和汽提氣量大，說明入口濕氣溫度和再沸器溫度是影響產(chǎn)品氣中水含量的主要敏感因素。根據(jù)不同工況點各操作參數(shù)的相對敏感度絕對值計算結(jié)果，采用先降低入口濕氣溫度、再提升再沸器溫度的步驟對該TEG脫水系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)節(jié)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果接近。