頁巖氣三甘醇脫水裝置脫水效果影響因素分析

廖柯熹，王敏安，彭 浩，何國璽，冷吉輝

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

頁巖氣井生產(chǎn)初期壓力和產(chǎn)量高，排液量大，生產(chǎn)中期壓力和產(chǎn)量、排液量迅速降低，生產(chǎn)后期低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時間長，基本不出液[1-2]。因此，在頁巖氣井整個生產(chǎn)周期內(nèi)，井口流出物的工況波動較大，會導(dǎo)致集輸系統(tǒng)的運(yùn)行工況難以確定，而且與設(shè)計指標(biāo)相差較大，還會降低中心處理站脫水裝置的脫水效果和運(yùn)行適應(yīng)性。如果脫水裝置的脫水效果不夠理想，則會降低集輸管道的輸送能力，而且還會加劇管線腐蝕，因此有必要對頁巖氣中的水分進(jìn)行有效脫除。目前常用的脫水方法有溶劑吸收法、低溫冷凝法、固體吸附法、膜分離法和超音速法[3]。三甘醇（TEG）脫水工藝作為溶劑吸收法中的一種，具有熱穩(wěn)定性好、易于再生的優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于頁巖氣田現(xiàn)場[4]。為保證脫水效果能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)要求，對TEG脫水裝置進(jìn)行脫水效果評價及工藝參數(shù)優(yōu)化十分必要。

近年來，國內(nèi)外有多位學(xué)者應(yīng)用HYSYS軟件模擬TEG脫水工藝流程，并對脫水工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[5-10]。也有一些學(xué)者通過HYSYS軟件構(gòu)建TEG脫水工藝計算模型，并對TEG脫水裝置脫水效果的主要影響因素進(jìn)行了定量分析[11-16]。還有部分學(xué)者對實(shí)際工況數(shù)據(jù)和HYSYS模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，從而驗(yàn)證了計算模型的可靠性[17-18]。但是，目前尚未結(jié)合頁巖氣田生產(chǎn)工況及技術(shù)現(xiàn)狀總結(jié)出脫水效果的主要影響因素和關(guān)鍵工藝參數(shù)，也未確定各項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的合理操作范圍。

因此，本文以300.0×104Nm3/d的頁巖氣TEG脫水裝置為研究對象，結(jié)合長寧－威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣的現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行條件，采用HYSYS軟件建立頁巖氣TEG脫水裝置模擬流程，定量分析TEG循環(huán)量、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原料氣入塔流量、原料氣入塔溫度、吸收塔操作壓力、TEG貧液入塔溫度、TEG重沸器溫度、汽提氣流量、塔板總效率和吸收塔塔板數(shù)等參數(shù)對脫水效果的影響，然后對TEG脫水工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳操作工況條件，最后通過對比TEG脫水裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)和模擬計算結(jié)果來驗(yàn)證所建模型的可靠性及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為TEG脫水工藝設(shè)計及現(xiàn)場生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)，并達(dá)到大幅度提高頁巖氣脫水效率、節(jié)能降耗的目的，從而實(shí)現(xiàn)頁巖氣田高效低成本規(guī)模化開發(fā)。

1 TEG脫水工藝流程及模塊概述

TEG脫水工藝主要由TEG吸收單元和TEG再生單元組成。濕氣進(jìn)入TEG吸收單元后，通過原料氣過濾器將其攜帶的液體和固體雜質(zhì)去除，再進(jìn)入吸收塔底與TEG貧液逆流接觸，以減少其含水量，從而降低脫水后干氣露點(diǎn)；脫水后的干氣從吸收塔塔頂流出，通過干氣/貧液換熱器進(jìn)行氣液換熱，再進(jìn)入產(chǎn)品氣分離器分離過濾后外輸；TEG富液從吸收塔底部流出。在TEG再生單元，吸收塔底部流出的TEG富液依次經(jīng)過TEG精餾柱換熱升溫、TEG閃蒸罐閃蒸分離出烴類氣體、TEG過濾器過濾分離固體雜質(zhì)、TEG貧/富液換熱器加熱等處理，然后進(jìn)入TEG重沸器對其進(jìn)行再生，再生后得到的TEG貧液集中儲存在TEG緩沖罐內(nèi)。TEG貧液經(jīng)過TEG貧/富液換熱器換熱升溫，并通過TEG循環(huán)泵增壓輸送至干氣/貧液換熱器進(jìn)行冷卻處理，最后從TEG吸收塔頂部進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)TEG溶液的循環(huán)使用。

