天然气三甘醇脱水工艺仿真实验设计

王兆凤，吕连杰

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

仿真技术是以计算机和各种设备为工具，在相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关技术的基础上，建立并利用模型对相关系统进行实验研究的一项综合技术[1]。当前，为了进一步降低天然气处理的生产运营成本、提高安全运行水平，国内外油气企业纷纷采用仿真模拟技术优化天然气处理厂的设计、运行。

本文将天然气处理厂设计运行中重要工艺技术[2]——三甘醇脱水工艺，引进到实验教学过程中，为学员提供一个了解工程实际、应用所学专业知识的平台，此工艺仿真实验的开展不仅能够创新软件实训教学方法，而且对提高学员的专业素养

和技术能力有很大帮助[3]。

1 三甘醇脱水工艺流程

三甘醇脱水工艺流程[4-6]是，含水天然气自吸收塔底部进入，与来自塔顶的三甘醇贫液进行逆流吸收，脱除水分，脱水后的天然气自吸收塔塔顶排出，吸收后的三甘醇富液自吸收塔塔底排出，经冷凝器升温后进入闪蒸罐蒸出烃类气体，再经过滤器滤掉部分杂质后经过贫/富液换热器再次升温后通过缓冲罐，再进入再生塔内完成解吸；解吸后的三甘醇贫液经贫/富液换热器冷却后，通过甘醇泵输送至吸收塔顶部循环使用[7]。如图1所示。

图1 三甘醇脱水工艺流程图

2 实验方案

2.1 实验内容

(1)稳态模拟。对井口来气压力11.2 MPa、处理气量2.124×104m3/d的稳定工况进行稳态模拟的模型建立和调试。

(2)正常工况下的动态模拟。以稳态模拟为基础，建立相同工况下的动态模拟模型，并进行优化调试。

(3)气源变化工况下的动态模拟。在正常工况下动态模拟的基础上，将井口来气压力由11.2 MPa逐渐降低至6 MPa，来气温度、流量均不变，优化、调试新的动态模型。

(4)误操作工况下的动态模拟。在正常工况下动态模拟的基础上，将三甘醇吸收塔甘醇出口阀门开度由100%变为20%，造成吸收塔液位波动，其他条件均不变，优化、调试新的动态模型。

(5)仿真结果的分析。以模拟得到的数据为基础，对三甘醇脱水工艺的适用性进行分析。

2.2 实验步骤

2.2.1 建立稳态模型

根据现场运行参数的部分数据，建立三甘醇脱水的稳态模型，如图2所示。

图2 稳态模拟工艺流程图

模型各部分功能和建立过程描述如下。

2.2.1.1 气体脱水流程

①从井口来的湿天然气进入原料气过滤器中过滤分离掉5 μm以上的固体及液体杂质后，由物流7进入三甘醇吸收塔下部，湿天然气在三甘醇吸收塔的上升过程中，与从塔上部下来的贫三甘醇充分接触，气液传质交换，脱除掉天然气中的水分后，再经塔顶除沫器除去大于5 μm的甘醇液滴后，干天然气由塔顶部出塔。

②自三甘醇吸收塔脱水后的干天然气进入到气体—贫甘醇换热器与贫甘醇换热，换热后干天然气进入产品气分离器中分离掉天然气中携带的三甘醇后，干天然气经调节阀调节控制吸收塔运行压力，进入集配气总站。

2.2.1.2 三甘醇循环再生流程

①贫三甘醇由塔上部进入吸收塔，由上而下经过填料塔盘，吸收天然气中的水分。吸收水分后的三甘醇富液在泵送下，在换热器中被塔顶蒸汽加热至40～60℃后进入三甘醇富液闪蒸罐闪蒸分离出溶解在甘醇中的烃气体，加热器保证三甘醇富液的温度符合要求。

②甘醇由闪蒸罐下部流出，依次进入预过滤分离器、活性炭过滤器及后过滤器，过滤掉富甘醇中5 μm以上的固体杂质、部分重烃及三甘醇再生时的降解物质。

③经过滤后富甘醇进入三甘醇贫-富液换热器，与由再生重沸器下部三甘醇缓冲罐流出的热贫甘醇换热升温至130～160℃后进入三甘醇再生塔。

④在三甘醇再生塔中，通过提馏段、精馏段、塔顶回流及塔底重沸的综合作用，使富甘醇中的水分及很小部分烃类分离出塔。塔底重沸温度为198～203℃，三甘醇重量百分比浓度为98.8～99.2%。

⑤重沸器中的贫甘醇经贫液汽提柱，溢流至重沸器下部三甘醇缓冲罐，在贫液汽提柱中可由引入汽提柱下部的热干气对贫液进行汽提[8]，经过汽提后的贫甘醇重量百分比浓度可达99.8%。

⑥贫液12在换热器中通过换热盘管与富甘醇换热，温度降至160℃左右出换热器，进入三甘醇贫-富液换热器，温度降至80℃以下经柱塞泵增压后，进吸收塔吸收天然气中的水分。

2.2.2 正常工况下的动态模型

在得到稳态模型各设备、环节的运行参数后，建立各设备的动态模型。之后逐渐增加调节阀、安全阀、切断阀模型，最后增加控制逻辑，并记录各个设备的动态运行数据，运行时间设置为1 h，建立得到的三甘醇脱水的动态模型，并进行数据计算，如图3所示。

图3 正常工况下的部分运行数据

由图3可见，在正常工况下，各个设备的各项参数都能够保持稳定状态。

2.2.3 气源变化工况下的动态仿真模型

在正常工况下动态模拟模型的基础上，将井口来气压力在20～40 min之间，由11.2 MPa逐渐降低至6 MPa，其他均不变。各个设备的动态运行数据记录在覆盖记录在电子表格中。

由图4可见，在气源变化工况降压期间，各个设备的温度、压力和体积流量近似处于线性变化，之后保持稳定状态；外输天然气的水露点在小范围内变化剧烈，但基本保持稳定；再沸器温度变化显著，塔顶温度基本保持不变。

图4 气源变化工况下的部分运行数据

2.2.4 误操作工况下的动态仿真模型调试

在正常工况下动态模拟模型(图3)的基础上，将三甘醇吸收塔甘醇出口阀门开度由100%变为20%，其他均不变。各个设备的动态运行数据记录在覆盖记录在电子表格中。

由图5可见，在误操作工况下下，阀门开度的变化对吸收塔V-200-I之前的设备影响较小，吸收塔塔底液位和出口温度有显著上升；外输天然气的温度和水露点有明显的上升，之后保持稳定；富液压力在小范围内有上升，流量有明显下降；再沸器R-100-I温度有明显的上升，再生塔ST-100-I塔顶温度基本稳定。

图5 误操作工况下的部分运行数据

3 结语

本文设计了具体的三甘醇脱水工艺仿真实验。通过该实验，为学员提供一个了解工程实际、应用所学专业知识的平台，加强和培养了本科学员的科研能力、创新能力和专业知识掌握能力，丰富了油气储运工程专业软件应用实践课程教学内容，提高了教学效果。此工艺仿真实验的开展不仅能够创新软件实训教学方法，而且对提高学员的专业素养和技术能力有很大帮助。