頁(yè)巖氣增壓生產(chǎn)模式下脫水裝置適應(yīng)性探討

魏 云 張麗麗 韓淑怡 蔣志明 肖秋濤 李 萍 舒 琴

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 荊楚理工學(xué)院化工與制藥學(xué)院, 湖北 荊門 448000

0 前言

為緩解天然氣供需矛盾,力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),國(guó)家大力提倡非常規(guī)能源頁(yè)巖氣的開發(fā)。四川川南地區(qū)為中國(guó)主要頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū),2020年中國(guó)石油在四川盆地的頁(yè)巖氣年產(chǎn)量已突破100×108m3。

川南某頁(yè)巖氣區(qū)塊隨著開發(fā)的深入,氣井壓力不斷降低,為了提高開采效率,保證區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè),保障地區(qū)天然氣供應(yīng),同時(shí)為了滿足產(chǎn)品天然氣外輸管網(wǎng)壓力要求,考慮在該區(qū)塊某集氣站現(xiàn)有脫水裝置增設(shè)增壓設(shè)施[1-4]。在此背景下,有必要對(duì)現(xiàn)有脫水裝置運(yùn)行情況與增壓生產(chǎn)模式下運(yùn)行的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析[5-13]。

1 現(xiàn)有脫水裝置設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行情況

天然氣在管道輸送過(guò)程中,隨著壓力和溫度的變化,水蒸氣容易形成水合物甚至凝結(jié)成冰,堵塞管道設(shè)備,影響天然氣運(yùn)輸。因此，在天然氣集輸和加工方面,對(duì)天然氣水含量的要求非常嚴(yán)格。天然氣脫水，尤其是天然氣集輸過(guò)程中水蒸氣的去除是天然氣集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵[14-18]。鑒于川南某頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣一般不含有酸性組分,只需要對(duì)其進(jìn)行脫水處理即可滿足產(chǎn)品天然氣管輸要求。該區(qū)塊某集氣站現(xiàn)有脫水裝置采用成熟的三甘醇(TEG)脫水工藝脫除天然氣中的水分。TEG脫水裝置主要由高壓吸收裝置和常壓加熱再生裝置兩部分組成[19]。TEG脫水工藝流程見圖1。

圖1 TEG脫水工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of TEG dehydration

該站現(xiàn)有脫水裝置設(shè)計(jì)處理量為150×104m3/d,操作壓力為3.5～5.8 MPa,操作溫度為20～35 ℃,TEG溶液循環(huán)量約為1 m3/h。詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有脫水裝置運(yùn)行參數(shù)表

為準(zhǔn)確分析進(jìn)脫水裝置天然氣的氣質(zhì)條件變化對(duì)脫水效果的影響,本文利用HYSYS軟件,使用Peng-Robinson模型,模擬天然氣TEG脫水處理流程,對(duì)現(xiàn)有脫水裝置的運(yùn)行情況和增壓工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2 增壓生產(chǎn)模式下裝置適應(yīng)性分析

2.1 增壓流程模擬

當(dāng)井口原料天然氣壓力低于脫水裝置最低操作壓力3.5 MPa時(shí),需要對(duì)原料天然氣進(jìn)行增壓操作,以滿足下游脫水裝置穩(wěn)定運(yùn)行的要求。原料天然氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后溫度升高,由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)循環(huán)水系統(tǒng),采用空冷器冷卻方式對(duì)原料天然氣進(jìn)行冷卻,冷卻后的氣體進(jìn)入脫水裝置。當(dāng)大氣溫度高于25 ℃時(shí),經(jīng)空冷器冷卻后的原料天然氣溫度將高于脫水裝置最高操作溫度35 ℃。當(dāng)壓縮機(jī)組在夏季極端高溫運(yùn)行時(shí),脫水裝置天然氣進(jìn)口溫度最高可達(dá)48 ℃左右。增壓模擬流程見圖2。

圖2 增壓模擬流程圖Fig.2 Pressure boosting simulation flow diagram

原料天然氣1與水摻混后經(jīng)過(guò)分離器V-101分離,形成含飽和水的天然氣。原料天然氣1在1.7 MPa、30 ℃時(shí)開始增壓至5.8 MPa。增壓后天然氣溫度升高,經(jīng)空冷器冷卻至約48 ℃后進(jìn)入后端脫水裝置。

2.2 原料天然氣水含量分析

通過(guò)HYSYS軟件模擬發(fā)現(xiàn),原料天然氣中飽和水含量主要受溫度、壓力影響:溫度升高,飽和水含量升高;壓力降低,飽和水含量升高。

設(shè)計(jì)工況與增壓工況原料天然氣中飽和水含量見表2。

表2 設(shè)計(jì)工況與增壓工況原料天然氣飽和水含量表

由表2可知,由于氣井壓力降低,壓縮機(jī)進(jìn)口原料天然氣中水含量升高。增壓冷卻至48 ℃后,原料天然氣中水含量為108 kg/h,大于任何一種設(shè)計(jì)工況的原料天然氣水含量。