頁巖氣田脫水裝置全部采用三維設(shè)計方式，并采用模塊劃分，其主要包括高壓氣體模塊、吸收換熱模塊、TEG再生模塊、溶液補(bǔ)充回收模塊和廢氣灼燒模塊等。其中，高壓氣體模塊包括TEG閃蒸罐、原料氣過濾器和產(chǎn)品氣分離器等；吸收換熱模塊包括TEG吸收塔、干氣/貧液換熱器等；TEG再生模塊包括TEG精餾柱、再生氣分液罐、TEG重沸器、TEG緩沖罐、TEG貧/富液換熱器、TEG循環(huán)泵和TEG過濾器等；溶液補(bǔ)充回收模塊包括TEG補(bǔ)充罐、TEG補(bǔ)充泵等；廢氣灼燒模塊包括廢氣灼燒爐。300.0×104Nm3/d頁巖氣TEG脫水工藝流程如圖1所示。

2 TEG脫水流程HYSYS模擬

2.1 狀態(tài)方程的選取及模型的建立

在采用HYSYS軟件進(jìn)行過程模擬前，需要合理定義HYSYS數(shù)學(xué)模型的物性包和添加模擬對象的組分。采用Peng-Robinson方程作為TEG脫水的氣液平衡模型能夠表現(xiàn)出良好的收斂性和較高的精度，并且適用性廣，完全適合工程上用來計算TEG脫水所需的各項(xiàng)參數(shù)。因此，采用Peng-Robinson方程作為模擬計算的基礎(chǔ)?，F(xiàn)以300.0×104Nm3/d頁巖氣TEG脫水工藝流程圖為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行適當(dāng)簡化，得到TEG脫水裝置的脫水模擬流程（見圖2）。

原料氣S1進(jìn)入吸收塔T-100后與塔頂加入的TEG貧液S21逆向接觸，吸收塔頂部流出的原料氣S22進(jìn)入干氣/貧液換熱器E-103換熱后再進(jìn)入產(chǎn)品氣分離器TEE-100，從產(chǎn)品氣分離器TEE-100出來的少量氣體S25進(jìn)入汽提塔T-102，從產(chǎn)品氣分離器TEE-100出來的大量產(chǎn)品氣S24進(jìn)行外輸。從吸收塔T-100底部流出的TEG富液S2通過TEG閃蒸罐V-101閃蒸出烴類氣體S6，然后進(jìn)入TEG貧/富液換熱器E-101進(jìn)行換熱，緊接著TEG富液S9進(jìn)入再生塔T-101進(jìn)行再生，再生后所得到的TEG貧液S10進(jìn)入TEG貧/富液換熱器E-101進(jìn)行換熱，換熱后的TEG貧液S15再通過TEG循環(huán)泵P-100進(jìn)行增壓，最后進(jìn)入吸收塔T-100內(nèi)脫除原料氣中的水分，從而實(shí)現(xiàn)TEG貧液的循環(huán)利用。

2.2 物流數(shù)據(jù)的提取

在進(jìn)行HYSYS模擬前，必須了解各原始物流數(shù)據(jù)。本研究中使用的頁巖氣田TEG脫水裝置的原始物流數(shù)據(jù)為：原料氣入塔流量為300.0×104Nm3/d，原料氣入口壓力為5.05 MPa，原料氣入塔溫度為28.5℃，TEG溶液循環(huán)量為1.17 m3/h。

