頁巖氣脫水工藝流程節能優化分析

單孝森（大慶油田工程有限公司）

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頁巖氣脫水工藝流程節能優化分析

單孝森（大慶油田工程有限公司）

應用軟件HYSYS 7.2對某地區頁巖氣的三甘醇脫水工藝流程進行模擬計算及參數對比分析，發現當處理量固定的情況下，水露點及天然氣脫水量與三甘醇貧液濃度和甘醇循環量等因素有關。針對該地區頁巖氣開采過程中的含水量特點，設計并優化了TEG脫水工藝流程，使優化后的重沸器熱負荷較優化前降低了17%，單位綜合能耗降低了22%，達到了預期的優化效果。研究結論可為進一步高效節能地開發頁巖氣提供理論依據。

頁巖氣脫水工藝節能優化HYSYS數值模擬

近年來，頁巖氣作為非常規能源，在我國能源開采中所占比重越來越大［1-3］。盡管頁巖氣開采前景廣闊，并在開采技術上取得了成功經驗，見到了初步的成果，但在頁巖氣開采方面仍然存在一些不容忽視的問題，主要體現在技術和節能環保兩方面［4-8］。頁巖氣在開采過程中通常伴隨著水和硫等雜質，在運輸及儲存的過程中易造成腐蝕，因此，需要對頁巖氣進行脫酸脫水工藝處理［9-11］。應用HYSYS 7.2對三甘醇脫水工藝流程進行了模擬計算及參數對比分析，通過改變三甘醇貧液濃度、甘醇循環量，對比天然氣的脫水量，發現當處理量固定的情況下，三甘醇貧液濃度和甘醇循環量可以優化，并且滿足水露點的要求。研究結論可為進一步高效節能地開發頁巖氣提供理論依據。

1　建立TEG脫水工藝流程圖

根據某地區頁巖氣的產量及含水特點，在軟件HYSYS 7.2中建立如圖1所示的流程。已知來氣壓力6154.3kPa，溫度為38℃，處理量為417×104m3/d。

2　數值計算與結果分析

2.1影響脫水效果的關鍵因素分析

對于三甘醇脫水工藝，影響脫水效果的關鍵參數是三甘醇貧液濃度、三甘醇循環量、吸收塔和再生塔的塔板數、再生塔溫度、再生方式。

圖1　TEG脫水流程

在甘醇循環量和塔板數一定的情況下，三甘醇的濃度越高，天然氣露點就降得越大。因此，降低出塔干氣露點的主要途徑是提高三甘醇貧液濃度。根據溶液吸收原理，循環量、濃度與塔板數的相互關系如下：當循環量和塔板數固定時，三甘醇的濃度越高，露點降得越大；當循環量和三甘醇濃度固定時，塔板數越多，露點降得越大；當塔板數和三甘醇濃度固定時，循環量越大，則露點降得越大，但是當循環量增大到一定程度后，露點降的速率明顯減少，并且如果循環量過大，可能會增大重沸器的工作量，動力消耗過大。

2.2三甘醇循環量和汽提氣循環量的優化

在HYSYS7.2中，改變三甘醇循環量和汽提氣的循環量，觀察干氣水露點的變化，結果如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看出，隨著三甘醇循環量的增加，外輸干氣含水量減小，外輸干氣水露點降低；當三甘醇循環在2.235 m3/h以上時，外輸干氣和水露點降低的速率明顯減慢，為了達到優化節能的目的，此時應將三甘醇的循環量定為2.235 m3/h。

圖2　貧甘醇循環量對三甘醇脫水效果的影響

圖3　汽提氣流量對三甘醇脫水效果的影響

同理，汽提氣流量增加時，三甘醇貧液濃度增加，干氣水露點降低；當汽提氣流量達到0.5076 m3/h以上時，干氣水露點和三甘醇貧液濃度趨于穩定狀態，不再變化。因此，在處理量為417×104m3/d時，通過對比得到最佳的汽提氣流量為0.507 6 m3/h。

