某海洋平臺天然氣水露點控制及用能優化研究

劉吼（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

1 概述

某海洋平臺為8 腿導管架平臺，由樁、導管架和組塊組成。平臺負責對井口采出氣或伴生氣進行脫水、脫碳及脫烴處理，處理合格后的干氣通過海底管道輸送至下游用戶[1]。其中，天然氣水露點是氣體輸送的主要控制指標之一，根據GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》的要求，水露點應比最低環境溫度低5 ℃及以上。如外輸天然氣中夾帶液態水或液烴，將導致在立管或地形起伏的管段處形成兩相流或段塞流，降低管道輸送效率，部分海泥低溫區還會形成水合物堵塞管道，并影響終端壓縮機透平的正常運行。目前，天然氣水露點控制的方法有吸收法、吸附法和低溫冷凍法等[2-3]，且以吸收法中的三甘醇（TEG）脫水工藝應用最為廣泛。李天斌利用HYSYS 軟件對海洋中心處理平臺的天然氣脫水狀態進行了模擬，得到了不同操作參數下的最佳運行條件[4]；王飛等人在固定吸收塔操作壓力下，獲取了不同運行參數的自變量和因變量的關系，得到了滿足海上平臺外輸標準的干氣露點[5]；錢欣等人以碳排量總量最小為目標函數，通過遺傳算法實現了碳排放的降低[6]。以上研究結果和優化方法均存在計算量大、計算效率低、關鍵參數考慮不全、需要根據經驗對目標值進行調整等問題，降低了優化過程的可行性和科學性，并造成調節過程不必要的資源浪費。

某海洋平臺在運行的過程中，其運行參數與設計參數存在不一致的現象，說明存在較大的能耗優化空間?；诖?，為減少現場工藝參數的調節次數，避免停車事故的發生，通過HYSYS 軟件搭建天然氣脫水工藝流程，并利用軟件自帶的求解器實現最優運行參數求解，為指導現場生產提供實際參考。

2 基于HYSYS 軟件的脫水系統模型

HYSYS 軟件具有操作界面友好、組分庫豐富、狀態方程齊全等優點，可以用于吸收塔、蒸餾塔、分餾塔等塔器參數的計算，被廣泛用于油氣田地面工程領域的工藝流程模擬和動態控制。文中主要采用穩態部分進行脫水工藝調試，模擬脫水系統優化前后的工藝參數變化情況。

2.1 現場脫水流程

脫水流程分為三甘醇貧液吸收和三甘醇富液再生兩部分。對于前者流程，原料氣先經過過濾式分離器，分離濕氣中夾帶的液烴、固體雜質和游離水等物質；再從吸收塔底進入，原料氣自下而上、三甘醇貧液自上而下運行，通過介質間的傳質完成貧液吸收水分的過程，干氣通過干氣/貧液換熱器加熱后外輸。對于后者流程，吸收塔底流出的三甘醇富液通過與再生塔塔頂氣體進行換熱后，經閃蒸罐分離出閃蒸氣用于平臺上的燃料消耗，多余氣體接入火炬系統放空；最后三甘醇富液與貧液進一步換熱后，進入再生塔完成再生過程。為提高三甘醇貧液的質量分數，在汽提柱通入少量外輸干氣對貧液進行再度提濃。

2.2 基礎數據

原料氣處理量（101.325 kPa、20 ℃）和基礎工況參數見表1，原料氣組成見表2。根據現場交接要求，確定脫水后的干氣水露點應小于-10 ℃。

表1 原料氣處理量和基礎工況參數Tab.1 Feed gas treatment capacity and basic operating parameters

表2 原料氣組成Tab.2 Feed gas composition 摩爾分數/%

2.3 狀態方程選取及模型驗證

參照脫水流程，在HYSYS 軟件中搭建模擬工藝（圖1）。其中：吸收塔和再生塔的塔板數均為6，內部填料形式為金屬鮑爾環；采用汽提塔代替汽提柱；通過Balance 模塊傳遞吸收塔塔頂干氣的組分摩爾流，以確定干氣露點；通過Recycle 模塊將富甘醇再生后的貧甘醇循環至吸收塔頂部塔板；將再生塔頂部精餾柱采用分離器代替，通過Recycle 模塊將回流冷凝液循環至再生塔頂部塔板；再生塔底流出的貧甘醇經汽提柱提純，通過Recycle 模塊將汽提后的氣體循環至再生塔底部塔板；通過Sprdsht 模塊計算比功耗數值。

