储气库地面脱水系统用能优化研究

李凤华，刘德绪，曹学文，边 江

（1. 中国石油大学（华东）， 山东 青岛 266400； 2. 中原石油勘探局勘察设计研究院， 河南 濮阳 457000）

储气库地面脱水系统用能优化研究

李凤华1，刘德绪2，曹学文1，边 江1

（1. 中国石油大学（华东）， 山东 青岛 266400； 2. 中原石油勘探局勘察设计研究院， 河南 濮阳 457000）

通过几种脱水方法的比较确定适合大型储气库集注站脱水工艺——三甘醇脱水工艺，从系统的角度分析影响三甘醇脱水装置的能耗的主要参数，应用流程模拟软件 HYSYS对储气库的脱水流程进行工艺模拟。通过研究主要参数对脱水装置能耗影响情况，优化脱水装置主要工艺参数，达到节能降耗的目的，同时提出有效的节能优化措施。

三甘醇脱水；参数优化；工艺模拟；HYSYS 模拟软件；能耗；节能

目前常见的脱水方法有固体分子筛吸附法、丙烷制冷脱水、节流+丙烷低温分离法、三甘醇吸收法等。丙烷制冷工艺装置设备多且流程复杂，质量不稳定，运行费用高；节流+丙烷低温分离法，虽占地面积小，操作简单，但是只适用于高压且压力稳定的场所，对压力不高的节流降温不足，达不到水露点的要求，运行费用也较高；固体分子筛适用于小型场所。储气库天然气处理量一般较大，脱水深度要求不高，采气期天然气压力递减快、压力变化大，且后期压力低，而三甘醇吸收法运行平稳质量稳定，吸湿性高，露点降高，蒸气压低，气相携带损失小，装置投资及运行费用较低，进出装置的压降小，其设备投资、操作费用低，适应于储气库脱水系统。

1 三甘醇脱水工艺

原料气经过气液分离后进入 TEG 吸收塔下部，与塔上部进入的 TEG 贫液在塔内逆流接触，天然气中的大部分的饱和水被脱除[1]。脱水后的干气从塔顶排出，与进入吸收塔前的贫三甘醇通过换热器换热，然后换热后的天然气进入集气干线外输。TEG富液从吸收塔下部集液管排出，后经过滤器进入三甘醇再生塔，被吸收塔塔顶蒸汽经过加热后流进闪蒸罐，在闪蒸罐中闪蒸出部分烃气体回收；闪蒸后的三甘醇通过闪蒸罐底部流出，后进入贫富换热器，与从重沸器底部的缓冲罐流出的贫甘醇换热以后，流入三甘醇再生塔，在三甘醇再生塔中，分离出富甘醇中的水。重沸器中的贫甘醇在贫液汽提柱中由引入汽提柱下部的热干气对贫液进行汽提[2]；贫液从缓冲罐进入贫富液换热器，与富甘醇进行换热， 后进循环泵，由泵增压后进换热器与外输气换热后进入到吸收塔吸收天然气中的水。

储气库在运行过程中流量不稳定，脱水装置吸收塔选用泡罩塔盘以适应流量的波动，处理量弹性范围 80%～120%，三甘醇脱水流程见图 1。

2 三甘醇脱水系统 HYSYS 建模

针对 TEG 脱水系统，HYSYS 提供了 Glycol 物性包，该物性包是根据 TST（Twu-Sim-Tassone）状态方程建立的，其中包含了必要的纯组分和在天然气脱水过程中经常遇到的组分的二元交互系数，因此该物性包能够准确的模拟某些组分间，特别是TEG 与水的二元体系的相特性。

本文选用某储气库原料气气质为表1所示。

图1 三甘醇脱水流程示意图Fig.1TEG dehydrationprocess diagram

表1 某储气库采出气组成表Table 1Theproduced gas composition table of gas storage

本文选用储气库产品气规格为表2所示。

表2 某储气库产品气规格Table 2 Theproduced gas specification of a gas storage

图 2 为应用 HYSYS 建立的脱水系统能耗分析[3]。

图2 某储气库脱水系统能耗分析模型Fig.2 A gas storage dewatering system energy analysis model

3 脱水系统工艺参数分析

对于三甘醇脱水工艺，由于原料气的流量远大于甘醇溶液流量，所以吸收塔内的甘醇的吸收温度近似与原料气温度相等，原料气的温度和压力决定了其含水量及需要脱除的水量[5]。

（3）贫三甘醇进吸收塔的温度

进入塔顶的贫甘醇温度对气体的露点降有较大的影响，贫三甘醇进吸收塔的温度一般要比塔内气体温度高 3～8 ℃。如果贫三甘醇温度过低，会使气体中的部分重烃冷凝，促使溶液发泡[6]，如果贫三甘醇温度过高，甘醇气化损失和出塔干气的露点会增加。

