四川盆地頁巖氣脫水裝置節(jié)能優(yōu)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(chǎn)氣區(qū)中唯一的頁巖氣產(chǎn)氣區(qū)[1],2020年中國石油在四川盆地的頁巖氣年產(chǎn)量已突破100×108m3。該地區(qū)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(jīng)過分離、脫水處理后即可滿足管輸氣要求。因此,頁巖氣開發(fā)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(jīng)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(huán)量增大,再生系統(tǒng)規(guī)模增大,進而影響到TEG脫水裝置能耗。

1 裝置現(xiàn)狀

1.1 工藝流程

目前頁巖氣開發(fā)地面工程多采用TEG脫水工藝[3],用質量分數(shù)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(jīng)吸收塔脫水后的干凈化天然氣作為產(chǎn)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(jīng)換熱、增壓后返回吸收塔循環(huán)使用,富液再生產(chǎn)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(chǎn)的部分頁巖氣TEG脫水裝置能耗數(shù)據(jù)見表1。

表1 前期建成投產(chǎn)的頁巖氣TEG脫水裝置能耗數(shù)據(jù)表

由表1可見,前期建成投產(chǎn)的頁巖氣TEG脫水裝置的單位產(chǎn)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(shù)據(jù)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(huán)泵及TEG補充泵。因此,可通過對相關工藝參數(shù)進行優(yōu)化,降低燃料氣用量及用電量,最終達到節(jié)能降耗的目的。

2 模擬優(yōu)化

本文以處理規(guī)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(xiàn)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(huán)量、重沸器再生溫度、TEG貧液質量分數(shù)等條件進行優(yōu)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(tài)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(fā)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(tài)方程,并與關聯(lián)項結合。通過大量實驗及工廠運行數(shù)據(jù)驗證,CPA物性包尤其適用于甘醇系統(tǒng)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(yōu)化

通過模擬得出處理規(guī)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(huán)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(huán)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(jù)前期建設的頁巖氣TEG脫水裝置多年投產(chǎn)運行數(shù)據(jù)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(jīng)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(huán)量優(yōu)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(huán)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(huán)量時的主要工藝參數(shù),見圖4。

圖4 不同TEG循環(huán)量下各主要工藝參數(shù)曲線圖

由圖4可知,隨著TEG循環(huán)量的降低,干氣水露點逐漸升高。在TEG循環(huán)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(huán)量取2.5 m3/h為宜。同時,隨著循環(huán)量的降低,TEG貧液脫除水比率也相應降低,在循環(huán)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(nèi)規(guī)范及國際工程經(jīng)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(nèi),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(huán)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(yōu)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(huán)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(nèi)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(shù)越高,使其與滿足產(chǎn)品干氣水露點要求的TEG貧液質量分數(shù)間的差值減小,所需氣提氣用量越小。模擬數(shù)據(jù)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(yōu)。

2.5 TEG貧液質量分數(shù)優(yōu)化

惰性氣提可將TEG貧液質量分數(shù)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(shù)為99.6%,而降低TEG貧液質量分數(shù)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(huán)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(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)不平衡狀態(tài),在氣提接觸段內(nèi),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(shù)降低。而TEG貧液質量分數(shù)降低,使得干氣水露點升高,當TEG貧液質量分數(shù)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(huán)量確定的條件下,TEG貧液質量分數(shù)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(shù)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(shù)值有所降低。

3 節(jié)能效果及經(jīng)濟效益

3.1 節(jié)能效果

經(jīng)優(yōu)化后,脫水裝置原料氣進氣溫度降低,TEG循環(huán)量減小,TEG貧液質量分數(shù)降低,再生系統(tǒng)規(guī)模減小,燃料氣用氣量和設備的用電量相應減少。本文對優(yōu)化前后的裝置能耗進行了計算和對比,優(yōu)化前后數(shù)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(yōu)化前后頁巖氣TEG脫水裝置能耗數(shù)據(jù)對比表

由表3可見,優(yōu)化后頁巖氣TEG脫水裝置的單位產(chǎn)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(jù)能耗數(shù)據(jù)計算得出,優(yōu)化后的單套300×104m3/d頁巖氣TEG脫水裝置可節(jié)約用氣27.4×104m3/a,節(jié)約用電5.3×104kW·h/a。

3.2 經(jīng)濟效益

由于降低了TEG的循環(huán)量,TEG脫水裝置的再生系統(tǒng)規(guī)模減小,整個TEG循環(huán)系統(tǒng)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(yōu)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(jīng)估算,優(yōu)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(jié)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(jié)約氣費27.4萬元,節(jié)約電費2.65萬元,共計節(jié)省運行費用約30.1萬元。

4 結論

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

2)經(jīng)優(yōu)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(jié)省約230萬元。

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

4)隨著頁巖氣的大規(guī)模開發(fā),高效節(jié)能的TEG脫水裝置將帶來更大的經(jīng)濟效益。