王博弘，吳夢(mèng)雨，易繼榮，馬虎強(qiáng)

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249； 2. 中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心，北京100007）

撬式天然氣MDEA法脫碳裝置模擬分析與公式擬合

王博弘1，吳夢(mèng)雨1，易繼榮2，馬虎強(qiáng)1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249； 2. 中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心，北京100007）

用HYSYS對(duì)MDEA法脫碳工藝進(jìn)行軟件模擬，并通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，得出了來(lái)氣流量越小、來(lái)氣碳含量越低、吸收塔溫度越高，脫碳效果越佳的結(jié)論。并通過(guò)聯(lián)合這三個(gè)自變量，考慮到脫碳裝置不變的情況下，分析三個(gè)變量對(duì)脫碳效果的共同作用過(guò)程，擬合出方程，達(dá)到在輸入三個(gè)自變量之后，直接得出脫碳結(jié)果的目的。將擬合值與原始值進(jìn)行檢驗(yàn)后，擬合效果良好?？梢杂么朔匠虂?lái)判斷頁(yè)巖氣田脫碳撬式裝備能否滿足新區(qū)塊頁(yè)巖氣生產(chǎn)的脫碳要求。并以某氣田撬式MDEA法脫碳裝置為例，對(duì)公式擬合方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

天然氣；脫碳；MDEA；工藝模擬；公式擬合

目前，頁(yè)巖氣具有很好的勘探前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值［1］?？紤]到頁(yè)巖氣在開(kāi)采時(shí)，中后期壓力和產(chǎn)量與前期相比，變化較大，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，需要設(shè)備有一定的適應(yīng)性。對(duì)于中央處理站設(shè)備，大多選擇采用橇裝方式，以便于針對(duì)不同工況進(jìn)行組合、搬遷，保障設(shè)備的高效利用［2，3］。

在中央處理站對(duì)頁(yè)巖氣的處理過(guò)程中，為了降低CO2的腐蝕并達(dá)到商品氣質(zhì)量要求，需要將其中的CO2脫除。對(duì)氣體凈化后的CO2含量或是CO2脫除率是判斷脫碳工藝可行的最主要指標(biāo)。根據(jù)天然氣管輸相關(guān)規(guī)范，用于長(zhǎng)輸管道的天然氣含碳量應(yīng)該在3%以下，用于液化的天然氣應(yīng)該達(dá)到更高的脫碳要求［4］。

由于撬式裝置在設(shè)計(jì)組裝完畢之后各參數(shù)已經(jīng)確定，而開(kāi)發(fā)氣田其他區(qū)塊時(shí)或是氣體性質(zhì)變化后，就需要判斷該套裝置能否直接用于氣田其他區(qū)塊的開(kāi)發(fā)或是滿足不同特性氣體的脫碳要求。傳統(tǒng)的基于HYSYS的建模方法過(guò)程繁瑣，需要花費(fèi)大量時(shí)間精力。于是，為提高效率，提出了一種擬合以頁(yè)巖氣氣體的基礎(chǔ)特性為自變量，脫碳結(jié)果為因變量的方程方法，便于工程技術(shù)人員在判斷某套脫碳裝置能否用于新的區(qū)塊或是新的氣體情況時(shí)，直接在公式中輸入?yún)?shù)，就可以得到脫碳結(jié)果。

1 流程簡(jiǎn)介和初始條件

1.1 脫碳方法

某氣田撬式脫碳裝置采用了化學(xué)吸收法進(jìn)行脫碳?；瘜W(xué)吸收法是在一定條件下，原料氣中二氧化碳、硫化氫等酸性氣體與化學(xué)溶劑進(jìn)行反應(yīng)生成某種化合物而將二氧化碳脫除出來(lái)的方法。通過(guò)高溫再生，又可使化學(xué)溶劑將二氧化碳分解或釋放出來(lái)?；瘜W(xué)吸收法一般適合于原料氣含碳量不高（3%～25%）且凈化度要求較高場(chǎng)合［5］。選用的化學(xué)溶劑以醇胺溶劑最為常見(jiàn)。常用醇胺溶劑有DEA、MEA、DGA、DIPA、MDEA（活化MDEA）。本模擬過(guò)程采用MDEA作為溶劑。

