能源产业所带来的碳排放问题已引起各国政府的关注[1]，碳减排承诺已成为能源生产与消费的实质性约束[2]。自中国海油正式启动碳排放影响评估工作以来，对碳排放的要求也日益严格，力争单位产量碳排放强度控制在0.150 9吨CO2/吨油以下。减碳成为目前企业迫切需要实现的目标，需从各生产环节严格控制碳排放。在海上油气处理工艺中，三甘醇脱水系统生产能耗较大[3-4]，且连续排放废气，对海上平台油气处理工艺的碳排放量影响较大，有必要对三甘醇脱水系统的碳排放影响参数进行研究，以达到减少碳排放的目的。
传统优化方法难以解决三甘醇脱水系统非凸非线性、多峰的问题[5]，需采用智能优化算法。结合遗传算法(genetic algorithm，以下简称GA)并行性和全局搜索的特性，能有效适配三甘醇脱水系统碳排放计算模型[6-7]。利用现场在线测量数据，HYSYS软件能建立严格的三甘醇脱水模型。为在HYSYS模型中引入遗传算法，必须基于程序间数据通信接口控件(ActiveX)，实现HYSYS三甘醇计算模型与Matlab遗传算法优化程序之间的双向绑定。其中，由遗传算法优化决策变量，优化的决策变量传递到HYSYS中计算碳排放总量，根据碳排放总量结果的遗传算法再进一步优化，直至系统的碳排放总量达到最小值。
随着燃气发电装置的逐步退出，海上油气田生产的天然气只能增压外输或者高压回注，为避免生成气体水合物，需对湿气进行脱水处理，降低水露点。现有的脱水方法主要包括冷冻分离、三甘醇(TEG)吸收、分子筛吸附等[8]。三甘醇脱水法因具有性能稳定、投资及操作费用低、占地面积小等优点[9-10]，被广泛应用于天然气处理工艺。
某海上平台脱水系统采用三甘醇脱水工艺，工艺流程如图 1所示，该工艺包括脱水单元和再生单元。在脱水单元，贫TEG作为吸收溶液，与湿气在吸收塔中逆流接触，从而将天然气水露点降低至-15 ℃以下；在再生单元，富TEG经再沸、汽提、精馏后提纯为98%~99.7%(w)的贫TEG。天然气实际产量(20 ℃，101.325 kPa下)为100×104 m3/d，湿气组成如表 1所列。
HYSYS软件具有严格的物性计算包，具有可对任意塔计算、非序贯模拟技术等优点[11]。基于天然气脱水工艺流程，利用HYSYS软件建立工艺模型。图 2为脱水工艺模型，该模型中的湿气入口温度、压力、TEG循环量、重沸器温度、再生塔入口处富TEG温度、汽提量均为可调变量。
基于现场实际运行在线测量数据验证三甘醇脱水模型的可信度。对比现场数据与模拟结果(表 2)，当HYSYS模拟流程收敛后，水露点的模拟误差为-1%，再沸器功率的模拟误差为0.8%，模拟结果基本符合运行结果。
三甘醇脱水系统的CO2排放来自系统中闪蒸气的燃烧和耗电量折算。由于该平台TEG重沸器采用电加热的方式，故闪蒸分离器分出的气相不再作为重沸器燃料，而是直接放空。除此以外，再生塔、缓冲罐产生的闪蒸气也直接输送至火炬头燃烧放空，燃烧效率取98%。重沸器、TEG循环泵是三甘醇脱水系统中的主要能耗设备，其中，供电碳排放因子取0.776 9 t CO2/MW·h[12]。三甘醇脱水系统总CO2排放量计算表达式见式(1)。
式中：G为总CO2排放量，kg/h；GBOG为闪蒸气燃烧后的CO2排放量，kg/h；k为供电碳排放因子，t/(MW·h)；Preboiler、Ppump分别为重沸器和循环泵功率，kW。
为分析各变量对三甘醇系统总碳排放的影响，基于控制变量法，利用HYSYS CASE STUDY对水露点及碳排放进行敏感性分析。控制参数基础数据见表 3。
