天然气中的饱和水不仅会增加输气过程中的动力消耗[1-2]，还会在一定的温度和压力下形成水合物，严重时会造成输气管道堵塞，影响天然气的集输和处理。目前，常用的天然气脱水工艺包括：三甘醇脱水法、分子筛吸附法和低温冷凝法。其中，三甘醇脱水法应用最为广泛[3-9]，但在实际运行过程中，普遍存在能耗偏高的问题，通过优化工艺参数可有效解决以上问题，同时也可以推动国内各大油气田的提质增效工作。
针对三甘醇脱水工艺参数优化的问题，已经开展了许多探索性工作[10-13]，如李天斌[11]采用单因素分析法对某海洋气田中心平台的三甘醇脱水装置进行优化，优化后的工艺参数与现场实际运行参数基本吻合，表明HYSYS软件模拟结果可用于指导现场生产。颜筱函等[12]采用粒子群算法优化三甘醇脱水工艺参数，但未考虑汽提气流量对露点降的影响。蒋洪等[13]以能耗为目标值，采用正交试验法优化工艺参数，优化后，重沸器和循环泵能耗分别降低了30%和7%。结合上述研究成果，其优化方法存在计算量大、关键影响因素缺失、未考虑参数间交互作用对目标值的影响等问题，降低了优化结果的准确性。
而响应曲面法通过建立二次回归优化模型，不仅可以量化关键参数对目标值的显著性，还可以得出工艺参数间交互作用对目标值的影响程度，以下利用响应面法分别将干气水露点和运行费用作为目标值进行多目标优化，并找出最佳运行参数，以指导现场三甘醇脱水工艺操作和参数设定。
利用HYSYS软件对某油田处理站典型三甘醇脱水工艺进行模拟，气液平衡模型选用Peng-Robinson方程，脱水后干气水露点≤-15 ℃，原料气组成见表 1，流程模拟基础工况参数见表 2，工艺流程图见图 1。流程的主要能耗由循环泵功率、汽提气加热器功率和TEG再生塔重沸器热负荷组成，总能耗及运行费用计算公式见式1。
式中：E运行费用为工艺运行成本，元/h；K循环泵为循环泵功率，kW；Q汽提气加热器为汽提气加热器功率，kW；QTEG再生塔重沸器为TEG再生塔重沸器热负荷，kW；0.55为电价格，元/(kW·h)；1.27为天然气价格，元/m3；M1为汽提气体积流量，m3/h。
典型三甘醇脱水工艺由三甘醇贫液吸收和三甘醇富液再生两部分组成，湿气先进入过滤式分离器，脱除气体中夹带的固体杂质、游离水等物质，再从吸收塔底部进入，与塔顶贫三甘醇溶液逆流接触，从而脱除水分，出吸收塔顶部的干气经干气/TEG贫液换热器换热升温后外输。吸收塔底部排出的高压三甘醇富液先节流调压，再与再生塔顶部换热升温后进入闪蒸罐，闪蒸出的天然气去火炬，闪蒸后的三甘醇富液经过滤器系统除去固体、烃等杂质。最后经TEG贫/富液换热器换热升温后，从再生塔中部进料，再生后的TEG贫液经TEG贫/富液换热器和TEG后冷器降温，再由TEG循环泵加压后经干气/TEG贫液换热器降温，进入吸收塔顶部，实现了三甘醇的循环利用。
以表 1、表 2中处理站的实际数据为基础，采用单因素分析法研究三甘醇脱水工艺各参数对干气水露点和运行费用的影响(见图 2)，并确定影响干气水露点和运行费用的关键参数及取值范围，为后续响应面优化打好基础。
由图 2可以看出：
(1) 随着吸收塔塔板数的增加，干气水露点呈现先降低后平稳的趋势，因为三甘醇贫液与湿气的接触时间随着吸收塔塔板数的增加而增加，进而提高了脱水效果，但过多的塔板数会使得气液两相的吸收提前达到平衡状态，导致干气水露点趋于稳定。随着三甘醇富液进塔高度的增加，能耗增幅很小，运行费用的增加可忽略不计，但会增加投资成本。
(2) 随着三甘醇贫液进塔温度的增加，干气水露点增加，但增长率很低，且水露点降仅为-0.78 ℃，由于贫液循环量很小，相对于原料气而言带入热量少，吸收温度略有增加。而吸收塔操作温度升高不利于物理吸收，导致干气水露点略增加。随着三甘醇贫液进塔温度的增加，使得富液进塔温度略微增加，进而重沸器热负荷有所降低，使得运行费用略微降低。
