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三甘醇脱水系统多因子协同优化提升能效经济性

肖紫荆 ,  卢宏涛 ,  吉喆 ,  叶鉴文 ,  张雅馨

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 251 -255.

PDF (1865KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 251-255. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.044
工业技术

三甘醇脱水系统多因子协同优化提升能效经济性

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Multi-factor synergistic optimization for enhancing energy efficiency and economy of triethylene glycol dehydration system

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摘要

以日处理量220万m3的X脱硫站三甘醇(TEG)脱水系统为对象,构建“温度-流量-压力”多因子热力学耦合模型,提出基于水露点约束的协同优化路径。通过敏感性分析,揭示高压蒸气(52%)、燃料气(31%)及循环泵电能(17%)的能耗关联机制,并建立多目标优化函数。实验表明,将TEG循环量从2 200 kg/h降至2 000 kg/h、汽提气量从21 m3/h优化至7 m3/h、重沸器温度梯度调整为183℃时,系统比功耗降低17.8%(6.48×10-4 kWh/m3),年节约运行成本22.51万元,且水露点稳定于 -20℃以下。本研究为现有天然气脱水装置的能效提升提供了普适性方法论,推动高能耗工业从“单一节能”向“系统增效”转型。

Abstract

This study focuses on a triethylene glycol (TEG) dehydration system at a certain desulfurization station with a daily processing capacity of 2.2 million cubic meters.A thermodynamic coupling model is established,which integrating temperature,flow rate,and pressure factors.A synergistic optimization pathway is proposed based on water dew point constraint.Sensitivity analysis reveals the energy consumption correlation mechanism among high-pressure steam (52%),fuel gas (31%),and circulation pump electricity (17%),leading to the establishment of a multi-objective optimization function.Experimental results demonstrate that through reducing TEG circulation rate from 2 200 kg/h to 2 000 kg/h,optimizing the stripping gas flow rate from 21 Nm3/h to 7 Nm3/h,and adjusting the reboiler temperature gradient to 183℃,the system’s specific energy consumption decreases by 17.8% (6.48×10-4 kWh/m3),achieving annual operating cost saving of RMB 225 100 while maintaining water dew point stability below -20℃.This study provides a universal methodology for enhancing the energy efficiency of existing natural gas dehydration plants,advancing the transformation of energy-intensive industries from “single-factor energy conservation” to “systematic efficiency enhancement”.

Graphical abstract

关键词

三甘醇脱水系统 / 经济性分析 / 节能优化 / 多因子调控 / 比功耗

Key words

triethylene glycol dehydration system / economic analysis / energy conservation optimization / multi-factor regulation / specific power consumption

引用本文

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肖紫荆,卢宏涛,吉喆,叶鉴文,张雅馨. 三甘醇脱水系统多因子协同优化提升能效经济性[J]. 现代化工, 2025, 45(8): 251-255 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.044

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在全球能源结构绿色转型与“双碳”目标双重驱动下,工业领域的节能降耗已成为破解环境约束、实现可持续发展的核心议题。天然气净化作为高能耗产业链的关键环节,其能耗强度直接影响行业减排进程。其中三甘醇(TEG)脱水系统因工艺成熟性占据主导地位,但其蒸气、燃料气与电耗的协同优化仍存在显著提升空间,设备和工艺系统中存在显著的节能潜力,需要深入挖掘[1-2]。因此,推动天然气净化装置的节能改造具有重要的现实意义。然而,现有的节能措施大多依赖于软件模拟和工艺流程拟合。既有研究多聚焦于工艺模拟与设备升级,如张超[3]通过流程拟合分析脱轻烃工艺能效,蒋洪等[4]基于数值模拟优化脱水参数。然而,这些模拟参数与实际生产过程之间存在一定偏差,难以完全指导生产实践。此外,新技术的引入往往伴随高昂的改造成本,制约规模化应用。因此,在现有装置框架内,通过精细化调控操作参数实现“降本-增效-减排”多维目标,成为更具现实可行性的研究方向。
天然气脱水是保障管输安全的核心工艺。原料气中饱和水蒸气在低温高压下易形成水合物,引发阀门堵塞与管线腐蚀风险[5]。因此,天然气脱水的主要目的是确保在最高输送压力和最低环境温度下,天然气中的水分不会凝结成水合物。通常,管输天然气的露点温度应低于沿途最低环境温度5~15℃[6]。三甘醇因高吸水性、低挥发性和化学稳定性成为首选吸收剂,通过气液传质选择性脱除水分,经再生循环实现连续运行[7]。然而,传统TEG工艺存在重沸器蒸气过量、汽提气利用率低等瓶颈,导致能耗居高不下。
本研究以日处理量220万m3的X脱硫站为对象,针对其TEG脱水系统开展能效优化。通过热力学建模与参数敏感性分析,揭示重沸器温度、TEG循环量及汽提气量的能耗关联机制,构建“温度-流量-压力”多因子调控模型。优化后系统比功耗降低17.8%,年节约运行成本22.5万元,碳排放强度减弱,为实现“降本-增效-减排”协同目标、工业装置节能改造提供新思路。