圖1 基于HYSYS 軟件的模擬工藝Fig.1 Simulation process based on HYSYS software

為避免TEG 溶液在純度較高時，軟件求解過程中出現奇異解現象，采用Glycol Package 狀態方程求解TEG-水系統的相平衡狀態。

將表1 至表2 的基礎數據代入HYSYS 軟件模擬流程中，計算中間及結果參數，模擬結果與現場數據對比見表3?？梢娔M結果與現場數據基本一致，產生誤差的原因：一是模擬流程是理想結果，二是現場測試數據存在一定系統誤差和偶然誤差。但綜合看，兩者結果的一致性較好，說明HYSYS模擬流程準確、可靠。

表3 模擬結果與現場數據對比Tab.3 Comparison between simulation results and field data

3 單因素影響實驗及敏感性分析

通過變量控制法，研究不同工藝參數對水露點和用能的影響。其中，流程中的用能設備包括溶液循環泵、塔底再沸器和汽提氣加熱器，采用比功耗作為用能衡量指標，計算公式為：

式中：E為比功耗，kWh/kg；W1、W2、W3分別為溶液循環泵、塔底再沸器和汽提氣加熱器的功率，kW；Q為干氣質量流量，kg/h。

3.1 原料氣進塔溫度的影響

根據SY/T 0076—2008 《天然氣脫水設計規范》的要求，原料氣進塔溫度應在15～48 ℃之間，且不宜超過48 ℃。該平臺采用海水對原料氣進行降溫處理，根據環境溫度，原料氣溫度一般不低于30 ℃[7]。定量分析原料氣溫度對水露點及比功耗的影響，結果見圖2。受流程換熱器的影響，進塔溫度只能模擬至42 ℃，脫水干氣露點隨原料氣進塔溫度的增加而升高，且增速逐漸變快，這是由于吸收反應屬于放熱反應，進塔溫度的提高會降低水蒸氣在TEG 貧液中的溶解度，進而影響吸收效果。雖然原料氣溫度的提高可以提高塔底TEG 富液的溫度，進而降低再生塔的能耗，此時所需的汽提干氣流量也在不斷加大，導致汽提氣加熱器的功率增加，最終比功耗有所增加，但增大的幅度較小，僅從0.003 08 kWh/kg 增加至0.003 23 kWh/kg。綜合考慮，控制原料氣進塔溫度為30～38 ℃。

圖2 原料氣進塔溫度的影響Fig.2 Influence of feed gas inlet temperature

3.2 TEG 貧液進塔溫度的影響

定量分析TEG 貧液進塔溫度對水露點及比功耗的影響，結果見圖3。脫水干氣露點隨TEG 貧液進塔溫度的增加呈線性上升趨勢，但與原料氣進塔溫度相比，干氣露點變化不大，這是由于與干氣流量相比，TEG 溶液流量較小，故對吸收塔每層塔板的溫度影響也較小。TEG 貧液的溫度越升高，再生過程再沸器的熱負荷越降低，但總體上對比功耗的影響較小?？紤]到貧液溫度過高會影響TEG 溶液的吸收效果和質量，綜合考慮，控制TEG 貧液進塔溫度在35～45 ℃，且比原料氣進塔溫度高3～5 ℃。

圖3 TEG 貧液進塔溫度的影響Fig.3 Influence of TEG lean liquid inlet temperature

3.3 TEG 富液進塔溫度的影響

定量分析TEG 富液進塔溫度對水露點及比功耗的影響，結果見圖4。脫水干氣露點隨TEG 富液進塔溫度的增加呈線性下降趨勢，但變化幅度較小，模擬范圍內的露點降僅為0.20 ℃。由于再沸器功率占整個流程總功率的95%，故比功耗隨TEG 富液進塔溫度的增加而大幅下降，由此推測運行費用也會大幅下降。綜合考慮，應在工藝中盡量增大TEG 富液的進塔溫度。

圖4 TEG 富液進塔溫度的影響Fig.4 Influence of TEG rich liquid inlet temperature

3.4 TEG 貧液循環量的影響

定量分析TEG 貧液循環量對水露點及比功耗的影響，結果見圖5。脫水干氣露點隨TEG 貧液循環量的增加呈先下降后緩慢上升趨勢，因為根據氣液平衡原理，TEG 循環量越大，原料氣中的水分被帶走的越多，但過高的TEG 循環量會導致再生TEG 貧液的質量分數降低，脫水深度降低。比功耗隨TEG貧液循環量的增加呈線性上升趨勢。綜合考慮，在滿足脫水深度的前提下，TEG 貧液循環量應控制在0.70～1.50 m3/h 之間。

