儲氣庫地面脫水系統用能優化研究

李鳳華，劉德緒，曹學文，邊 江

（1. 中國石油大學（華東）， 山東 青島 266400； 2. 中原石油勘探局勘察設計研究院， 河南 濮陽 457000）

儲氣庫地面脫水系統用能優化研究

李鳳華1，劉德緒2，曹學文1，邊 江1

（1. 中國石油大學（華東）， 山東 青島 266400； 2. 中原石油勘探局勘察設計研究院， 河南 濮陽 457000）

通過幾種脫水方法的比較確定適合大型儲氣庫集注站脫水工藝——三甘醇脫水工藝，從系統的角度分析影響三甘醇脫水裝置的能耗的主要參數，應用流程模擬軟件 HYSYS對儲氣庫的脫水流程進行工藝模擬。通過研究主要參數對脫水裝置能耗影響情況，優化脫水裝置主要工藝參數，達到節能降耗的目的，同時提出有效的節能優化措施。

三甘醇脫水；參數優化；工藝模擬；HYSYS 模擬軟件；能耗；節能

目前常見的脫水方法有固體分子篩吸附法、丙烷制冷脫水、節流+丙烷低溫分離法、三甘醇吸收法等。丙烷制冷工藝裝置設備多且流程復雜，質量不穩定，運行費用高；節流+丙烷低溫分離法，雖占地面積小，操作簡單，但是只適用于高壓且壓力穩定的場所，對壓力不高的節流降溫不足，達不到水露點的要求，運行費用也較高；固體分子篩適用于小型場所。儲氣庫天然氣處理量一般較大，脫水深度要求不高，采氣期天然氣壓力遞減快、壓力變化大，且后期壓力低，而三甘醇吸收法運行平穩質量穩定，吸濕性高，露點降高，蒸氣壓低，氣相攜帶損失小，裝置投資及運行費用較低，進出裝置的壓降小，其設備投資、操作費用低，適應于儲氣庫脫水系統。

1 三甘醇脫水工藝

原料氣經過氣液分離后進入 TEG 吸收塔下部，與塔上部進入的 TEG 貧液在塔內逆流接觸，天然氣中的大部分的飽和水被脫除[1]。脫水后的干氣從塔頂排出，與進入吸收塔前的貧三甘醇通過換熱器換熱，然后換熱后的天然氣進入集氣干線外輸。TEG富液從吸收塔下部集液管排出，后經過濾器進入三甘醇再生塔，被吸收塔塔頂蒸汽經過加熱后流進閃蒸罐，在閃蒸罐中閃蒸出部分烴氣體回收；閃蒸后的三甘醇通過閃蒸罐底部流出，后進入貧富換熱器，與從重沸器底部的緩沖罐流出的貧甘醇換熱以后，流入三甘醇再生塔，在三甘醇再生塔中，分離出富甘醇中的水。重沸器中的貧甘醇在貧液汽提柱中由引入汽提柱下部的熱干氣對貧液進行汽提[2]；貧液從緩沖罐進入貧富液換熱器，與富甘醇進行換熱， 后進循環泵，由泵增壓后進換熱器與外輸氣換熱后進入到吸收塔吸收天然氣中的水。

儲氣庫在運行過程中流量不穩定，脫水裝置吸收塔選用泡罩塔盤以適應流量的波動，處理量彈性范圍 80%～120%，三甘醇脫水流程見圖 1。

2 三甘醇脫水系統 HYSYS 建模

針對 TEG 脫水系統，HYSYS 提供了 Glycol 物性包，該物性包是根據 TST（Twu-Sim-Tassone）狀態方程建立的，其中包含了必要的純組分和在天然氣脫水過程中經常遇到的組分的二元交互系數，因此該物性包能夠準確的模擬某些組分間，特別是TEG 與水的二元體系的相特性。

本文選用某儲氣庫原料氣氣質為表1所示。

圖1 三甘醇脫水流程示意圖Fig.1TEG dehydrationprocess diagram

表1 某儲氣庫采出氣組成表Table 1Theproduced gas composition table of gas storage

本文選用儲氣庫產品氣規格為表2所示。

表2 某儲氣庫產品氣規格Table 2 Theproduced gas specification of a gas storage

圖 2 為應用 HYSYS 建立的脫水系統能耗分析[3]。

圖2 某儲氣庫脫水系統能耗分析模型Fig.2 A gas storage dewatering system energy analysis model

3 脫水系統工藝參數分析

對于三甘醇脫水工藝，由于原料氣的流量遠大于甘醇溶液流量，所以吸收塔內的甘醇的吸收溫度近似與原料氣溫度相等，原料氣的溫度和壓力決定了其含水量及需要脫除的水量[5]。

（3）貧三甘醇進吸收塔的溫度

進入塔頂的貧甘醇溫度對氣體的露點降有較大的影響，貧三甘醇進吸收塔的溫度一般要比塔內氣體溫度高 3～8 ℃。如果貧三甘醇溫度過低，會使氣體中的部分重烴冷凝，促使溶液發泡[6]，如果貧三甘醇溫度過高，甘醇氣化損失和出塔干氣的露點會增加。