原料氣的組分及摩爾分?jǐn)?shù)見表1。原料氣脫水后在外輸前必須保證干氣露點(diǎn)合格，此項(xiàng)用于檢驗(yàn)原料氣脫水處理是否達(dá)標(biāo)?！禛B 17820—2018天然氣》要求干氣露點(diǎn)低于最低環(huán)境溫度5.0℃，結(jié)合當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度（約為0℃），要求脫水后干氣露點(diǎn)低于－5.0℃。同時，根據(jù)TEG脫水裝置工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，TEG循環(huán)量不超出設(shè)計上限2.5 m3/h，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99.00%以上，TEG貧液入塔溫度不能超出設(shè)計上限40.0℃。因此，以脫水后干氣露點(diǎn)為因變量，各主要工藝參數(shù)為自變量，模擬計算最佳工況范圍。

表1 原料氣的組分及其摩爾分?jǐn)?shù) %

3 TEG脫水效果影響因素分析

3.1 TEG吸收脫水工藝

影響TEG吸收脫水工藝效果的主要因素有TEG循環(huán)量和貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原料氣入塔流量和溫度、吸收塔操作壓力和塔板數(shù)、TEG貧液入塔溫度和塔板總效率等。以脫水后干氣露點(diǎn)作為TEG吸收脫水工藝的效果評價指標(biāo)，對TEG脫水工藝的主要影響因素進(jìn)行定量分析。

3.1.1 TEG循環(huán)量對脫水效果的影響 過高的TEG循環(huán)量不僅會增大動力消耗，而且還會在吸收塔內(nèi)積累大量液體，從而降低吸收塔的脫水效率。因此，將單位處理量下的TEG循環(huán)量作為評價指標(biāo)能夠更加詳細(xì)地反映TEG脫水裝置的脫水效果。將TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為99.20%，只改變TEG循環(huán)量，定量分析了TEG循環(huán)量對脫水效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 TEG循環(huán)量對脫水效果的影響

由圖3可知，隨著TEG循環(huán)量不斷增加，脫水后的干氣露點(diǎn)不斷降低，但是干氣露點(diǎn)下降速率逐漸減小，反而增加了動力負(fù)荷，提高了運(yùn)營成本，嚴(yán)重時甚至?xí)斐裳退?，從而降低塔板效率，干氣露點(diǎn)不合格。這是因?yàn)檫^高的TEG循環(huán)量會增加攜帶進(jìn)入吸收塔的液量，增大氣、液兩相之間傳質(zhì)的阻力，并且過低的TEG循環(huán)量會打破吸收塔的平衡態(tài)，造成原料氣與TEG溶液的接觸面積過小，從而引起干氣露點(diǎn)的升高。綜合考慮，建議將TEG循環(huán)量控制在1.10～1.25 m3/h。

3.1.2 TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫水效果的影響

當(dāng)吸收塔的操作溫度一定時，如果TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，則脫水后干氣露點(diǎn)及其下降速率逐漸增大。影響TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因素主要包括重沸器溫度和壓力、是否采用汽提氣、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。當(dāng)重沸器溫度不斷增加時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨之增加，但是當(dāng)重沸器溫度大于204.0℃時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低[18]。當(dāng)重沸器的壓力增大時，會明顯降低TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。使用汽提氣會明顯提高TEG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，水分是造成TEG貧液脫水性能下降的重要原因，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3.00%時，其脫水效率會急劇下降[16]。

將TEG循環(huán)量設(shè)定為1.17 m3/h，只改變TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，定量分析了TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫水效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫水效果的影響

由圖4可知，隨著TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，脫水后的干氣露點(diǎn)也在不斷降低，并且干氣露點(diǎn)下降趨勢明顯加大。這是因?yàn)門EG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時水含量較低，氣液兩相之間的傳質(zhì)效果顯著，水分吸收速率較高。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，雖然TEG富液進(jìn)入再生塔再生，但是限于技術(shù)和實(shí)際條件，一段時間后TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值，而TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降0.50%，脫水后的干氣露點(diǎn)最高會上升約5.0℃。綜合考慮，建議定期檢測TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在99.00%以上。若TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于99.00%，則可在約204.0℃盡可能合理地提高再生溫度，在15.00～25.00 m3/h內(nèi)盡量增加汽提氣量。

