天然氣三甘醇脫水工藝仿真實驗設計

王兆鳳，呂連杰

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

仿真技術是以計算機和各種設備為工具，在相似原理、信息技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關技術的基礎上，建立并利用模型對相關系統(tǒng)進行實驗研究的一項綜合技術[1]。當前，為了進一步降低天然氣處理的生產運營成本、提高安全運行水平，國內外油氣企業(yè)紛紛采用仿真模擬技術優(yōu)化天然氣處理廠的設計、運行。

本文將天然氣處理廠設計運行中重要工藝技術[2]——三甘醇脫水工藝，引進到實驗教學過程中，為學員提供一個了解工程實際、應用所學專業(yè)知識的平臺，此工藝仿真實驗的開展不僅能夠創(chuàng)新軟件實訓教學方法，而且對提高學員的專業(yè)素養(yǎng)

和技術能力有很大幫助[3]。

1 三甘醇脫水工藝流程

三甘醇脫水工藝流程[4-6]是，含水天然氣自吸收塔底部進入，與來自塔頂的三甘醇貧液進行逆流吸收，脫除水分，脫水后的天然氣自吸收塔塔頂排出，吸收后的三甘醇富液自吸收塔塔底排出，經冷凝器升溫后進入閃蒸罐蒸出烴類氣體，再經過濾器濾掉部分雜質后經過貧/富液換熱器再次升溫后通過緩沖罐，再進入再生塔內完成解吸；解吸后的三甘醇貧液經貧/富液換熱器冷卻后，通過甘醇泵輸送至吸收塔頂部循環(huán)使用[7]。如圖1所示。

圖1 三甘醇脫水工藝流程圖

2 實驗方案

2.1 實驗內容

(1)穩(wěn)態(tài)模擬。對井口來氣壓力11.2 MPa、處理氣量2.124×104m3/d的穩(wěn)定工況進行穩(wěn)態(tài)模擬的模型建立和調試。

(2)正常工況下的動態(tài)模擬。以穩(wěn)態(tài)模擬為基礎，建立相同工況下的動態(tài)模擬模型，并進行優(yōu)化調試。

(3)氣源變化工況下的動態(tài)模擬。在正常工況下動態(tài)模擬的基礎上，將井口來氣壓力由11.2 MPa逐漸降低至6 MPa，來氣溫度、流量均不變，優(yōu)化、調試新的動態(tài)模型。

(4)誤操作工況下的動態(tài)模擬。在正常工況下動態(tài)模擬的基礎上，將三甘醇吸收塔甘醇出口閥門開度由100%變?yōu)?0%，造成吸收塔液位波動，其他條件均不變，優(yōu)化、調試新的動態(tài)模型。

(5)仿真結果的分析。以模擬得到的數據為基礎，對三甘醇脫水工藝的適用性進行分析。

2.2 實驗步驟

2.2.1 建立穩(wěn)態(tài)模型

根據現(xiàn)場運行參數的部分數據，建立三甘醇脫水的穩(wěn)態(tài)模型，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)模擬工藝流程圖

模型各部分功能和建立過程描述如下。

2.2.1.1 氣體脫水流程

①從井口來的濕天然氣進入原料氣過濾器中過濾分離掉5 μm以上的固體及液體雜質后，由物流7進入三甘醇吸收塔下部，濕天然氣在三甘醇吸收塔的上升過程中，與從塔上部下來的貧三甘醇充分接觸，氣液傳質交換，脫除掉天然氣中的水分后，再經塔頂除沫器除去大于5 μm的甘醇液滴后，干天然氣由塔頂部出塔。

②自三甘醇吸收塔脫水后的干天然氣進入到氣體—貧甘醇換熱器與貧甘醇換熱，換熱后干天然氣進入產品氣分離器中分離掉天然氣中攜帶的三甘醇后，干天然氣經調節(jié)閥調節(jié)控制吸收塔運行壓力，進入集配氣總站。

2.2.1.2 三甘醇循環(huán)再生流程

①貧三甘醇由塔上部進入吸收塔，由上而下經過填料塔盤，吸收天然氣中的水分。吸收水分后的三甘醇富液在泵送下，在換熱器中被塔頂蒸汽加熱至40～60℃后進入三甘醇富液閃蒸罐閃蒸分離出溶解在甘醇中的烴氣體，加熱器保證三甘醇富液的溫度符合要求。