1 脱水单元的工艺流程

如图1所示,来自上游的脱硫后湿天然气进入脱水塔(T-X01)。该脱水塔采用填料塔结构,湿天然气在塔内与高纯度三甘醇(TEG)逆流接触,通过物理吸收作用脱除天然气中的水分,使水露点降至-10℃以下,以满足管输要求。脱水后的天然气进入净化天然气分液罐(D-X01)脱除可能携带的TEG,同时可以避免下游产品气管线受脱水塔操作波动的影响。从脱水塔底部流出的富TEG进入TEG闪蒸罐(D-X01),脱水塔的液位通过塔底富TEG管线上的液位调节阀进行精确控制。在闪蒸罐内,富TEG中溶解的天然气被闪蒸释放,闪蒸气体与再生废气混合后进入脱水废气分液罐(D-X04)进行气液分离。TEG闪蒸罐设有液位控制系统,以确保在流量波动时维持TEG循环量的稳定。闪蒸后的富TEG输送至TEG再生塔(T-X01)顶部,与再生塔顶气进行换热升温,随后进入TEG三级过滤器,脱除其中可能累积的烃类物质及固体杂质,防止设备堵塞和效率下降。过滤后的富TEG进入贫富TEG换热器(E-X01),与贫TEG进行热交换,富TEG被加热至175℃后进入TEG再生塔(T-X01)。在再生塔内,富TEG自上而下流经散堆填料层,进入TEG重沸器(E-X01)。重沸器采用电加热方式,将TEG加热至适宜温度,以脱除其中所含的水分和烃类杂质。TEG再生塔顶部设有冷却盘管,利用来自TEG闪蒸罐的富TEG与再生气进行换热,产生回流液以减少TEG的损失。回流液向下流经一段散堆填料后与进料富TEG混合,塔顶气体与闪蒸罐顶气体混合后进入脱水尾气分液罐(D-X04),分离后的废气被输送至尾气处理单元的焚烧炉进行无害化处理。重沸器中的TEG从釜内溢流堰上部流出,进入重沸器底部的TEG汽提塔(T-X03)。在汽提塔内,燃料气作为汽提气与TEG逆流接触,进一步脱除TEG中的残余水分,确保再生TEG的纯度。再生后的贫TEG流入TEG缓冲罐(D-X02),随后进入贫富TEG换热器和TEG后冷器(E-X03),冷却至约45℃后经TEG循环泵升压,输送至脱水塔顶部完成循环。
此外,本单元还设有TEG回收罐,用于收集设备和液位仪表连通管排放的TEG。TEG回收泵将回收罐中的TEG送回TEG闪蒸罐(D-X01),实现TEG的高效回收和重复利用,进一步降低运行成本并减少环境污染。

2 工艺优化

2.1 脱水装置能耗构成及剖析

近年来,随着化学工业向大型化和低碳经济方向的发展,能耗计算的科学性和精确性显得尤为重要,这不仅能够反映所采用工艺技术的先进性,还能评估公用工程运行的合理性。化工生产的总能耗通常包括2部分:一是加工能耗,二是产品构成能耗。本文中所指能耗为加工能耗,即生产过程中所消耗的能源(燃料、电能和各种等级蒸气等)的直接能耗,以及耗能工质(循环冷却水、脱盐水、冷剂、污水处理、工业空气、仪表空气、氮气、工业水等)的间接能耗[8]。
天然气脱水装置作为规模大、能耗高、具有高效功热转换体系且能量回收利用率高的典型化工装置,其能耗构成具有显著的代表性[9]。以X脱硫站为例,脱水单元日均处理量达220×104 m3,能耗分布呈现典型“三高”特征:高压蒸气(4.1 MPa)占比52%,用于重沸器内TEG富液再生;燃料气占比31%,驱动汽提塔内残余水分脱除;电能占比17%,主要消耗于TEG循环泵。热力学分析表明,蒸气与燃料气的过量投入是能效瓶颈的核心,根源在于重沸器温度设定冗余、TEG循环量超出传质需求、汽提气分布不均导致的能量散逸。