3.1.3 原料氣入塔流量對脫水效果的影響 如果原料氣入塔流量過大，則會使TEG溶液和原料氣之間接觸不充分，并會攜帶一定量的TEG溶液，從而增大TEG溶液的損失量，而TEG溶液與水分互溶，同時攜帶一定量的水分，TEG溶液與水分共同流入管道內(nèi)，加快管道的腐蝕速度，并容易造成冰堵，從而影響脫水效果。

設(shè)定TEG循環(huán)量為1.17 m3/h、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.20%，只改變原料氣入塔流量，考察了原料氣入塔流量對脫水后干氣露點(diǎn)的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，原料氣入塔流量的改變對脫水后干氣露點(diǎn)影響不大。這是因?yàn)椋寒?dāng)原料氣入塔流量較高但在設(shè)計范圍時，原料氣入塔流量發(fā)生較小的變化對含水量及氣液質(zhì)量比的影響較小；當(dāng)原料氣入塔流量過高時，則會造成接觸時間變短和霧沫夾帶，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓨A帶液泛，進(jìn)而導(dǎo)致塔板效率下降，從而會影響脫水后的干氣露點(diǎn)；當(dāng)原料氣入塔流量過低時，會造成漏液量超過控制范圍。綜合考慮，建議將原料氣入塔流量控制在（298.0～302.0）×104Nm3/d。

圖5 原料氣入塔流量對脫水效果的影響

3.1.4 原料氣入塔溫度對脫水效果的影響 在原料氣入塔壓力一定、入塔溫度升高時，原料氣中的含水量會隨之增加，從而會大大增加TEG消耗量和脫水裝置的動力負(fù)荷。但是，原料氣入塔溫度不能過低，若進(jìn)氣溫度低于10.0℃，則會使TEG溶液黏度增大，從而影響脫水效果[15]。

原料氣入塔溫度的變化會導(dǎo)致吸收塔操作溫度有明顯的變動，原料氣入塔溫度不同時對脫水效果的影響各不相同。設(shè)定原料氣入塔流量為300.0×104Nm3/d、原料氣入口壓力為5.05 MPa、TEG循環(huán)量為1.17 m3/h，只改變原料氣的入塔溫度，觀察原料氣入塔溫度對脫水效果的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 原料氣入塔溫度對脫水效果的影響

由圖6可知，當(dāng)原料氣入塔壓力一定時，隨著原料氣的入塔溫度逐漸升高，脫水后的干氣露點(diǎn)會逐漸升高，并且干氣露點(diǎn)升高的趨勢越來越明顯。這是因?yàn)椋何彰撍に嚍榉艧徇^程，當(dāng)原料氣的入塔溫度不斷升高時，會使水蒸氣在TEG溶液中的溶解度逐漸降低，從而直接影響TEG溶液的吸收效果。根據(jù)原料氣入塔溫度對脫水效果的影響規(guī)律可知，原料氣入塔溫度高于30.0℃時會加快干氣露點(diǎn)的升高，原料氣入塔溫度高于40.0℃時干氣露點(diǎn)不合格，原料氣入塔溫度低于10.0℃時TEG會變稠[15]。綜合考慮，建議將原料氣入塔溫度控制在20.0～30.0℃。

3.1.5 吸收塔操作壓力對脫水效果的影響 吸收塔操作壓力增高會促進(jìn)水蒸氣在TEG溶液中的溶解度，有利于TEG對原料氣中水分的吸收。但是，當(dāng)吸收塔操作壓力過高時，吸收塔各塔板之間的壓差增大，容易導(dǎo)致TEG溶液發(fā)泡。設(shè)定原料氣入塔溫度為28.5℃、TEG溶液循環(huán)量為1.17 m3/h、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.20%，只改變吸收塔操作壓力，考察吸收塔操作壓力對脫水效果的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 吸收塔操作壓力對脫水效果的影響