(3) 随着三甘醇富液进塔温度的增加，干气水露点略微降低，水露点降为0.49 ℃，这是因为随着富液进塔温度的增加，会提高三甘醇再生效果和贫液中三甘醇质量分数，导致干气水露点略降低。随着三甘醇富液进塔温度的增加，重沸器热负荷大幅降低，而重沸器热负荷占总能耗的95%左右，使得运行费用降低了20.7%。
(4) 随着重沸器温度的增加，干气水露点大幅降低，水露点降为11.9 ℃。这是因为随着重沸器温度的增加，会提高再生塔整体温度、三甘醇再生效果和贫液三甘醇质量分数，导致干气水露点降低。随着重沸器温度的增加，重沸器热负荷大幅增加，使得运行费用增加了41.7%。
(5) 随着汽提气体积流量的增加，干气水露点大幅降低，水露点降为13.5 ℃。这是因为随着汽提气体积流量的增加，再生塔内三甘醇溶液表面的水蒸气分压降低，根据气液平衡原理，带走了大量水蒸气，提高了贫液中三甘醇质量分数，降低了干气水露点。随着汽提气体积流量的增加，导致耗气量增加，使得运行费用提高了39.5%。
(6) 随着三甘醇循环量的增加，干气水露点先迅速降低，再趋于稳定，最后略微上升。这是因为随着三甘醇循环量的增加，湿气中大量水分被带走，干气水露点迅速降低，脱水效果显著增强。但三甘醇循环量过高，在重沸器热负荷不变的情况下，影响了再生塔的再生效果，使得贫液中三甘醇质量分数由99.85%降至98.92%，进而导致脱水效果降低。为保证贫液再生质量，随着三甘醇循环量的增加，重沸器热负荷增加了265.1%，而重沸器热负荷占总能耗的95%左右，使得运行费用大幅增加。
以基础工况为标准，采用灵敏度分析法，以各变量在各自变化范围内的变化百分比为横坐标，干气水露点和运行费用的变化百分比为纵坐标，进行关键变量筛选，灵敏度分析汇总见图 3。
通过灵敏度分析发现，富液进塔温度、重沸器温度、TEG贫液循环量、汽提气体积流量是影响干气水露点和运行费用的关键工艺参数，各工艺参数的最优取值范围分别为115~145 ℃、198~210 ℃、2~6 m3/h、14.4~43.2 m3/h，将上述工艺参数的最优取值区间作为响应面分析各因素的取值范围。
通过灵敏度分析法确定对干气水露点(Y1)及运行费用(Y2)影响较大的4个参数，分别为富液进塔温度(X1)、重沸器温度(X2)、TEG贫液循环量(X3)、汽提气体积流量(X4)。设计因素的水平分布见表 3。
采用Box-Behnken法安排4因素3水平的实验方案[14-16]，由于HYSYS模拟计算无需进行实验失拟分析，故除去4组重复基准实验，总共25组实验。通过HYSYS软件模拟数据和Design Expert软件分析优化，实验数据及结果分别见表 4~表 6。
通过分析拟合的二次回归方程中各因素变量系数，可量化其与响应值之间的线性关系，系数为正，表明响应值随因素的增加而线性增加，同时，系数绝对值越大，表明对响应值的影响程度越高，反之亦然。
式(2)和式(3)分别为干气水露点和运行费用的二次回归方程。由式(2)和式(3)可以看出，X4和X1X4对干气水露点的负向影响最大，X3和X2X3对运行费用的正向影响最大。
利用方差分析(ANOVA)法来检验拟合的干气水露点和运行费用回归方程的显著性和普遍适用性。由表 4和表 5可知：两模型P值均 < 0.05，表明两模型极其显著且可靠。再依据F值大小发现X4和X3分别对干气水露点、运行费用的影响程度最大，与按照回归方程系数绝对值排列的顺序一致，表明模型可靠性很高。
两模型判定系数分别为R干气水露点2=98.87%、R运行费用2=99.91%，表明两模型响应值中超过98.87%、99.91%的数据变化可通过工艺参数解释。矫正判定系数分别为RAdj干气水露点2=97.29%、RAdj运行费用2=99.78%，与判定系数数值相近，表明该拟合的模型可以准确地预测响应值。两模型信噪比Adequacy Precision值分别为29.19和98.4，且均大于4，表明两种模型可以很好地解释基于响应面设计的空间变化。
