利用HYSYS计算摸型优化长庆油田站边气田甲醇回收

2015-12-16 08:31王勇苟永平
油气与新能源 2015年1期
关键词:精馏塔气田换热器

王勇 苟永平

(西安长庆科技工程有限责任公司)

长庆油田靖边气田在采气过程中,通常在井口节流降压,形成低温气体。为防止天然气在采出和集输中形成水合物堵塞管道,需要在井口注入甲醇或乙二醇作为防冻剂。这些防冻剂如果不回收,不仅增加生产成本,还对环境造成污染,特别对地下水造成污染。为降低运行成本和防止含醇污水污染环境,需对污水中的甲醇进行回收。由于含醇污水携带地层水、凝析油等成分,回收工艺变得较为复杂。由于靖边气田采用注醇工艺所注入的抑制剂是甲醇,因此,回收甲醇具有显著的经济效益和社会效益[1]。

1 靖边气田含甲醇污水特点

一是,随着总气量显著变化,总产水量也相应跟着变化。每生产 10×104m3天然气,约产出 1m3含甲醇污水。

二是,污水中甲醇含量随季节显著变化。夏季最低约为5%~10%,冬季最高约为20%~25%。

三是,靖边气田大约有30座集气站,并且每个集气站地层水质不同,甲醇污水差异较大。天然气产量每天都处在动态变化之中,各集气站甲醇污水量也相应变化,因此,净化厂含甲醇污水储罐中的水质也变化显著[2]。

2 污水性质及水质预处理研究

由于各气田污水中所含杂质类型和数量不同,使得气田污水的性质有很大差别。除密度、相对密度外,常用以下参数描述污水性质。

污水中的酸度:也称酸性,表示中和碱性物质的能力,表明水溶液中H+的过剩程度。水内通常溶有 CO2、H2S、有机酸(如醋酸)、矿物酸或酸性盐类的水解通常是污水酸度的来源。

含盐度:也称总矿化度,是指水溶液中溶解矿物盐类的总量,单位为mg/L。可用Cl-1浓度或NaCl浓度表示含盐度,并对水进行分类。淡水的含盐度小于2 000mg/L,微咸水含盐度为2 000~10 000mg/L,咸水含盐度大于10 000mg/L,海水的平均含盐度为35 000mg/L。含盐度大小影响气体在水中的溶解度和水的腐蚀性。

正是因为污水中含有气、液、固杂质,所以在集输生产、污水处理、回注过程中会产生腐蚀和结垢等问题。结垢后的污水内溶有许多矿物盐类,各种盐类在水中有一定的平衡溶解度,随压力、温度、水中其他离子和溶解气浓度等因素而变化,并具有很大的变化范围。因此,含醇污水总体特点是矿化度高,pH值偏低而呈酸性,给甲醇回收造成一定的难度[3]。

3 含甲醇污水处理工艺方案

3.1 方案分析

气田含甲醇污水宜集中处理,其原因是甲醇回收装置能耗及冷却水用量大,若分散在各集气站处理,不但要增加操作管理人员,而且配套系统多、投资大。回收甲醇后的剩余污水不再直接回注地层而去净化厂污水处理装置。目的是既减少气田开采中高含盐水的总排污量,又避免事故排放中甲醇及高含盐水对环境的危害[4-5]。

为适应气田污水甲醇含量的变化,一般采用精馏工艺,精馏塔采用“浮阀+筛板”的复合结构。综合考虑投资及运行成本,回收的甲醇浓度应大于95%,剩余污水中甲醇含量小于0.1%为合格。

3.2 工艺流程

含甲醇污水用进料泵从储罐抽出,然后经过换热器与污水换热后进入加热器加热至 95℃进入精馏塔,蒸馏出污水中甲醇。甲醇蒸汽从精馏塔塔顶进入空冷器,冷却至40℃后进入回流罐,然后用回流泵抽出,一部分打入塔顶作回流,另一部分作为产品去储罐。塔底污水与原料换热后回注地层[6]。

3.3 回收甲醇HYSYS模拟计算

基础数据:污水处理量为150m3/d;污水甲醇含量 36%;温度为 20℃;压力为常压(120kPa);要求产品的甲醇浓度不小于95%,污水含甲醇不大于0.1%。