綜上可以看出三甘醇貧液濃度為99.36%，三甘醇循環量為2.235 m3/h時，其凈化天然氣平衡水露點計算值為-7.709℃。因此，本流程采用99.36%的貧甘醇，采用氣提再生工藝，實際水露點控制在-5℃以下是完全可行的。

2.3吸收塔、再生塔和閃蒸分離器的參數優化

根據417×104m3/d三甘醇脫水工藝流程圖，該工藝中設置有TEG吸收塔。TEG吸收塔采用泡罩塔。由于三甘醇溶液循環量很小，為有利于氣-液傳質，保證塔板液封，增加操作彈性，故采用泡罩塔。

閃蒸分離器通常分為臥式和立式。當進料氣為貧氣時，由于氣體中所含重烴較少，在閃蒸分離器中不存在液烴，通常選用兩相（氣體和三甘醇溶液）分離器。液體在閃蒸分離器中的停留時間為5～10 min。當進料氣為富氣時，由于氣體所含重烴較多，通常選用三相（氣體、液烴和三甘醇溶液）分離器，此時，為防止重烴使三甘醇溶液乳化和起泡，應使溶液升溫至約65℃，停留時間定為10～15 min左右。為保證閃蒸分離后的富三甘醇有足夠的壓力流過過濾器及貧/富三甘醇換熱器等設備，閃蒸分離器的操作壓力在0.35～0.52 MPa之間效果較好。

3　能耗分析

現以重慶某頁巖氣區塊三甘醇脫水實際情況為例，對比優化前后各參數如表1、表2所示。從表中可以看出，優化后重沸器熱負荷和單位綜合能耗明顯降低。

表1　優化前后相關參數對比

表2　優化前后能耗對比

4　建議

頁巖氣在運輸及儲運過程中會產生較大量的水，如不及時處理，可能會生成水和物甚至引起管道設備的腐蝕，因此，研究頁巖氣的脫水工藝十分必要。在TEG法脫水過程中，當塔板數和三甘醇濃度固定時，循環量越大則露點降越大，但循環量升到一定程度后，露點降的增加值明顯減少，而且循環量過大會導致重沸器超負荷，動力消耗過大。在實際生產中使用合理的優化參數，既可以提高效率，又達到節能環保效果。

5　結論

1）通過軟件HYSYS 7.2的仿真模擬，得到了該地區日產量417×104m3的情況下的汽提氣流量，三甘醇循環量；在有效降低水露點的前提下，減輕了加熱爐的工作負擔，并且優化了吸收塔、再生塔的相關參數，有效降低了設備的成本投入。

2）模擬分析表明，通過優化，三甘醇再生重沸器的熱負荷明顯降低，使得整體的單位綜合能耗降低，節能效果明顯，在實際生產過程中值得推廣使用。

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石油工業節能節水專業標準化技術委員會2015年年會在西安召開

2015年9月15日，全國石油天然氣標準化技術委員會油氣田節能節水分技術委員會暨石油工業節能節水專業標準化技術委員會2015年年會在西安召開。石油工業節能節水專業標準化技術委員會（以下簡稱節能專標委）主任委員黃飛，副主任委員李聯五、魏文普以及節能專標委委員、顧問、特邀代表共計78人參加了會議。會議由副主任委員李聯五主持。

會上，副主任委員李聯五宣讀了油標委《關于調整石油工業節能節水專業標準化技術委員會部分委員的批復》文件。與會代表聽取了常務副秘書長徐秀芬作的《節能專標委2015年度工作報告》，研究討論了2016年度工作計劃，審議了兩項石油天然氣行業標準制定項目前期研究報告、節能專標委“十三五”標準發展計劃及石油工業節能節水專業標準體系表。會議邀請了中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司、西北工業大學和長慶油田分公司油氣工藝研究院的專家作了節能技術交流。與會代表現場參觀了中石化地熱資源綜合利用項目。最后，主任委員黃飛作了總結講話。

本次會議由華北油氣分公司承辦，受到了與會代表的一致好評。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.10.007

2015-06-30）

單孝森，工程師，2007年畢業于東北石油大學（油氣儲運工程專業），從事長輸管道設計工作，E-mail：996577741@qq. com，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區西苑街46號，163712。