（4）贫三甘醇进吸收塔的浓度

在给定了甘醇循环率和塔板数的情况下，贫甘醇的浓度越高，露点降就越大[7]。

3.2 再生塔参数

（1） 重沸器温度

再生贫三甘醇浓度与重沸器的温度和压力有关。重沸器的温度可控制水在贫甘醇中的浓度，温度越高，贫甘醇浓度也越大。三甘醇的热分解温度为 206.7 ℃，所以重沸器内温度不应超过 204 ℃[8]。

在汽提气气量 0.6 kmol/h 条件下，改变三甘醇再生塔重沸器温度，观察其对三甘醇浓度的影响。从图3可以看出，三甘醇质量分数随再生塔重沸器温度的升高而增大。

3.1 吸收塔参数

（1） 原料气流量

原料气流量直接影响三甘醇吸收塔脱除的水量[4]。

（2）原料气的温度和压力

图3 再生塔重沸器温度对贫三甘醇浓度的影响Fig.3 The effect of regeneration tower reboiler temperature on lean TEG concentration

（2） 汽提气

增大汽提气气量能够显著提高贫三甘醇浓度。

在三甘醇再生塔重沸器温度一定的条件下，改变汽提气气量，以考察其对三甘醇浓度的影响。从图4中可以看出，三甘醇质量分数随汽提气气量的增大而增大。

4 脱水系统能耗分析与优化

4.1 主要工艺参数与能耗的关系

储气库集注站脱水系统能耗为各主要设备能耗之和。脱水系统主要能耗设备见表3。

图4 汽提气量对贫三甘醇浓度的影响Fig.4 The effect of stripping gas to lean TEG concentration

表 3 脱水系统主要能耗设备Table 3 Main energy consuming equipment of the dewatering system

由天然气脱水工艺过程及其用能特点可知，天然气在脱除水过程中所消耗的能耗主要受能原料气气质情况、产品气的水露点要求、三甘醇溶液循环泵热效率、再生塔重沸器温度、TEG 浓度等[9]，而在原料气气质条件和干气质量标准一定的情况下，影响因素主要就是三甘醇再生塔温度和汽提气量。

4.1.1 三甘醇再生塔重沸器温度对脱水系统能耗的

影响

选定汽提气量为 0.6 kmol/h 并保证干气质量，通过改变三甘醇再生塔重沸器温度，观察其对脱水系统能耗的影响,见图 5、6、7。

图5 再生塔重沸器温度对脱水系统能耗的影响Fig.5 The effect of regeneration tower reboiler temperature on the energy consumption of the dewatering system

分析图5可知，汽提气量一定时，脱水系统的能耗随再生温度升高而线性增大。当三甘醇再生塔重沸器温度从 202 ℃升到 205 ℃时，脱水系统能耗从 619 kW 增加到 636 kW，即温度每升高 1℃，能耗增加大约 5 kW，其主要原因是随着加热温度升高，重沸器能耗呈线性增大（见图 6），而 TEG 循环泵的能耗基本没有变化（见图 7）。

图6 再生塔重沸器温度对 TEG 重沸器能耗的影响Fig.6 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG reboiler energy consumption

图7 再生塔重沸器温度对 TEG 循环泵能耗的影响Fig.7 The effect of regeneration tower reboiler temperature on TEG circulationpump energy consumption

4.1.2 汽提气量对脱水系统能耗的影响

选定三甘醇再生塔重沸器温度为 204 ℃并保证干气质量，通过改变汽提气量，观察其对脱水系统能耗的影响，见图 8、9、10。

图8 汽提气气量对脱水系统能耗的影响Fig.8 The effect of stripping gas on the energy consumption of the dewatering system

分析图 8 得，当汽提气量从 0.5 kmol/h 提高到1.2 kmol/h 时，脱水系统的能耗从 632 kW 降低到 619 kW。汽提气量的增加有助于降低重沸器的热负荷（见图 9），但是对循环泵的影响不大，因而使得脱水系统总能耗降低。

图9 汽提气气量对脱水系统重沸器能耗的影响Fig.9 The effect of stripping gas on TEG reboiler energy consumption

图10 汽提气气量对脱水系统TEG循环泵能耗的影响Fig.10 The effect of stripping gas on TEG circulationpump energy consumption

4.2 三甘醇脱水系统理论能耗

根据天然气脱水单元工艺流程及用能特点可知，影响天然气脱水单元能耗的因素主要包括原料气气质条件、产品气水露点指标、TEG 溶液循环泵效率、再生塔重沸器、TEG 溶液浓度等。通过现场考察研究及对考察资料的分析发现，脱水系统的能耗主要包括溶液循环泵的耗电、TEG 再生塔的高压蒸汽消耗以及循环冷却水的消耗。利用模拟软件HYSYS 建立脱水模块能耗分析模型（见图 2），产品气合格后输出与之相关的理论能耗值，其中输出的理论能耗数据包括再生器重沸器热负荷、贫富液换热后贫液水冷所带走的热量、三甘醇循环泵耗能，然而这些值均为理论能耗输出值，还需进一步计算出理论的能耗值。