由圖7可知，隨著吸收塔操作壓力的不斷增高，脫水后的干氣露點(diǎn)不斷減??；在吸收塔操作壓力為4.80～5.20 MPa時，對脫水效果的影響較大；這是因?yàn)楫?dāng)吸收塔操作壓力逐漸升高時，水蒸氣分壓會隨之增加，并且其在TEG溶液中的溶解度不斷增大。在吸收塔操作壓力大于5.20 MPa后繼續(xù)增大壓力時，干氣露點(diǎn)的降低速率減緩。這是因?yàn)椋寒?dāng)吸收塔操作壓力過高時，會導(dǎo)致TEG貧液和原料氣逆流接觸不充分，原料氣容易再次攜帶液體，并會增加塔板間的壓降，從而影響脫水效果，并且會增加吸收塔運(yùn)行成本。綜合考慮，建議將吸收塔操作壓力控制在4.80～5.20 MPa。

3.1.6 吸收塔塔板數(shù)對脫水效果的影響 原料氣和TEG貧液的接觸是在吸收塔塔板上進(jìn)行的，理論上塔板數(shù)越多，得到的干氣露點(diǎn)下降幅度越大。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中吸收塔的塔板數(shù)一般為6～10塊，過多的塔板會減小處理氣量。因此，在不影響TEG脫水裝置整體脫水效果的情況下，建議適當(dāng)減少吸收塔塔板數(shù)，以增加處理量和防止跑醇。設(shè)定原料氣入塔流量為300.0×104Nm3/d、原料氣入口壓力為5.05 MPa、原料氣入塔溫度為28.5℃、TEG循環(huán)量為1.17 m3/h，只改變吸收塔的塔板數(shù)，觀察吸收塔塔板數(shù)對脫水效果的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 吸收塔塔板數(shù)對脫水效果的影響

由圖8可知，隨著吸收塔塔板數(shù)的不斷增加，脫水后的干氣露點(diǎn)逐漸降低，這是因?yàn)槲账鍞?shù)增加可以增大氣液傳質(zhì)的接觸面積和時間間隔，從而顯著提高TEG脫水效果。當(dāng)吸收塔塔板數(shù)為6塊以上時，脫水后干氣露點(diǎn)降低的趨勢逐漸變緩。減少一塊塔板，可以增大塔板和除霧器之間的距離，預(yù)留一個較大的氣體脫水后緩沖空間，從而達(dá)到減少TEG溶液損耗量的目的。綜合考慮，建議將吸收塔的塔板數(shù)保持在6～7塊。

3.1.7 TEG貧液入塔溫度對脫水效果的影響

吸收塔的吸收溫度也會受到TEG貧液入塔溫度的影響。設(shè)定TEG循環(huán)量為1.20 m3/h、TEG貧液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.20%、吸收塔的操作壓力為4.80 MPa、原料氣入塔溫度為28.3℃，只改變TEG貧液入塔溫度，考察TEG貧液入塔溫度對脫水效果的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 TEG貧液入塔溫度對脫水效果的影響

由圖9可知，隨著TEG貧液入塔溫度的升高，脫水后干氣露點(diǎn)也會不斷升高。但是，在TEG貧液入塔溫度不同的條件下，脫水后的干氣露點(diǎn)相差不是很大。這是因?yàn)椋号c原料氣入塔流量相比，TEG溶液在吸收塔內(nèi)部的流量較小，原料氣入塔溫度對吸收塔內(nèi)吸收溫度的影響不大。當(dāng)進(jìn)吸收塔的TEG貧液溫度從30.0℃升高至35.0℃時，原料氣脫水后的干氣露點(diǎn)從－15.2℃升高至－13.8℃，并且根據(jù)TEG脫水裝置工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，TEG貧液入塔溫度不超過設(shè)計值上限40.0℃。但是，TEG貧液入塔溫度也不能過低，否則容易導(dǎo)致TEG溶液發(fā)生發(fā)泡現(xiàn)象。綜合考慮，建議將TEG貧液入塔溫度控制在30.0～35.0℃。