圖5 TEG 貧液循環量的影響Fig.5 Influence of TEG lean liquid circulation

3.5 TEG 貧液質量分數的影響

根據拉馬奧特公式，TEG 貧液質量分數與再沸器溫度下水的蒸汽壓、再沸器壓力和再沸器蒸汽中水的摩爾分數等因素相關。在再沸器溫度一定的前提下，通過增加汽提氣流程，可減小再沸器蒸汽中水的摩爾分數，最終提高TEG 貧液質量分數。由此可見，TEG 貧液質量分數與再沸器溫度和汽提氣流量相關，故定量考察上述因素對水露點及比功耗的影響，結果見圖6。脫水干氣露點隨再沸器溫度的增加呈線性下降趨勢，且露點下降較大（14.05 ℃），比功耗隨再沸器溫度的增加呈線性上升趨勢?？紤]到三甘醇的熱分解溫度為204 ℃，且TEG 貧液的質量分數維持在99%以上，將再沸器溫度控制180～190 ℃。

圖6 再沸器溫度和汽提氣流量的影響Fig.6 Influence of reboiler temperature and stripping gas flow

脫水干氣露點隨汽提氣量的增加呈線性下降趨勢，通過采用一定量的汽提氣可以降低TEG 溶液表面的水蒸氣分壓，將TEG 溶液提濃，露點下降較大（34.36 ℃），比功耗隨再沸器溫度的增加先緩慢上升后迅速上升。汽提氣流量過大，再生塔可能出現液泛現象，故在滿足露點和貧液質量分數的前提下，應盡量降低汽提氣流量，控制在40～60 m3/h。

3.6 敏感性分析

通過敏感性分析進一步考察上述不同參數對于干氣露點和用能的影響程度，以便在現場快速確定參數調整的優先次序[8]。為了便于比較，對參數進行歸一化處理，參數敏感性分析結果見圖7。曲線斜率越大，相關工藝參數對干氣露點和比功耗的影響程度越大。對于干氣露點，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、原料氣進塔溫度、汽提氣流量、TEG 貧液循環量、TEG 貧液進塔溫度和TEG 富液進塔溫度，其中后兩項工藝參數對干氣露點的影響不大；對于比功耗，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、TEG 貧液循環量、TEG 富液進塔溫度、TEG貧液進塔溫度、原料氣進塔溫度和汽提氣流量，其中后三項工藝參數對比功耗的影響不大。在現場實際調控的過程中，如調控干氣露點，應優先調整再沸器溫度、原料氣進塔溫度和汽提氣流量；如調控比功耗，應優先調整再沸器溫度、TEG 貧液循環量和TEG 富液進塔溫度。

圖7 參數敏感性分析結果Fig.7 Analysis results of parameters sensitivity

3.7 優化器求解

利用HYSYS 軟件自帶的優化器進行參數求解[9-10]，以公式（1）為目標函數，設置約束條件為干氣露點小于-10 ℃，再沸器溫度、TEG 貧液循環量和TEG 富液進塔溫度為決策變量，通過Orignal優化模塊，對最低比功耗下的決策變量進行求解，結果見表4。三種優化方法均能使比功耗下降，優化效果從強到弱依次為BOX、SQP 和Mixed 方法，BOX 方法在干氣露點有所上升的情況下，比功耗降低0.521×10-3kWh/kg，降幅19.04%，同時貧液中TEG 的質量分數為99.71%，也符合脫水工作質量標準的要求。

表4 HYSYS 軟件優化結果對比Tab.4 Comparison of optimization results for HYSYS software

4 結論

1）在HYSYS 軟件中搭建了與現場工藝一致的脫水系統模擬流程，通過數據對比，模擬數據與現場數據的吻合性較好，驗證了搭建模型的準確性和可靠性。

2）在脫水過程中對于干氣露點，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、原料氣進塔溫度、汽提氣流量、TEG 貧液循環量、TEG 貧液進塔溫度和TEG 富液進塔溫度；對于比功耗，影響程度從大到小依次為再沸器溫度、TEG 貧液循環量、TEG 富液進塔溫度、TEG 貧液進塔溫度、原料氣進塔溫度和汽提氣流量。

3）三種優化方法均能使脫水流程工藝比功耗降低，優化效果由強到弱依次為BOX、SQP 和Mixed 方法，其中BOX 方法優化效果最優，比功耗較原現場工藝降低0.521× 10-3kWh/kg，降幅19.04%，節能效果明顯。