确定得出理论能耗值，必须首先明确计算理论能耗的基准条件，根据三甘醇脱水装置的工艺特点，确定的计算基准条件如下：

a.净化气的气质要求

依据国家对管输天然气气质要求标准，净化气水露点在天然气交接点的压力和温度条件下，比最低环境温度还要低 5 ℃[10]。

b.三甘醇再生重沸器温度

通常情况下，三甘醇重沸器的温度限制为 204℃。主要原因在于当温度高于 205 ℃时，三甘醇容易发生分解，且分解速率随温度上升明显增加。

c.再生贫液的入吸收塔温度

再生贫液的吸收温度一般为 10～54 ℃，但是最好控制在 27～38 ℃。吸收温度低于 21℃时，三甘醇粘度过大，起泡增多，损失增加[11]；吸收温度高于 43 ℃时，甘醇溶液的脱水能力也会下降。

d.回收热量损失

回收贫富液换热的贫液热量时，保温设备和换热效率较高的情况下热量损失不大。依据经验及相关文献，取回收热量损失为5%。

e.装置处理量

以装置实际处理量为准。

f.基准原料气气质

基准原料气气质以出储气库采出气分析结果为准。

根据建立的脱水系统能耗分析模型的输出结果，结合各种因素，得出脱水装置的理论能耗计算值。

（1）高压蒸汽用量

由模拟所得的再生塔底重沸器热负荷 QRegn以及高压蒸汽冷凝潜热 HR[12]，可求得再生塔高压蒸汽用量为：

（2）汽提气（燃料气）用量

由在基准条件下由能耗分析模型直接输出值。

（3）贫液冷却水用量

根据冷却水所需冷却的负荷，可求出用量。

式中：Qcoll为冷却所需负荷，kJ/h；Cp,w为用于冷却的循环水的比热容，4.1868 kJ/(kg˙℃)；m 为循水的流量，kg/h；ΔT 为循环水温升，℃。

（4）循环泵的能耗

根据 GB/T 13007-2011《离心泵效率》规定，离心泵效率在 0.9 为优秀。本文能耗计算所用循环泵泵效率 η 取 0.9，则计算得泵的实际能耗为

（5）总能耗

4.3 脱水系统主要参数优化结果(表 4)

表 4 脱水系统能耗优化前后参数对比Table 4 Dewatering system energy optimizationparameters before and after contrast

根据在确定的基准条件数据下脱水能耗分析模型给出的理论能耗输出值，便可求得理论能耗量，见图 11。

图11 脱水前后能耗优化结果Fig.11Optimization of energy consumption before and after dehydration result

5 结 论

通过对几种脱水工艺进行比对，选出适应于储气库的脱水工艺，即三甘醇脱水工艺。利用 HYSYS模拟软件对三甘醇脱水系统能耗分析模型，通过对脱水系统的工艺参数进行分析，得出主要影响因素为三甘醇再生塔温度和汽提气量，主要能耗设备为再生塔重沸器和三甘醇循环泵。优化主要影响因素，与通过计算得出的理论能耗进行比对，可知，优化参数后的脱水系统的能耗明显减少，达到节能的目的。

同时，对储气库三甘醇脱水工艺提出优化措施：

（1）增大脱水装置汽提气用量，减少 TEG 循环量，再生塔重沸器的温度适当降低，通过这些操作，减少再生器消耗的热量。

（2）在三甘醇你脱水工艺中，若是汽提气的用量比较大的情况，应考虑把含有水的汽提气回收待利用。

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Energy Optimization of Ground Dewatering System for Gas Storages

LI Feng-hua1, LIU De-xu2, CAO Xue-wen1, BIAN Jiang1
（1. China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266400，China；2. Sinopec Zhongyuanpetroleum Exploration Bureau Survey and Design Institute, Henanpuyang 457000，China）

A suitable dehydrationprocess-the TEG dehydrationprocess for large gas storage was selected by comparison of several dehydration methods. The main energy consumptionparameters of TEG dehydration device were analyzed from a systemperspective, and the dehydrationprocess was simulated by usingprocess simulation software HYSYS. Theprocessparameters were optimized through studying the influence of the mainparameters on the energy consumption of the dehydration device to achieve thepurpose of saving energy and reducing consumption. At the same time, effective measures to optimize energy efficiency wereput forward.

TEG dehydration;parameter optimization;process simulation; HYSYS simulation software; Energy consumption; Energy conservation

TQ 644

： A

：1671-0460（2017）02-0311-05

2016-09-14

李凤华（1992-），女，山东省青岛市人，硕士研究生，就读于中国石油大学（华东）石油与天然气工程专业，研究方向：石油与天然气工程。E-mail：cjwl157@163.com。