3.1.8 塔板總效率對脫水效果的影響 理論塔板數(shù)與實(shí)際塔板數(shù)之比即為塔板總效率。塔板總效率對脫水后干氣露點(diǎn)的影響很大，將其保持在設(shè)計值范圍內(nèi)，對整套裝置的脫水效果至關(guān)重要。設(shè)定原料氣入塔流量為300.0×104Nm3/d、原料氣入口壓力為5.05 MPa、原料氣入塔溫度為28.5℃、TEG溶液循環(huán)量為1.17 m3/h，只改變塔板總效率，考察塔板總效率對脫水效果的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10 塔板總效率對脫水效果的影響

由圖10可知，塔板總效率對脫水后干氣露點(diǎn)的影響很大，這是因?yàn)槿绻蹇傂试黾樱瑒t會降低氣體壓降及液面落差，有利于更好地吸收和脫除水分。當(dāng)塔板總效率低于20%時，隨著塔板總效率的增大，脫水后干氣露點(diǎn)下降幅度很大；如果塔板總效率過高甚至實(shí)際塔板數(shù)低于理論塔板數(shù)，則會影響吸收塔的吸收效果。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要制定合理的原料氣流量和TEG循環(huán)量，而且還要定期地對塔板進(jìn)行清理。綜合考慮，建議將塔板總效率保持在25%～30%。

3.2 TEG再生工藝

TEG再生工藝效果的影響因素主要包括重沸器溫度、汽提氣流量等。提高重沸器溫度和汽提氣流量有助于提高TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。以TEG溶液再生后的貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為TEG再生工藝的效果評價指標(biāo)，定量分析重沸器溫度、汽提氣流量對脫水效果的影響。

3.2.1 重沸器溫度對脫水效果的影響 保持TEG循環(huán)量為1.17 m3/h、汽提氣流量為1.5 m3/h，對重沸器單獨(dú)模擬，將重沸器溫度設(shè)置為自變量，重沸器溫度定為196.5～204.0℃，并將TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為因變量，考察重沸器溫度對TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11 重沸器溫度對脫水效果的影響

由圖11可知，隨著重沸器溫度的升高，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，但是增加趨勢逐漸變緩；重沸器溫度從196.5℃升高至204.0℃時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從99.12%增至99.78%。由文獻(xiàn)[18]可知，當(dāng)TEG溶液溫度大于204.0℃時，其分解速率顯著加快。根據(jù)TEG脫水裝置工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，要求TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須在99.00%以上。在生產(chǎn)操作過程中，應(yīng)盡量降低重沸器負(fù)荷，節(jié)省能耗成本。綜合考慮，建議將重沸器溫度控制在196.5～204.0℃。

3.2.2 汽提氣流量對脫水效果的影響 當(dāng)重沸器溫度即便升高至204.0℃時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然無法達(dá)到脫水要求，通常會將干氣的一部分作為汽提氣，從重沸器后面進(jìn)行逆流引入。保持TEG循環(huán)量為1.17 m3/h、重沸器溫度為204.0℃，只改變汽提氣流量，考察了汽提氣流量對TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖12所示。

圖12 汽提氣流量對脫水效果的影響

由圖12可知，隨著汽提氣流量的增加，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，但是增加趨勢越來越平緩，其與不同重沸器溫度下TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律相似。這是因?yàn)椋翰捎靡欢康钠釟馀c相同溫度下的TEG富液進(jìn)行充分接觸，并通過降低TEG溶液表面的水蒸氣分壓，將TEG溶液有效提濃。當(dāng)汽提氣流量大于1.75 m3/h時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的趨勢隨著汽提氣流量的增加逐漸減弱。當(dāng)汽提氣流量從1.50 m3/h增加至1.85 m3/h時，TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從99.18%增加至99.40%。但是，當(dāng)汽提氣流量過高時，會大大增加汽提塔和再生塔的氣相負(fù)荷，嚴(yán)重時會產(chǎn)生液泛現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中應(yīng)盡量減小汽提氣流量。綜合考慮，建議將汽提氣流量控制在1.50～1.75 m3/h。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

