四川盆地頁巖氣脫水裝置節能優化研究

肖 樂 王 剛 吳明鷗

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院, 四川 成都 610213

0 前言

四川盆地是中國五大產氣區中唯一的頁巖氣產氣區[1],2020年中國石油在四川盆地的頁巖氣年產量已突破100×108m3。該地區頁巖氣氣質組分較為單一,甲烷摩爾含量可達98%以上,CO2含量低且不含H2S[2],經過分離、脫水處理后即可滿足管輸氣要求。因此,頁巖氣開發地面工程多建有脫水裝置。針對頁巖氣井壓力衰減較快的特點,考慮到開采后期上游來氣需經過壓縮機增壓并采用空冷器冷卻后進入脫水裝置的工況,結合四川盆地夏季氣溫條件,前期建設頁巖氣脫水裝置的原料氣進氣溫度按45～50 ℃進行設計。較高的原料氣進氣溫度會提高原料氣進氣含水量,使脫除水量增加,從而導致三甘醇(TEG)循環量增大,再生系統規模增大,進而影響到TEG脫水裝置能耗。

1 裝置現狀

1.1 工藝流程

目前頁巖氣開發地面工程多采用TEG脫水工藝[3],用質量分數約99.6%的TEG貧液作為脫水劑,脫除原料天然氣中的大部分飽和水。經吸收塔脫水后的干凈化天然氣作為產品氣外輸,吸水后的貧液采用常壓火管加熱再生法再生,并通過干氣氣提進一步降低其濃度,熱貧液經換熱、增壓后返回吸收塔循環使用,富液再生產生的廢氣去尾氣灼燒爐焚燒后排入大氣。工藝流程見圖1。

1.2 裝置能耗

前期建成投產的部分頁巖氣TEG脫水裝置能耗數據見表1。

表1 前期建成投產的頁巖氣TEG脫水裝置能耗數據表

由表1可見,前期建成投產的頁巖氣TEG脫水裝置的單位產品綜合能耗基本一致,平均值為243.7 MJ/104m3,相對較高,較高的能耗使得裝置的運行費用增加。能耗數據表明,頁巖氣TEG脫水裝置主要消耗能源為燃料氣和電。其中,燃料氣消耗點為重沸器和尾氣灼燒爐,用電設備為TEG循環泵及TEG補充泵。因此,可通過對相關工藝參數進行優化,降低燃料氣用量及用電量,最終達到節能降耗的目的。

2 模擬優化

本文以處理規模為300×104m3/d的裝置為例,選取典型的頁巖氣氣質組成，采用ASPEN HYSYS V11.0軟件,并結合現場實際運行情況,對頁巖氣TEG脫水裝置的原料氣進氣溫度、TEG循環量、重沸器再生溫度、TEG貧液質量分數等條件進行優化分析研究。典型頁巖氣氣質組成見表2。

表2 典型頁巖氣氣質組成表

2.1 熱力學模型的選取

因Peng-Robinson(PR) 立方型狀態方程具有廣泛的適用性,此前TEG脫水裝置多選用該方程作為流程模擬的物性計算包[4-10]。自V10版本開始,ASPEN HYSYS開發推出了改進Cubic-Plus-Association(CPA)物性包,并推薦將其用于甘醇型天然氣脫水工藝模擬。該物性包基于Soave-Redlich-Kwong(SRK)立方型狀態方程,并與關聯項結合。通過大量實驗及工廠運行數據驗證,CPA物性包尤其適用于甘醇系統的相平衡計算[11]。本文選用CPA物性包進行流程模擬,見圖2。