（4）貧三甘醇進吸收塔的濃度

在給定了甘醇循環率和塔板數的情況下，貧甘醇的濃度越高，露點降就越大[7]。

3.2 再生塔參數

（1） 重沸器溫度

再生貧三甘醇濃度與重沸器的溫度和壓力有關。重沸器的溫度可控制水在貧甘醇中的濃度，溫度越高，貧甘醇濃度也越大。三甘醇的熱分解溫度為 206.7 ℃，所以重沸器內溫度不應超過 204 ℃[8]。

在汽提氣氣量 0.6 kmol/h 條件下，改變三甘醇再生塔重沸器溫度，觀察其對三甘醇濃度的影響。從圖3可以看出，三甘醇質量分數隨再生塔重沸器溫度的升高而增大。

3.1 吸收塔參數

（1） 原料氣流量

原料氣流量直接影響三甘醇吸收塔脫除的水量[4]。

（2）原料氣的溫度和壓力

圖3 再生塔重沸器溫度對貧三甘醇濃度的影響Fig.3 The effect of regeneration tower reboiler temperature on lean TEG concentration

（2） 汽提氣

增大汽提氣氣量能夠顯著提高貧三甘醇濃度。

在三甘醇再生塔重沸器溫度一定的條件下，改變汽提氣氣量，以考察其對三甘醇濃度的影響。從圖4中可以看出，三甘醇質量分數隨汽提氣氣量的增大而增大。

4 脫水系統能耗分析與優化

4.1 主要工藝參數與能耗的關系

儲氣庫集注站脫水系統能耗為各主要設備能耗之和。脫水系統主要能耗設備見表3。

圖4 汽提氣量對貧三甘醇濃度的影響Fig.4 The effect of stripping gas to lean TEG concentration

表 3 脫水系統主要能耗設備Table 3 Main energy consuming equipment of the dewatering system

由天然氣脫水工藝過程及其用能特點可知，天然氣在脫除水過程中所消耗的能耗主要受能原料氣氣質情況、產品氣的水露點要求、三甘醇溶液循環泵熱效率、再生塔重沸器溫度、TEG 濃度等[9]，而在原料氣氣質條件和干氣質量標準一定的情況下，影響因素主要就是三甘醇再生塔溫度和汽提氣量。

4.1.1 三甘醇再生塔重沸器溫度對脫水系統能耗的

影響

選定汽提氣量為 0.6 kmol/h 并保證干氣質量，通過改變三甘醇再生塔重沸器溫度，觀察其對脫水系統能耗的影響,見圖 5、6、7。

圖5 再生塔重沸器溫度對脫水系統能耗的影響Fig.5 The effect of regeneration tower reboiler temperature on the energy consumption of the dewatering system

分析圖5可知，汽提氣量一定時，脫水系統的能耗隨再生溫度升高而線性增大。當三甘醇再生塔重沸器溫度從 202 ℃升到 205 ℃時，脫水系統能耗從 619 kW 增加到 636 kW，即溫度每升高 1℃，能耗增加大約 5 kW，其主要原因是隨著加熱溫度升高，重沸器能耗呈線性增大（見圖 6），而 TEG 循環泵的能耗基本沒有變化（見圖 7）。

圖6 再生塔重沸器溫度對 TEG 重沸器能耗的影響Fig.6 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG reboiler energy consumption

圖7 再生塔重沸器溫度對 TEG 循環泵能耗的影響Fig.7 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG circulationpump energy consumption

4.1.2 汽提氣量對脫水系統能耗的影響

選定三甘醇再生塔重沸器溫度為 204 ℃并保證干氣質量，通過改變汽提氣量，觀察其對脫水系統能耗的影響，見圖 8、9、10。

圖8 汽提氣氣量對脫水系統能耗的影響Fig.8 The effect of stripping gas on the energy consumption of the dewatering system

分析圖 8 得，當汽提氣量從 0.5 kmol/h 提高到1.2 kmol/h 時，脫水系統的能耗從 632 kW 降低到 619 kW。汽提氣量的增加有助于降低重沸器的熱負荷（見圖 9），但是對循環泵的影響不大，因而使得脫水系統總能耗降低。

圖9 汽提氣氣量對脫水系統重沸器能耗的影響Fig.9 The effect of stripping gas on TEG reboiler energy consumption

圖10 汽提氣氣量對脫水系統TEG循環泵能耗的影響Fig.10 The effect of stripping gas on TEG circulationpump energy consumption

4.2 三甘醇脫水系統理論能耗

根據天然氣脫水單元工藝流程及用能特點可知，影響天然氣脫水單元能耗的因素主要包括原料氣氣質條件、產品氣水露點指標、TEG 溶液循環泵效率、再生塔重沸器、TEG 溶液濃度等。通過現場考察研究及對考察資料的分析發現，脫水系統的能耗主要包括溶液循環泵的耗電、TEG 再生塔的高壓蒸汽消耗以及循環冷卻水的消耗。利用模擬軟件HYSYS 建立脫水模塊能耗分析模型（見圖 2），產品氣合格后輸出與之相關的理論能耗值，其中輸出的理論能耗數據包括再生器重沸器熱負荷、貧富液換熱后貧液水冷所帶走的熱量、三甘醇循環泵耗能，然而這些值均為理論能耗輸出值，還需進一步計算出理論的能耗值。