罐区来的甲醇污水,温度15℃,压力0.11MPa,经过污水泵增压后压力为0.185MPa,然后经换热器换热,换热后物流温度为70℃,二次经换热器换热温度达到90℃进入甲醇精馏塔进行蒸馏,甲醇精馏塔压力控制在 0.105~0.15MPa,塔盘数控制在 45块,塔顶冷凝器的甲醇摩尔分数控制在96%。含甲醇的污水在此温度下进行闪蒸和精馏,经过充分闪蒸和精馏后塔顶出来的甲醇温度为66.37℃,压力为0.105MPa进入产品储罐。塔底污水温度为111.3℃,压力为 0.15MPa。污水从塔底出来后分成两部分,约30%的污水二次经换热器换热给原料甲醇污水提供热量,换热后温度为39.21℃去净化水罐;另外,约70%的污水经泵增压至0.2MPa,再经加热器加热至119.4℃,通过打循环进入甲醇精馏塔第五层塔盘。

该模拟流程设置一调节器,设定污水中含水率为99.99%,当污水中的含水率高于这个值时,通过调节器自动调节减少污水量;当含水率低于这个值时,通过调节器自动增加污水量,从而实现控制污水中的甲醇含量。以上所有参数均采用HYSYS软件计算模拟得出[7-8]详见图1。

图1 甲醇污水回收HYSYS计算模型

3.4 模拟后设备的优化

根据 HYSYS软件建立的含醇污水甲醇回收模型,利用该模型对现场甲醇回收工艺参数进行优化,以及对换热器等设备进行简化。模拟结果显示:当甲醇回收率控制在96%时,加热器的热负荷比优化前减少了20%;精馏塔塔底热负荷比优化前减少了30%;精馏塔操作压力可控制在 0.1~0.15MPa,比现场操作压力降低了 0.02MPa,基本能满足精馏塔在常压下运行。另外,塔顶的回流也提高了10%,含醇污水在塔内回流更加充分,甲醇回收率进一步提高,比优化前甲醇回收率提高了10%。同时,当换热器和加热器的热负荷降低时,设备的结构也得到进一步优化和简化。因此,模拟计算不仅提供了提高甲醇回收率和能耗的方法,还对换热器及重沸器的结构选型提供了理论依据[7-8]。模型优化前后装置工艺参数对照见表1。

表1 模型优化前后装置工艺参数对照

4 结论与建议

通过分析长庆油田靖边气田含醇污水特点,对污水性质及水质预处理进行了研究。针对气田所建甲醇污水处理装置,采用HYSYS软件进行了模拟计算,模拟结果表明:软件计算所确定的加热器负荷、精馏塔塔底热负荷为现场换热器及重沸器结构选型提供了理论依据,最终回收甲醇含量超过99%,达到了实际处理的甲醇浓度95%的要求;另外,模拟计算对现场参数调节、温度控制具有实时指导意义。通过HYSYS计算还得出,甲醇产品的回收浓度由甲醇污水性质来确定,污水中含醇类多,相应加热器负荷、精馏塔负荷大些,反之则小。因此,该模拟计算还可确定出不同装置需要的不同能耗,达到优化和简化装置规模的目的。

建议现场含甲醇污水储运设施及甲醇回收装置应达到全密闭运行、最大限度地降低甲醇对环境的污染,实现生态环境保护。

[1] 王遇冬.天然气处理原理与工艺[M].版.北京: 中国石化出版社,2011: 82-85.

[2] 凌斌,梁玮.甲醇生产与市场应用前景[J].天然气与石油,2008,26(3): 51-53.

[3] 刘峰,杨恒远,刘波,等.靖边气田含醇污水处理工艺优化[J].天然气工业,2007,27(5): 124-125.

[4] 周玉荣,张成虎,薛永强,等.榆林气田含油含醇污水预处理工艺改造效果评价[J].天然气工业,2008,28(2): 139-141.

[5] 徐文渊,蒋长安.天然气利用手册[M].版.北京: 中国石化出版社,2006: 80-85.

[6] 郭揆常.矿场油气集输与处理[M].北京: 中国石化出版社,2009: 110-120.

[7] 王勇,王文武,呼延念超.油田伴生气乙烷回收HYSYS计算模型研究[J].石油与天然气化工,2011,40(3): 236-239.

[8] 李士富,王曰燕,王勇.山西沁水煤层气液化HYSYS软件计算模型[J].天然气与石油,2010,28(4): 22-25.

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