圖2 模擬流程圖

2.2 原料氣進氣溫度優化

通過模擬得出處理規模為300×104m3/d的頁巖氣TEG脫水裝置在不同溫度和壓力下的原料氣進氣含水量,見圖3。

由圖3可知,原料氣進氣含水量隨進氣溫度的升高或進氣壓力的降低呈增加趨勢,且在同等壓力下,溫度變化對原料氣進氣含水量影響較為明顯。例如,在 4.0 MPa 壓力條件下,原料氣在進氣溫度50 ℃時的含水量約為進氣溫度30 ℃時含水量的3倍。也就是說,在一定進氣壓力條件下,隨著原料氣進氣溫度的升高,需要脫除的水量增加,由此將導致TEG循環量增大。因此,可通過適當降低原料氣進氣溫度,以降低TEG循環量,從而降低裝置能耗。另一方面,原料氣溫度降低,吸收塔操作溫度隨之降低,更有利于吸收。

圖3 不同溫度和壓力下的原料氣進氣含水量曲線圖

根據前期建設的頁巖氣TEG脫水裝置多年投產運行數據表明,夏季原料氣進氣最高平均溫度為35 ℃,考慮到進氣條件的適應性,并結合裝置的經濟性,可以將35 ℃作為原料氣進氣溫度進行設計,并按夏季高溫工況進行校核。當溫度過高時,通過增加氣提氣量來保證脫水后干氣水露點滿足管輸要求。

2.3 TEG循環量優化

因前期建設的頁巖氣TEG脫水裝置原料氣進氣溫度按45～50 ℃進行設計,露點降較高,故TEG循環量較大,為4.5～5.5 m3/h。通過模擬得出在原料氣進氣溫度35 ℃、進氣壓力4.0 MPa條件下,在低TEG循環量時的主要工藝參數,見圖4。

圖4 不同TEG循環量下各主要工藝參數曲線圖

由圖4可知,隨著TEG循環量的降低,干氣水露點逐漸升高。在TEG循環量降為2 m3/h時,即使大幅度增大氣提氣用量,干氣水露點仍未能滿足管輸要求。因此,TEG循環量取2.5 m3/h為宜。同時,隨著循環量的降低,TEG貧液脫除水比率也相應降低,在循環量為 2.5 m3/h 時,對應的TEG貧液脫除水比率為18.2 L TEG/kg水。國內規范及國際工程經驗推薦的TEG貧液脫除水比率為13～30 L TEG/kg水[12-14],該值在此范圍內,且接近于低限值。由此可見,隨著原料氣進氣溫度的降低,在滿足干氣管輸要求的條件下,TEG循環量顯著降低,相對于前期建設裝置降低了約50%,取得了明顯效果。

2.4 重沸器再生溫度優化

因TEG的裂解溫度為206.7 ℃,常壓下重沸器再生溫度不應超過204 ℃[15-20],TEG重沸器再生溫度通?？刂圃?92～203 ℃。在原料氣進氣溫度35 ℃、進氣壓力4.0 MPa、TEG循環量2.5 m3/h且干氣水露點滿足管輸要求的條件下,模擬得出在重沸器再生溫度為192～203 ℃范圍內的氣提氣用量及重沸器熱負荷,并通過重沸器熱負荷模擬值計算得出重沸器燃料氣用量,計算中燃燒器燃燒效率按80%取值,見圖5。

圖5 不同再生溫度下的氣提氣及燃料氣用量曲線圖

由圖5可知,在滿足干氣水露點要求的條件下,隨著重沸器再生溫度升高,重沸器的燃料氣用量增加,氣提氣用量減少。這是因為再生溫度升高,重沸器熱負荷增大,故增加了火管的燃料氣用量。而再生溫度越高,常壓條件下重沸器中的TEG貧液質量分數越高,使其與滿足產品干氣水露點要求的TEG貧液質量分數間的差值減小,所需氣提氣用量越小。模擬數據表明,隨著再生溫度升高,減少的氣提氣用量較增加的燃料氣用量大,使得重沸器總用氣量減少。因此,重沸器再生溫度選取203 ℃為優。