1.2 流程簡(jiǎn)述［6，7］

該氣田MDEA脫碳系統(tǒng)由吸收塔、閃蒸塔、解吸塔和再生塔組成。原料氣首先進(jìn)入分離器，除去游離的液體和攜帶的固體雜質(zhì)后從吸收塔底部進(jìn)入吸收塔，與由塔頂自上而下的MDEA 溶液逆流在塔板上充分接觸，氣體中的二氧化碳被MDEA 溶液吸收，從而生成了含飽和水的濕凈化氣，從塔頂出來(lái)后經(jīng)出口分離器除去攜帶的溶液液滴后出裝置，而后再進(jìn)行脫水處理。MDEA 溶液在吸收塔吸收了大量二氧化碳后成為富液，從塔底流出后通過(guò)節(jié)流閥降壓后，進(jìn)入閃蒸罐，以脫除被MDEA 溶液吸收的烴類，閃蒸后的富液通過(guò)貧富液換熱器，與再生塔出來(lái)的熱貧液換熱，加熱后進(jìn)入再生塔的上部，蒸餾出吸收的二氧化碳，二氧化碳和其他酸性氣體從富液中閃蒸出來(lái)，蒸餾后的富液變?yōu)榱素氁海藷嶝氁簭乃琢鞒?，?jīng)貧富液換熱器，進(jìn)入吸收塔循環(huán)使用。整個(gè)過(guò)程中存在水分的損失，因此需要注入水來(lái)保證各部分MDEA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定不變。貧液在補(bǔ)充水分后，在冷卻器和增壓泵里降溫加壓，而后進(jìn)入吸收塔頂，繼續(xù)參與循環(huán)。

1.3 影響因素

對(duì)于給定的脫碳系統(tǒng)，可以認(rèn)為吸收塔的質(zhì)交換能力是給定的，該氣田的吸收塔塔板數(shù)為20塊。對(duì)于再生系統(tǒng)，考慮到其再生能力已經(jīng)確定，即循環(huán)進(jìn)入吸收塔的MDEA溶液量恒定，且原料氣壓力對(duì)脫碳效果影響不大。由此，影響脫碳量的變量為：吸收塔溫度、原料氣流量和原料氣碳含量。

1.4 初始條件

工藝流程的模擬采用HYSYS進(jìn)行，物性包選用“Amine Package”。

2 模擬分析

某氣田天然氣撬式脫碳處理裝置采用 MDEA法脫碳，原料氣組成見(jiàn)表1。

脫碳裝置主要參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情形和設(shè)計(jì)圖，采用 HYSYS軟件建模，得到以下流程圖，見(jiàn)圖1。

表1 原料氣組成Table 1 Component of the inlet gas

表2 天然氣脫碳裝置主要操作參數(shù)Table 2 Main operating parameters of the decarbonization facility

圖1 HYSYS模擬某氣田脫碳工藝流程Fig.1 The decarbonization process simulated by HYSYS in certain gas field

首先檢驗(yàn)單個(gè)變量與脫碳量的關(guān)系，依次改變來(lái)氣流量、來(lái)氣碳含量、吸收塔溫度得到脫碳效果的變化情況。模擬結(jié)果如圖2、圖3、圖4。

圖2 流量對(duì)脫碳結(jié)果的影響Fig.2 The effect of flow rate on decarburization

圖3 來(lái)氣碳量對(duì)脫碳結(jié)果的影響Fig.3 The effect of carbon content of the inlet gas on decarburization

圖　4 吸收塔溫度對(duì)脫碳結(jié)果的影響Fig.4 The effect of absorption tower's temperature on decarburization

由圖 4可得，在固定其他參數(shù)的情況下，在15～40 ℃的范圍內(nèi)，來(lái)氣流量越小，來(lái)氣碳含量越低，吸收塔溫度越高，脫碳效果越佳。