②甘醇由閃蒸罐下部流出，依次進入預過濾分離器、活性炭過濾器及后過濾器，過濾掉富甘醇中5 μm以上的固體雜質、部分重烴及三甘醇再生時的降解物質。

③經過濾后富甘醇進入三甘醇貧-富液換熱器，與由再生重沸器下部三甘醇緩沖罐流出的熱貧甘醇換熱升溫至130～160℃后進入三甘醇再生塔。

④在三甘醇再生塔中，通過提餾段、精餾段、塔頂回流及塔底重沸的綜合作用，使富甘醇中的水分及很小部分烴類分離出塔。塔底重沸溫度為198～203℃，三甘醇重量百分比濃度為98.8～99.2%。

⑤重沸器中的貧甘醇經貧液汽提柱，溢流至重沸器下部三甘醇緩沖罐，在貧液汽提柱中可由引入汽提柱下部的熱干氣對貧液進行汽提[8]，經過汽提后的貧甘醇重量百分比濃度可達99.8%。

⑥貧液12在換熱器中通過換熱盤管與富甘醇換熱，溫度降至160℃左右出換熱器，進入三甘醇貧-富液換熱器，溫度降至80℃以下經柱塞泵增壓后，進吸收塔吸收天然氣中的水分。

2.2.2 正常工況下的動態(tài)模型

在得到穩(wěn)態(tài)模型各設備、環(huán)節(jié)的運行參數后，建立各設備的動態(tài)模型。之后逐漸增加調節(jié)閥、安全閥、切斷閥模型，最后增加控制邏輯，并記錄各個設備的動態(tài)運行數據，運行時間設置為1 h，建立得到的三甘醇脫水的動態(tài)模型，并進行數據計算，如圖3所示。

圖3 正常工況下的部分運行數據

由圖3可見，在正常工況下，各個設備的各項參數都能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 氣源變化工況下的動態(tài)仿真模型

在正常工況下動態(tài)模擬模型的基礎上，將井口來氣壓力在20～40 min之間，由11.2 MPa逐漸降低至6 MPa，其他均不變。各個設備的動態(tài)運行數據記錄在覆蓋記錄在電子表格中。

由圖4可見，在氣源變化工況降壓期間，各個設備的溫度、壓力和體積流量近似處于線性變化，之后保持穩(wěn)定狀態(tài)；外輸天然氣的水露點在小范圍內變化劇烈，但基本保持穩(wěn)定；再沸器溫度變化顯著，塔頂溫度基本保持不變。

圖4 氣源變化工況下的部分運行數據

2.2.4 誤操作工況下的動態(tài)仿真模型調試

在正常工況下動態(tài)模擬模型(圖3)的基礎上，將三甘醇吸收塔甘醇出口閥門開度由100%變?yōu)?0%，其他均不變。各個設備的動態(tài)運行數據記錄在覆蓋記錄在電子表格中。

由圖5可見，在誤操作工況下下，閥門開度的變化對吸收塔V-200-I之前的設備影響較小，吸收塔塔底液位和出口溫度有顯著上升；外輸天然氣的溫度和水露點有明顯的上升，之后保持穩(wěn)定；富液壓力在小范圍內有上升，流量有明顯下降；再沸器R-100-I溫度有明顯的上升，再生塔ST-100-I塔頂溫度基本穩(wěn)定。

圖5 誤操作工況下的部分運行數據

3 結語

本文設計了具體的三甘醇脫水工藝仿真實驗。通過該實驗，為學員提供一個了解工程實際、應用所學專業(yè)知識的平臺，加強和培養(yǎng)了本科學員的科研能力、創(chuàng)新能力和專業(yè)知識掌握能力，豐富了油氣儲運工程專業(yè)軟件應用實踐課程教學內容，提高了教學效果。此工藝仿真實驗的開展不僅能夠創(chuàng)新軟件實訓教學方法，而且對提高學員的專業(yè)素養(yǎng)和技術能力有很大幫助。