2.3 產(chǎn)品氣水露點(diǎn)影響分析

在原料天然氣飽和水含量增加的情況下,基于設(shè)計(jì)工況模型,導(dǎo)入增壓后的原料天然氣參數(shù)。設(shè)計(jì)工況與增壓工況產(chǎn)品氣水露點(diǎn)模擬計(jì)算見表3，設(shè)計(jì)工況與增壓工況產(chǎn)品氣脫水率計(jì)算見表4。

表3 設(shè)計(jì)工況與增壓工況產(chǎn)品氣水露點(diǎn)模擬計(jì)算表

表4 設(shè)計(jì)工況與增壓工況產(chǎn)品氣脫水率計(jì)算表

由表3～4可知,脫水裝置在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí),當(dāng)上游原料氣增壓時(shí),由于原料天然氣溫度升高,其水含量增加,造成產(chǎn)品氣水露點(diǎn)控制難度增大。在設(shè)計(jì)工況1～4 TEG脫水負(fù)荷、露點(diǎn)降等限制指標(biāo)下,造成產(chǎn)品氣水含量增加,產(chǎn)品氣水露點(diǎn)升高,TEG脫水率下降。此時(shí),產(chǎn)品氣水露點(diǎn)指標(biāo)已無(wú)法滿足下游外輸要求。

如果要滿足設(shè)計(jì)工況1～4中最低水露點(diǎn)要求(-6.76 ℃),則脫水裝置需降產(chǎn)至114×104m3/d。

2.4 TEG吸收塔的適應(yīng)性

TEG吸收塔作為天然氣脫水裝置的關(guān)鍵設(shè)備,其性能直接決定天然氣脫水效果。該脫水裝置TEG吸收塔采用泡罩塔,原料天然氣自下而上通過(guò)每層泡罩塔板與自上而下流動(dòng)的TEG在塔板接觸傳質(zhì)[20]。

泡罩塔塔徑計(jì)算公式:

(1)

式中:D′為初步塔徑,m;Aa為鼓泡面積,m2。

鼓泡面積計(jì)算如下:

(2)

最小泡罩?jǐn)?shù)計(jì)算如下:

(3)

式中:V為滿負(fù)荷氣量,m3/s;F為每個(gè)泡罩的齒縫總面積,m2;ρl、ρg分別為液相、氣相密度,kg/m3;h為齒縫高度,m。

通過(guò)上述公式發(fā)現(xiàn),吸收塔的尺寸及泡罩?jǐn)?shù)主要由原料天然氣處理量決定。增壓工況下該脫水裝置原料天然氣處理量不變,TEG循環(huán)量不變,對(duì)現(xiàn)有吸收塔無(wú)影響。但由于進(jìn)入吸收塔的原料天然氣溫度升高,塔頂產(chǎn)品氣的溫度也會(huì)相應(yīng)升高,導(dǎo)致進(jìn)入下游管輸?shù)漠a(chǎn)品氣溫度升高。

2.5 TEG重沸器的適應(yīng)性

富TEG通過(guò)貧液精餾柱進(jìn)入TEG重沸器,加熱到約200 ℃,以蒸發(fā)其在吸收塔吸收的水分。該TEG重沸器為火管重沸器,通過(guò)燃燒天然氣直接加熱。

在保持現(xiàn)有TEG循環(huán)量、貧TEG質(zhì)量濃度、汽提氣量、再生溫度等不變的情況下,對(duì)設(shè)計(jì)工況1～4以及增壓工況5的TEG重沸器負(fù)荷進(jìn)行模擬分析。設(shè)計(jì)工況與增壓工況下TEG重沸器負(fù)荷計(jì)算見表5。

表5 設(shè)計(jì)工況與增壓工況TEG重沸器負(fù)荷計(jì)算表

由表5可知,增壓工況下TEG重沸器的負(fù)荷大于任何一種設(shè)計(jì)工況下TEG重沸器的負(fù)荷,且產(chǎn)品氣水露點(diǎn)升高至7.24 ℃。增壓工況下,由于原料天然氣中飽和水含量升高,在維持設(shè)計(jì)工況TEG循環(huán)量、貧TEG質(zhì)量濃度不變的情況下,貧TEG從TEG吸收塔脫除的水量增加，即出吸收塔的富TEG中水含量增加,進(jìn)而使TEG重沸器的再生負(fù)荷增加。因此,增壓工況下,在維持汽提氣量、再生溫度不變的情況下,設(shè)計(jì)工況下的TEG重沸器規(guī)格大小不能滿足TEG再生負(fù)荷要求。

2.6 TEG貧富液換熱器的適應(yīng)性

在保持TEG循環(huán)量、貧TEG質(zhì)量濃度等不變的情況下,對(duì)設(shè)計(jì)工況1～4以及增壓工況5的TEG貧富液換熱器進(jìn)行模擬分析。設(shè)計(jì)工況與增壓工況TEG貧富液換熱器負(fù)荷計(jì)算見表6。