確定得出理論能耗值，必須首先明確計算理論能耗的基準條件，根據三甘醇脫水裝置的工藝特點，確定的計算基準條件如下：

a.凈化氣的氣質要求

依據國家對管輸天然氣氣質要求標準，凈化氣水露點在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，比最低環境溫度還要低 5 ℃[10]。

b.三甘醇再生重沸器溫度

通常情況下，三甘醇重沸器的溫度限制為 204℃。主要原因在于當溫度高于 205 ℃時，三甘醇容易發生分解，且分解速率隨溫度上升明顯增加。

c.再生貧液的入吸收塔溫度

再生貧液的吸收溫度一般為 10～54 ℃，但是最好控制在 27～38 ℃。吸收溫度低于 21℃時，三甘醇粘度過大，起泡增多，損失增加[11]；吸收溫度高于 43 ℃時，甘醇溶液的脫水能力也會下降。

d.回收熱量損失

回收貧富液換熱的貧液熱量時，保溫設備和換熱效率較高的情況下熱量損失不大。依據經驗及相關文獻，取回收熱量損失為5%。

e.裝置處理量

以裝置實際處理量為準。

f.基準原料氣氣質

基準原料氣氣質以出儲氣庫采出氣分析結果為準。

根據建立的脫水系統能耗分析模型的輸出結果，結合各種因素，得出脫水裝置的理論能耗計算值。

（1）高壓蒸汽用量

由模擬所得的再生塔底重沸器熱負荷 QRegn以及高壓蒸汽冷凝潛熱 HR[12]，可求得再生塔高壓蒸汽用量為：

（2）汽提氣（燃料氣）用量

由在基準條件下由能耗分析模型直接輸出值。

（3）貧液冷卻水用量

根據冷卻水所需冷卻的負荷，可求出用量。

式中：Qcoll為冷卻所需負荷，kJ/h；Cp,w為用于冷卻的循環水的比熱容，4.1868 kJ/(kg˙℃)；m 為循水的流量，kg/h；ΔT 為循環水溫升，℃。

（4）循環泵的能耗

根據 GB/T 13007-2011《離心泵效率》規定，離心泵效率在 0.9 為優秀。本文能耗計算所用循環泵泵效率 η 取 0.9，則計算得泵的實際能耗為

（5）總能耗

4.3 脫水系統主要參數優化結果(表 4)

表 4 脫水系統能耗優化前后參數對比Table 4 Dewatering system energy optimizationparameters before and after contrast

根據在確定的基準條件數據下脫水能耗分析模型給出的理論能耗輸出值，便可求得理論能耗量，見圖 11。

圖11 脫水前后能耗優化結果Fig.11Optimization of energy consumption before and after dehydration result

5 結 論

通過對幾種脫水工藝進行比對，選出適應于儲氣庫的脫水工藝，即三甘醇脫水工藝。利用 HYSYS模擬軟件對三甘醇脫水系統能耗分析模型，通過對脫水系統的工藝參數進行分析，得出主要影響因素為三甘醇再生塔溫度和汽提氣量，主要能耗設備為再生塔重沸器和三甘醇循環泵。優化主要影響因素，與通過計算得出的理論能耗進行比對，可知，優化參數后的脫水系統的能耗明顯減少，達到節能的目的。

同時，對儲氣庫三甘醇脫水工藝提出優化措施：

（1）增大脫水裝置汽提氣用量，減少 TEG 循環量，再生塔重沸器的溫度適當降低，通過這些操作，減少再生器消耗的熱量。

（2）在三甘醇你脫水工藝中，若是汽提氣的用量比較大的情況，應考慮把含有水的汽提氣回收待利用。

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Energy Optimization of Ground Dewatering System for Gas Storages

LI Feng-hua1, LIU De-xu2, CAO Xue-wen1, BIAN Jiang1
（1. China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266400，China；2. Sinopec Zhongyuanpetroleum Exploration Bureau Survey and Design Institute, Henanpuyang 457000，China）

A suitable dehydrationprocess-the TEG dehydrationprocess for large gas storage was selected by comparison of several dehydration methods. The main energy consumptionparameters of TEG dehydration device were analyzed from a systemperspective, and the dehydrationprocess was simulated by usingprocess simulation software HYSYS. Theprocessparameters were optimized through studying the influence of the mainparameters on the energy consumption of the dehydration device to achieve thepurpose of saving energy and reducing consumption. At the same time, effective measures to optimize energy efficiency wereput forward.

TEG dehydration;parameter optimization;process simulation; HYSYS simulation software; Energy consumption; Energy conservation

TQ 644

： A

：1671-0460（2017）02-0311-05

2016-09-14

李鳳華（1992-），女，山東省青島市人，碩士研究生，就讀于中國石油大學（華東）石油與天然氣工程專業，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：cjwl157@163.com。