2.2 多参数协同优化与能效提升路径

基于能耗热力学模型,本研究构建“温度-流量-压力”多因子优化框架,以水露点达标(冬季≤-15℃,夏季≤-10℃)为约束条件,开展三重关键参数调控:针对上述的工艺流程和能耗剖析,将X站的能耗设计参数列于表1。
已知X站处理气量较大,脱水单元处理的溶液循环量大。因此TEG系统所需的高压蒸气和汽提气,以及循环泵的流量也较大。在进行系统优化之前,水露点已经达到-31.3℃,远低于管输要求。为降低脱水单元装置用能,在保证水露点合格的前提下对脱水装置进行相关参数调节。前期的文献调研表明,在合理范围内适当降低TEG的循环量、重沸器温度、汽提气用量具有一定的节能效果。下面结合实际对天然气净化装置脱水工段进行了参数优化探究。
在天然气处理装置中,重沸器作为再生系统的核心设备,其温度梯度分布直接影响蒸气耗量与脱水效果。初始工况监测数据显示,当重沸器温度设定值维持在193.5℃时(图2),蒸气耗量高达383 kg/h,三甘醇贫液出口水露点低至-31.3℃,形成明显的过冷现象。不仅造成能源浪费,更导致三甘醇溶液在吸收塔内过早达到饱和状态,影响系统运行经济性。通过优化将蒸气量降至333 kg/h,重沸器温度随之降至183.5℃,使蒸气耗量降低13%(年节约蒸气400 t),水露点回升至-26.5℃,仍较管输标准-15℃保持较高的安全裕度。此举消除局部过热造成的无效气化,提升蒸气潜热利用率。
在天然气三甘醇脱水工艺中,循环量的动态调控是平衡气液传质效率、设备能耗与系统安全性的关键控制维度。研究表明,当TEG循环量偏离最优区间时,将引发传质动力学与流体机械学的双重矛盾:过高流量(2 200 kg/h)虽满足理论传质需求,但导致离心泵轴功率增加至20.8 kW;而单纯追求低能耗将流量降至1 800 kg/h时,虽泵功降低12.5%,同时过滤器压差会持续上升导致气蚀,脱水塔持液量过低也会引发塔板干涸风险。这种粗放式单参数调控模式,暴露出传统控制策略在能效-安全-质量多目标协同上的固有缺陷。
基于多参数耦合分析,本研究构建了循环量动态优化模型:通过建立泵功率-持液量-压差三维响应曲面,确定2 000 kg/h为帕累托最优解;开发压差前馈补偿算法,将原料气含水量波动(±20%)映射为±2.5%的循环量自适应调节区间(1 950~2 050 kg/h)如图3。工程验证表明,该策略实现三重突破:泵轴功率降至18.9 kW(降幅9.1%);填料塔持液量稳定≥45%;过滤器压差增幅减小,气蚀风险降低。这种多目标协同优化机制,为复杂工况下脱水装置的智能调控提供了新的方法论框架。
传统操作模式下,固定汽提气流量(21 m3/h)的设计虽能确保三甘醇贫液浓度达标,却导致系统燃料气消耗过高。本研究通过TEG循环量-重沸器热负荷耦合分析发现,当循环量从2 200 kg/h降至2 000 kg/h时,富液水含量降低,使得重沸器汽提气需求产生非线性衰减(图4)。基于此,构建了汽提气动态调节模型:建立富液水含量-汽提气效率因子耦合,确定临界汽提气流量为7 m3/h;开发再生温度前馈补偿算法,当TEG贫液浓度波动超过 ±0.2%时,自动触发汽提气微调(±0.5 m3/h)。优化后水露点稳定于-20℃以下(图5),为工艺弹性预留5℃操作裕度,兼顾安全性与经济性。