表6 設(shè)計(jì)工況與增壓工況TEG貧富液換熱器負(fù)荷計(jì)算表

由表6可知,增壓工況下TEG貧富液換熱器的負(fù)荷小于所有設(shè)計(jì)工況下TEG貧富液換熱器的負(fù)荷。

增壓工況下,由于進(jìn)入脫水裝置的原料天然氣溫度升高,TEG吸收塔底富TEG溫度升高,從而使得TEG貧富液換熱器的負(fù)荷降低。

同樣,經(jīng)過(guò)核算干氣貧液換熱器的負(fù)荷,增壓工況5干氣貧液換熱器的負(fù)荷小于設(shè)計(jì)工況1～4干氣貧液換熱器的負(fù)荷。增壓工況下,由于吸收塔出口產(chǎn)品氣溫度升高以及進(jìn)入干氣貧液換熱器的貧TEG溫度升高,使得干氣貧液換熱器的負(fù)荷未發(fā)生較大變化。

3 增壓生產(chǎn)模式下脫水裝置調(diào)控措施

針對(duì)上述增壓生產(chǎn)模式下脫水裝置出現(xiàn)的不適應(yīng)性,考慮現(xiàn)有脫水裝置改造的可操作性和經(jīng)濟(jì)性,以不進(jìn)行脫水裝置改造為前提,通過(guò)采取調(diào)控措施保證產(chǎn)品氣水露點(diǎn)合格。

3.1 TEG重沸器的調(diào)節(jié)方式

維持TEG重沸器原設(shè)計(jì)負(fù)荷基本不變的情況下,降低TEG再生溫度至185 ℃左右,提高汽提氣量至15 m3/h,經(jīng)過(guò)HYSYS模擬,此時(shí)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)為7 ℃,見表7。根據(jù)GB 17820—2018《天然氣》5.1節(jié)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)“在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下,天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”的要求,結(jié)合當(dāng)?shù)氐販財(cái)?shù)據(jù)(地溫值約25 ℃),該水露點(diǎn)滿足產(chǎn)品氣外輸水露點(diǎn)要求。

表7 增壓工況下TEG重沸器負(fù)荷不變時(shí)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)計(jì)算表

3.2 增加TEG循環(huán)量的調(diào)節(jié)方式

上游原料天然氣系統(tǒng)壓力降低造成進(jìn)入脫水裝置的原料天然氣水含量增加,為了維持產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的指標(biāo)要求,首要方法是增加TEG循環(huán)量。

但增加TEG循環(huán)量受限于TEG溶液預(yù)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、TEG溶液后過(guò)濾器以及TEG循環(huán)泵等設(shè)備的設(shè)計(jì)裕量。該脫水裝置現(xiàn)有TEG過(guò)濾器和TEG循環(huán)泵的最大設(shè)計(jì)能力為1.5 m3/h。通過(guò)HYSYS模擬,增加TEG循環(huán)量產(chǎn)品氣水露點(diǎn)計(jì)算見表8。

表8 增加TEG循環(huán)量產(chǎn)品氣水露點(diǎn)計(jì)算表

由表8可知,增壓工況下,TEG循環(huán)量為1.5 m3/h和1 m3/h時(shí),產(chǎn)品氣水露點(diǎn)并無(wú)明顯變化。

3.3 增加汽提氣量的調(diào)節(jié)方式

原料天然氣中水含量增加時(shí),除了改變TEG循環(huán)量的方法外,還可以在維持原TEG循環(huán)量不變的情況下,通過(guò)增加汽提氣量，提高貧TEG質(zhì)量濃度,改善產(chǎn)品天然氣水露點(diǎn)。

同樣采用HYSYS模擬,計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 增加汽提氣量產(chǎn)品氣水露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果表

由表9可知,增壓工況7下,增加汽提氣量,產(chǎn)品氣水露點(diǎn)出現(xiàn)明顯降低,達(dá)到1.11 ℃,但仍高于設(shè)計(jì)工況水露點(diǎn),此時(shí)貧TEG質(zhì)量濃度已較高。

4 結(jié)論與建議

增壓生產(chǎn)模式下,進(jìn)入脫水裝置的原料天然氣水含量增加,導(dǎo)致產(chǎn)品氣水露點(diǎn)升高、脫水裝置TEG重沸器等設(shè)備負(fù)荷增加等問(wèn)題。單純提高TEG循環(huán)量對(duì)降低產(chǎn)品氣水露點(diǎn)作用的不顯著,但若增加汽提氣量，提高貧TEG質(zhì)量濃度可顯著降低產(chǎn)品氣水露點(diǎn)。

同時(shí),應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)地溫值,產(chǎn)品氣外輸距離等條件,嚴(yán)格按照GB 17820—2018《天然氣》對(duì)產(chǎn)品氣水露點(diǎn)的要求,合理選擇經(jīng)濟(jì)可行的產(chǎn)品氣水露點(diǎn)技術(shù)指標(biāo),保障增壓生產(chǎn)模式下脫水裝置的正常運(yùn)行。