在原料氣入塔流量為300.0×104Nm3/d、原料氣入口壓力為5.05 MPa、原料氣入塔溫度為28.5℃、TEG循環(huán)量為1.17 m3/h的工況條件下，通過HYSYS軟件進(jìn)行模擬計算。模擬計算所得到的關(guān)鍵工藝參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

由表2可以看出，HYSYS軟件的模擬計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的吻合度較高，脫水后干氣露點(diǎn)的模擬計算值與現(xiàn)場測試值之間相差僅1.1℃，從而驗(yàn)證了TEG脫水工藝模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計算模型的可靠性，其模擬計算結(jié)果可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)操作。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

采用HYSYS軟件對頁巖氣TEG脫水裝置進(jìn)行了流程模擬與工況計算，定量分析了TEG循環(huán)量、TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原料氣入塔流量和溫度、吸收塔操作壓力、吸收塔塔板數(shù)、TEG貧液入塔溫度和塔板總效率等工藝參數(shù)對TEG脫水效果的影響，并將其模擬結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

（1）在TEG吸收脫水工藝中，通過在一定合理范圍內(nèi)增加TEG循環(huán)量和貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低TEG貧液入塔溫度、原料氣入塔流量和溫度，增高吸收塔操作壓力、塔板總效率和塔板數(shù)的方法，降低脫水后干氣露點(diǎn)，改善脫水效果。

（2）在TEG再生工藝中，提高重沸器溫度和汽提氣流量有助于提高TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且會顯著改善TEG脫水效果。

（3）根據(jù)實(shí)際工況條件，采用HYSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)脫水工藝參數(shù)的模擬計算與優(yōu)化。通過實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果的對比分析可知，模擬計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可在其他氣田推廣應(yīng)用，對TEG脫水工藝設(shè)計及現(xiàn)場操作具有指導(dǎo)作用。

5.2 建議

（1）為優(yōu)化TEG吸收脫水工藝參數(shù)，建議將TEG循環(huán)量控制在1.10～1.25 m3/h，并且最高不超過2.50 m3/h，否則脫水效果較差；將TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在99.00%以上，并定期檢測TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)；將TEG貧液入塔溫度控制在30.0～35.0℃，以避免干氣因溫度驟降而導(dǎo)致大量烴類氣體冷凝析出。

（2）為優(yōu)化原料氣入塔工況參數(shù)，建議將原料氣入塔流量控制在（298.0～302.0）×104Nm3/d，防止夾帶液泛和塔板效率下降；將原料氣入塔溫度控制在20.0～30.0℃，40.0℃以上的溫度會使干氣露點(diǎn)不合格，10.0℃以下的溫度會使TEG溶液的黏度增大。

（3）為優(yōu)化吸收塔操作參數(shù)和性能指標(biāo)，建議將吸收塔操作壓力控制在4.80～5.20 MPa，當(dāng)吸收塔操作壓力大于5.20 MPa時，如果繼續(xù)增大吸收塔操作壓力，則干氣露點(diǎn)的降低速率逐漸減小；將吸收塔的塔板數(shù)保持在6～7塊，不僅可以增加處理量，而且還可以有效防止跑醇現(xiàn)象；將塔板總效率保持在25%～30%，當(dāng)塔板總效率低于25%時，干氣露點(diǎn)升高幅度很大，故應(yīng)定期對吸收塔塔板進(jìn)行檢查和清洗。

（4）為優(yōu)化TEG再生工藝參數(shù)，保證TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.00%，建議將重沸器溫度控制在196.5～204.0℃，盡量降低重沸器負(fù)荷量；將汽提氣流量控制在1.50～1.75 m3/h，盡量減小汽提氣流量，從而達(dá)到節(jié)省能耗成本的目的。