3 能耗计算与能效评价

3.1 能耗核算方法与折算分析

为科学评估脱水装置能效水平,本研究依据GB/T 50441—2007《石油化工设计能耗计算标准》、GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》及SY/T 6331—2013《气田地面工程设计节能技术规范》,对脱水单元进行全流程能耗核算[10-12]。其中,加工能耗涵盖直接能源(燃料气、电力、蒸气),计算公式[13]如下:
E = ∑ i n M i R i + ∑ i n Q i
式中,E为化工装置能耗,kgre;Mi为输入的第i种燃料或输入、输出的第i种蒸气、电或耗能工质实物量(t、kWh、m3),输入实物量为正值,输出计为负值;Ri为输入第i种燃料或输入、输出的第i种蒸气、电或耗能工质能耗折算值(kgoe/t、kgoe/kWh、kgoe/m3);Qj为装置与外界交换的第j种能源量(kgoe),向装置输入的消耗为正值,输出能量计为负值;kgoe为千克标油,10 000 kJ。
结合上述能耗核算模型与燃料、蒸气、电和耗能工质的能源折算值对此次优化内容进行定量分析。燃料、电和耗能工质的能源折算值见表2,蒸气的能源折算值见表3。已知脱水单元的主要能耗为燃料气、4.1 MPa高压蒸气以及循环泵所需电能。从表2、表3工质折算中可得优化后节约的能耗见表4。根据表2工业折算能耗表,以及工业能耗计算公式可以得出脱水单元3种主要能耗循环泵用电量、燃料气用量、4.1 MPa蒸气用量经过优化之后能耗的降低情况。其中循环泵用电量受限于循环泵最低流量的限制,每小时节约0.75 kWh,约合能量2.7 MJ,合标煤0.092 18 kg/h。降耗效果最为显著的是燃料气,节约了14 m3/h,约合能量604.248 MJ/h,合标煤20.6431 kg/h;其次是4.1 MPa级蒸气,节约了0.05 t/h,参考能耗工质折算表约合171.531 3 MJ/h,6.285 5 kg/h。其中燃料气节能占整个单元的76.4%,蒸汽与电能分别占21.6%和2.0%。

3.2 优化参数对能耗的敏感性分析

比功耗为能耗与产品流量的比值,反映了生产单位产品流量所需的能耗(此处指单位天然气处理量的能耗)。通过式(2)建立比功耗(ω)与关键参数(TEG循环量、汽提气量、蒸气流量)的关联模型[14]:
ω = ∑ i = 1 3 W i / V
式中,ω为比功耗,kWh/m3;Wi为第i个设备的功率,kW;i=1~3,分别为TEG循环泵、汽提燃料气、4.1 MPa高压加热蒸气;V为天然气体积流量,m3/h。
由图6可知,经过TEG循环量、汽提气流量、高压蒸气流量三重因子的优化,使得脱水系统的能耗得到改善。由于生产数据的动态性使得能耗改善不太直观,对此本研究引入比功耗函数得知比功耗从7.880 53×10-4 kWh/m3降至6.477 6×10-4 kWh/m3,能耗改善显著。

4 系统优化对装置经济性的改善

脱水单元的运行成本中,电量、高压蒸气以及燃料气仍然是最主要的3种能耗。根据X厂当地的工业能耗单价以及本次优化节约的能耗数据可得出3种能耗的经济性改善效果。其中高压蒸气没有直接市场单价,故而转换为标煤后,按标煤单价计量。由表5可知,以工时8 000 h/a计,燃料气经济性改善最为显著,节约运行成本17.858 4万元/a,占本次节能收益的77.9%。其次是高压蒸气,节约运行成本4.324 4万元/a。

5 结论

本研究基于X天然气脱硫站脱水单元运行数据,通过多维度解析与工艺优化,明确燃料气(占比76.4%)、4.1 MPa高压蒸气及循环泵电能为装置核心能耗源。以水露点稳定低于管输限值(≤-20℃)为约束,通过重沸器温度梯度调控降至183℃、TEG循环量动态适配约2 000 kg/h及汽提气流量优化降至7 m3/h,实现系统总能耗削减778.48 MJ/d,比功耗由7.88×10-4 kWh/m3降至6.48×10-4 kWh/m3(降幅17.8%),燃料气能耗占比主导地位。经济效益分析表明,年运行成本节约22.51万元,燃料气经济贡献率77.9%,印证参数精细化调控对边际成本控制的显著效能。研究证实,在现有装置框架内,通过热力学平衡与传质效率协同优化,可突破传统TEG工艺能效瓶颈,同步实现安全运行、经济效益与低碳目标。该成果为同类天然气脱水装置的节能改造提供了可行的技术路径,对推动行业绿色转型及高能耗工业领域的能效提升具有借鉴意义。

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