吸收塔入口温度不宜高于48 ℃，且不应低于水合物生成温度[13]，该平台上湿气的水合物生成温度为19 ℃。由于平台采用海水作为天然气冷却介质，受限于水工艺系统相关参数和海水温度，天然气最低冷却温度为30 ℃。因此，平台湿气入口温度变化区间为30~48 ℃。等间隔选取6组工况，对三甘醇脱水系统碳排放量进行敏感性分析。
分析结果如图 3所示，三甘醇脱水系统的碳排放主要来自重沸器和闪蒸气，重沸器占比70%以上，闪蒸气占比30%以下，TEG循环泵占比低于2%。碳排放总量对湿气入口温度变化不敏感，平均变化率低于0.1 kg/(h·℃)。湿气入口温度对干气露点影响较大(图 4)，随着湿气入口温度的增加，吸收塔的脱水效果明显降低。
三甘醇脱水系统中的TEG循环量取决于每吸收湿气中1 kg水所需的TEG量。虽然干气平衡露点取决于贫液质量分数，但在实际操作中，吸收塔内气液相很难达到完全平衡状态。而TEG循环量能影响气液相接近平衡状态的程度，换言之，增加TEG循环量就能使干气实际露点更接近平衡露点。按照GPSA推荐，TEG的经济循环量为15~40 L/(kg H2O)[14]。
TEG循环量对三甘醇脱水系统碳排放量的影响见图 5。由图 5可知，随着TEG循环量的逐渐增加，系统内重沸器能耗、闪蒸气量及碳排放总量均呈线性增长的趋势。同时，随着TEG循环量的增加，干气水露点逐渐降低(图 6)，脱水效果逐渐提升。当TEG循环量超过35 L/kg时，露点降基本不随TEG循环量的增加而变化，表明干气实际水露点接近平衡水露点。
TEG吸收塔压力在3.4~8.3 MPa时，整体经济性较好[15]。该吸收塔设计压力为7.2 MPa，安全阀定压为7.1 MPa。在模拟过程中，吸收塔最高压力不应超过7.1 MPa。
随着湿气入口压力的增加，系统总碳排放量略微增加，其中，闪蒸气燃烧对应的碳排放增量在总增量中占主导地位(图 7)；干气水露点的变化趋势与碳排放总量的变化趋势相反，湿气入口压力越大，TEG吸收塔的脱水效果越好，干气水露点越低(图 8)。这是由于湿气入口压力增加导致气相中重烃及水含量减少，更多地溶解在TEG溶液中。
重沸器是TEG再生单元的核心装置，重沸器温度越高，贫液中TEG质量分数越高，但重沸器温度不能高于TEG分解变质温度(三甘醇的理论分解温度是207 ℃，通常最高温度控制在204 ℃)，海上平台重沸器温度一般控制在170~204 ℃[16-18]。重沸器温度与功率存在函数关系，重沸器温度增加会导致重沸器碳排放量急剧增加，重沸器温度变化对TEG泵功率及闪蒸气排放量的影响可忽略不计(图 9)。重沸器温度越高，湿气的脱水深度越高，干气水露点越低(图 10)。
富液进塔温度应控制在95~149 ℃[15]。富液进塔温度越高，重沸器将富液加热到指定温度所需功率就越低，从而导致系统的碳排放量降低(图 11)。富液进塔温度与重沸器的功率、贫/富TEG换热器的换热效率以及温控系统的设定值有关，换言之，富液进塔温度取决于系统热量回收的能力。故提高系统热量回收能力是降低系统碳排放量的有力措施[19]。
TEG再生系统无汽提操作时，贫甘醇质量分数最大可达到98.75%；增加汽提操作后，贫甘醇质量分数最大可达到99.96%[20]。汽提气通常会采用氮气或燃料气，该平台采用氮气，氮气从汽提塔塔底进入，与甘醇逆流接触，汽提前TEG质量分数为97.6%，汽提后TEG质量分数达到98.9%，通过汽提能有效提高TEG贫液质量分数。
参考SY/T 0076-2008《天然气脱水设计规范》及《油气集输与矿场加工》，每1 L TEG所需的汽提气量约为0.01~0.04 m3。图 12、图 13分别为汽提气量对碳排放量和干气水露点的影响。从图 12、图 13可以看出，随着汽提气量的增加，三甘醇脱水系统碳排放总量略微增加，干气水露点基本呈线性降低。