2.5 TEG貧液質量分數優化

惰性氣提可將TEG貧液質量分數提高至99.2%～99.98%[20]。前期建設的頁巖氣TEG脫水裝置TEG貧液質量分數為99.6%,而降低TEG貧液質量分數可使氣提氣用量減少,從而降低裝置能耗。通過模擬得出在原料氣進氣溫度35 ℃、進氣壓力4.0 MPa、TEG循環量2.5 m3/h、重沸器再生溫度203 ℃條件下,不同TEG貧液質量分數下的干氣水露點和氣提氣用量,見圖6。

圖6 不同TEG貧液質量分數下的干氣水露點和氣提氣用量曲線圖

由圖6可知,隨著氣提氣用量的減少,TEG貧液質量分數逐漸降低。這是因為氣提氣的存在降低了水蒸氣的分壓[18],使氣液接觸界面上出現不平衡狀態,在氣提接觸段內,液膜由于降低了液體傳質阻力而釋出水蒸氣,更有利于水分的脫除。當氣提氣用量減少時,氣提效果變差,從而使得TEG貧液質量分數降低。而TEG貧液質量分數降低,使得干氣水露點升高,當TEG貧液質量分數降至99.1%時,干氣水露點已不能滿足管輸要求。這是因為,在TEG循環量確定的條件下,TEG貧液質量分數減小,對溶質組分的溶解度相對減小,傳質推動力減小,從而影響了吸收效果。因此,TEG貧液質量分數選取99.2%為宜。由于裝置露點降減小,該值相對于前期建設裝置99.6%的TEG貧液質量分數值有所降低。

3 節能效果及經濟效益

3.1 節能效果

經優化后,脫水裝置原料氣進氣溫度降低,TEG循環量減小,TEG貧液質量分數降低,再生系統規模減小,燃料氣用氣量和設備的用電量相應減少。本文對優化前后的裝置能耗進行了計算和對比,優化前后數值均不包含裝置所用儀表風及照明等公用工程的用電量,見表3。

表3 優化前后頁巖氣TEG脫水裝置能耗數據對比表

由表3可見,優化后頁巖氣TEG脫水裝置的單位產品綜合能耗從243.7 MJ/104m3降為141.1 MJ/104m3,降低了42.1%。按年運行時間 8 000 h計,根據能耗數據計算得出,優化后的單套300×104m3/d頁巖氣TEG脫水裝置可節約用氣27.4×104m3/a,節約用電5.3×104kW·h/a。

3.2 經濟效益

由于降低了TEG的循環量,TEG脫水裝置的再生系統規模減小,整個TEG循環系統設備的尺寸相應減小。例如TEG重沸器,原尺寸DN1 600 mm×9 254 mm,設備重量29.4 t,優化后尺寸DN1 000 mm×7 037 mm,設備重量9.5 t,減少重量19.9 t,單臺設備減少投資約50萬元。經估算,優化后單套300×104m3/d TEG脫水裝置工程投資由原來的約 1 400 萬元降至約 1 170 萬元,降低了16.4%,可節省約230萬元。

以單套300×104m3/d頁巖氣TEG脫水裝置為例,按氣費1元/m3,電費0.5元/kW·h計,全年可節約氣費27.4萬元,節約電費2.65萬元,共計節省運行費用約30.1萬元。

4 結論

1)在進氣溫度為35 ℃、TEG循環量為2.5 m3/h、重沸器再生溫度為203 ℃、TEG貧液質量分數為99.2%的條件下,裝置產品干氣滿足管輸要求的同時,節能效果明顯,單位產品綜合能耗從243.7 MJ/104m3降為141.1 MJ/104m3,降低了42.1%。

2)經優化后,單套TEG脫水裝置工程投資由原來的約 1 400 萬元降至約 1 170 萬元,降低了16.4%,可節省約230萬元。

3)與現有裝置相比,單套300×104m3/d TEG脫水裝置節約用氣27.4×104m3/a,節約用電5.3×104kW·h/a,全年可節省運行費用約30.1萬元。

4)隨著頁巖氣的大規模開發,高效節能的TEG脫水裝置將帶來更大的經濟效益。