為研究三個(gè)參數(shù)的共同影響作用，通過(guò)調(diào)整來(lái)氣流量、吸收塔溫度、來(lái)氣碳含量這三個(gè)參數(shù)，以脫碳后氣體碳含量（%）為目標(biāo)值，得到模擬結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 HYSYS模擬脫碳結(jié)果Table 3 The simulating result of decarbonization by HYSYS

3 結(jié)果及分析比較

用于脫碳量擬合的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)過(guò)擬合得到下式：

式中: Y—脫碳后氣體碳含量；

X1—來(lái)氣碳含量；

X2—吸收塔溫度；

X3—來(lái)氣流量。

圖5給出了按照此種擬合方法擬合而得的擬合值與原始值的比較，由此圖，可以判斷得到擬合的結(jié)果是比較理想的。

圖5 擬合值與原始值的比較圖Fig.5 The comparison between fitted value and raw value

再對(duì)誤差求均值，可以得到誤差均值為0.020 691。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)模擬得到的脫碳量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了在固定其他參數(shù)的情況下，來(lái)氣流量越小，脫碳效果越佳；來(lái)氣碳含量越低，脫碳效果越佳；吸收塔溫度越高，效果越佳的結(jié)論。通過(guò)對(duì)三個(gè)自變量分別為來(lái)氣流量、來(lái)氣含碳量、吸收塔溫度，因變量為脫碳后氣體碳含量時(shí)的情況進(jìn)行擬合實(shí)驗(yàn)，得到了上述三個(gè)自變量和一個(gè)因變量的回歸方程，經(jīng)檢驗(yàn)，其精度較高，系數(shù)較少，計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便，比較便于應(yīng)用。

使用者可以在判斷某套脫碳裝置是否適合新區(qū)塊氣體脫碳凈化時(shí)，根據(jù)區(qū)塊采出氣特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)直接輸入方程中，得到最終脫除剩下的碳量，免去了用HYSYS模擬的繁瑣步驟。

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［2］ 黃靜，許言，邊文娟，等. 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地面配套集輸工藝技術(shù)探討 ［J］.天然氣與石油， 2013， 31（5）: 9-11+20+4.

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［4］GB17820-2012.《天然氣》［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012:1-2.［5］萬(wàn)宇飛，鄧驍偉，程濤，等. 不同含碳量天然氣脫碳方案選擇［J］. 油氣田環(huán)境保護(hù)， 2013， 23（3）: 56-58+75.

［6］王遇冬. 天然氣處理原理與工藝［M］. 北京:中國(guó)石化出版社，2011:46.

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Simulation Analysis and Formula Fitting of Lever Type Natural Gas Decarbonization Device by MDEA

WANG Bo-hong1，WU Meng-yu1，YI Ji-rong2，MA Hu-qiang1
（1. China University of Petroleum， Beijing 102249， China； 2. PetroChina Oil and Gas Scheduling Centre ， Beijing 102249， China）

HYSYS software was used to simulate decarbonization technology with MDEA method. The key parameters were analyzed. The results show that， the less the gas flow rate， the lower the gas carbon content and the higher the temperature， the better the effect of decarbonization. By joining these three independent variables and analyzing effect of the variables on decarbonization， the equation was fitted out to achieve the aim that decarbonization results of the formula can come out directly after inputting three independent variables. The comparison result of test fitting values and original values shows that the fitting effect is good. This equation can be used to determine whether shale gas decarbonization lever type device can satisfy the requirement of decarburization in new block shale gas production. And a gas field with lever type decarbonization device by MDEA method was used as an example to explain formula fitting method in detail.

Natural gas； Decarbonization； MEDA； Process simulation； Fitting formula

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2910-03

2015-08-12

王博弘（1993-），男，浙江舟山人，就讀于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系，研究方向?yàn)殚L(zhǎng)距離管道輸送。E-mail：wangbh2824@yeah.net。

吳夢(mèng)雨（1991-），男，碩士在讀，研究方向?yàn)殚L(zhǎng)距離管道輸送。E-mail：1538903313@qq.com。