经上述分析，TEG循环量、重沸器温度、富液进塔温度、湿气入口温度对系统碳排放总量和干气水露点的影响最大[21]。由于各参数变化需满足相平衡及能量平衡条件，所以各参数之间不是独立关系，而是高度非线性关系。需采用遗传算法进行三甘醇脱水系统碳排放总量的最优化计算。
遗传算法(GA)是一类借鉴生物界优胜劣汰遗传机制演化而来的随机化搜索方法，其采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，具有较好的全局寻优能力[22-25]。三甘醇脱水系统的优化流程如图 14所示。
具体如下：
(1) 初始化种群，通过Matlab在决策变量的搜索域内随机生成N组数据，形成种群个体数量为N的种群。
(2) HYSYS批运算，利用ActiveX控件将种群内个体逐一传递到HYSYS的SPREADSHEET中进行模拟计算(图 15)，碳排放量及水露点模拟结果(图 16)再通过ActiveX控件返回给Matlab。
(3) 判断干气水露点是否满足条件，以及换热器是否出现温度交叉的逻辑错误。若不满足条件或出现错误，则给予较大的惩罚值。
(4) 适应度函数值计算，适应度函数是遗传算法区别于传统优化算法的内容之一，其并不需要目标函数的导数信息，而是通过适应度函数来评价目标函数，从而度量种群中个体优劣的无量纲指标，具有良好的适应性。
(5) 遗传优化，根据“优胜劣汰”的进化机制，按概率选择适应度较好的个体，采用轮盘赌法作为随机选择算法；将选择出来的个体进行交叉、变异操作，从而繁衍出下一代种群，本研究中交叉因子为0.7，变异因子为0.1。
(6) 持续“进化”，将繁衍出来的种群继续代入HYSYS中进行计算，重复步骤(1)~(5)，直至满足终止条件，并输出适应度最优的个体作为最终结果。
图 17为不同种群规模的优化过程，其中，种群规模分别为50、100，终止遗传代数为150。随着迭代次数的增加，每一代种群的最优适应度会呈现逐渐下降的趋势，表明计算结果正在趋于收敛。遗传算法中的种群个数对收敛速度有明显影响，当种群规模为100时，只需迭代到78代，而当种群规模为50时，则需要迭代到140代。由于遗传算法的随机性及决策变量操作空间的非凸非线性，不同种群规模的计算结果存在一定的差异[26]，这里取平均值作为最终优化结果。
表 4为各决策变量及水露点指标和系统碳排放量优化前后的对比情况，在优化过程中，TEG循环量降幅最大，高达40%，重沸器温度降幅为7.7%。优化前TEG脱水系统的碳排放量为83.84 kg/h，而优化后系统的碳排放量降至53.98 kg/h，降幅达到35.6%，优化效果较为明显。
(1) 三甘醇脱水系统的碳排放主要来自重沸器和闪蒸气，重沸器占比70%以上，闪蒸气占比30%以下，TEG循环泵占比低于2%。
(2) TEG循环量、重沸器温度、富液进塔温度对三甘醇脱水系统的碳排放总量影响较大，湿气入口压力对碳排放总量影响较小，湿气入口温度、汽提气量基本不影响碳排放总量。
(3) 在露点降方面，湿气入口温度降低、TEG循环量增加、湿气入口压力增加、重沸器温度提高、汽提气量增加等操作均能有效提高TEG脱水深度。
(4) 在遗传算法优化过程中，TEG循环量降幅最大，高达40%，重沸器温度降幅为7.7%。优化前TEG脱水系统的碳排放量为83.84 kg/h，而优化后系统的碳排放量降至53.98 kg/h，降幅达到35.6%，优化效果较为明显。
2023, Vol. 52 Issue (2): 16-22 2023, Vol. 52 Issue (2): 16-22