图 4为干气水露点和运行费用模型预测值与实际值对比。由图 4可知，模型预测值与模拟值几乎在Y=X直线上，两值贴合度很高。综上所述，干气水露点和运行费用二次回归模型可用于响应面分析和优化。
式中：Y1为干气水露点，℃；Y2为运行费用，元/h；X1为富液进塔温度，℃；X2为重沸器温度，℃；X3为TEG贫液循环量，m3/h；X4为汽提气体积流量，m3/h。
采用Design Expert软件绘制X1、X2、X3、X4与Y1、Y2的12组三维响应曲面图，通过分析响应曲面来量化工艺参数之间的交互作用对干气水露点及运行费用的影响程度，选取工艺参数对干气水露点和运行费用影响显著的响应曲面进行分析讨论。
图 5是富液进塔温度和汽提气体积流量对干气水露点交互影响的响应曲面图及等高线图。由图 5可知：①当富液进塔温度较高时，随着汽提气体积流量的增加，曲面坡度比较陡峭，表明富液进塔温度越高，汽提气体积流量对干气水露点的灵敏度越高，与方差分析中F(X4)＞F(X1)结论一致；②等高线不是封闭曲线，说明X1X4对Y1产生高次影响。
图 6~图 8为各参数对运行费用交互影响的响应曲面图和等高线图。由图 6~图 8可知：①当富液进塔温度较低时，随着TEG贫液循环量的增加，曲面坡度特别陡峭，表明富液进塔温度越低，TEG贫液循环量对运行费用的灵敏度越高，与方差分析中F(X3)＞F(X1)的结论一致；②当汽提气体积流量较低时，随着富液进塔温度的增加，曲面坡度比较陡峭，表明汽提气体积流量越低，富液进塔温度对运行费用的灵敏度越高，与方差分析中F(X1)＞F(X4)的结论一致；③当重沸器温度较高时，随着TEG贫液循环量的增加，曲面坡度特别陡峭，表明富液进塔温度越高，TEG贫液循环量对运行费用的灵敏度越高，与方差分析中F(X3)＞F(X2)的结论一致；④3个等高线图均不是封闭曲线，表明X1X3、X1X4、X2X3对Y2产生高次影响。
基于上述关键工艺参数交互作用的分析结果，给定工艺参数和响应值的取值范围，并将干气水露点及运行费用的目标均设为最小值，优化的约束条件见表 7，经Design expert软件进行优化，得出预测的最佳工艺参数及响应值，见表 8。
采用HYSYS软件在此工况条件下进行模拟验证，得到干气水露点为-15.92 ℃、运行费用为130.5元/h，模拟值与模型预测值十分接近，表明两个响应面模型的拟合程度高，能够较好地预测三甘醇脱水过程中干气水露点及运行费用的具体变化情况。通过对比优化前后的工艺参数，可见干气水露点提高了1.41 ℃，但仍满足≤-15 ℃的外输要求，年度运行费用可降低69.33万元/年，产生的经济效益较为显著。
(1) 利用灵敏度分析法确定对干气水露点(Y1)以及运行费用(Y2)影响较大的4个工艺参数及最佳取值范围，分别为富液进塔温度(X1)、重沸器温度(X2)、TEG贫液循环量(X3)、汽提气体积流量(X4)。基于两个拟合模型方差分析和三维响应曲面图分析，发现工艺参数对Y1和Y2的影响程度顺序分别为X4 > X2 > X3 > X1、X3 > X1 > X4 > X2。其中，X1X4的交互作用对Y1的影响显著，X1X3、X2X3、X1X4的交互作用对Y2的影响显著。
(2) 通过响应面优化得到最佳工艺参数：富液进塔温度为144.28 ℃、重沸器温度为205.42 ℃、TEG贫液循环量为4 m3/h、汽提气体积流量为24.96 m3/h，在干气水露点满足外输要求和天然气处理量为300×104 m3/d的条件下，运行费用可降低69.33万元/年。建议控制富液进塔温度为135~145 ℃、重沸器温度为202~206 ℃、TEG贫液循环量为3~4 m3/h、汽提气体积流量为23~29 m3/h。响应面法可用于指导现场运行参数的优化，进而全力推动提质增效工作的进行。
2023, Vol. 52 Issue (3): 16-23 2023, Vol. 52 Issue (3): 16-23