在海洋深水气井开发过程中，从井口采出的天然气一般水含量较高，极易诱发水合物的形成，在管道和设备中不断聚集而造成局部堵塞甚至整个系统的瘫痪。因此，需设置注醇工艺，将乙二醇(MEG)作为抑制剂注入到井下生产工艺系统中，以降低水合物的生成。注醇工艺对于深水天然气的安全高效开采具有重要意义。
在注醇工艺过程中，MEG消耗量大(以天然气计按比例注入)而且价格昂贵，因此，所用的MEG必须进行再生处理及循环利用，从而大幅降低其消耗，有效降低生产操作费用。MEG回收及再生处理系统(以下简称MRU系统)是深水天然气开采的关键技术装备，接受来自于水下天然气开采工艺系统中的MEG富液，对其进行再生处理，得到技术指标合格的MEG贫液，并将其输送回井口注入点循环使用。
在MRU系统中，MEG是循环使用的，在系统运行过程中不可避免地有难溶性污染物(固体颗粒、重质烃类、有机降解产物)的侵入。经过长期运行后，小尺寸的颗粒污染物和重质液烃会产生积累效应，造成MEG的污染程度不断上升，最终导致脱水系统脱水性能下降、系统故障和停机、运行成本上升等问题。因此，难溶性污染物的污染控制对于提高天然气脱水系统和MRU系统运行的稳定性和可靠性具有十分重要的意义。
系统的目标洁净度控制(系统污染平衡)是提高MRU系统可靠性的一个关键环节。MRU系统的目标洁净度控制是一个复杂的动态过程[1]。一方面由于污染物不断浸入和产生，颗粒污染物的侵入环节包括湿气带入、反应生成、腐蚀产生及过滤介质脱落等[2]，烃类污染物的浸入环节包括原有润滑油的接触侵入、有机物降解后反应生成，使系统内的污染物不断增加，另一方面又通过过滤单元、吸附单元进行污染物去除。当系统产生的和排除的相等时，系统污染达到动态平衡[3]。因此，系统污染控制主要体现在过滤装置的性能参数及布局，MRU系统污染物平衡控制如图 1所示。
为了便于数值模拟计算，设立了MRU系统物理模型[4-5]，其工艺参数设置如下：①系统内MEG溶液总体积为30 m3；②循环工作流量为5 m3/h；③目标洁净度控制要求：粒径＞1 μm的颗粒污染物数量为30 000个/mL；粒径＞5 μm的颗粒污染物数量为75 00个/mL；粒径＞10 μm的颗粒污染物数量为1 000个/mL。
系统颗粒污染物侵入参数设置如表 1所列。
为了考查过滤器的设置方案(在系统中的布局)对系统污染控制效果的影响，设置了两套过滤方案，即：富液过滤方案(一道过滤)、富液过滤+贫液过滤方案(二道过滤)。
在MRU系统脱水及去除一价盐单元之前设置一道过滤，即富液过滤方案，其工艺流程如图 2所示。
在富液过滤方案中用3种过滤精度(10 μm、5 μm、1 μm)的过滤器来进行模拟试验，其过滤性能由过滤比表征，其参数设置如表 2所列。其中，MRU系统中常用的过滤精度为10 μm，而5 μm、1 μm为建议采用的过滤精度。
过滤比和过滤效率的计算公式如式(1)、式(2)所示：
式中: β为过滤比，%；η为过滤效率，%。
过滤比和过滤效率的对应关系见表 3。
为了提高再生处理装置(一价盐去除装置)脱盐效率，防止一价盐结晶颗粒再次进入注醇工艺系统，特别设置了贫液过滤单元(二道过滤单元)，其过滤工艺方案如图 3所示。
在该工艺方案中，一道过滤和二道过滤的过滤精度均为1 μm(β≥100)。
数学模型在以下假设的前提下建立[6-7]：①污染物均匀分布；②除过滤器外系统内其他附件不截留污染物；③污染物生成率相对稳定；④过滤器的过滤比相对稳定；⑤系统流量稳定。
根据系统污染物平衡控制图，以二道过滤单元为例，在任意Δt时间内，可以求得MRU系统内瞬态颗粒污染度，其计算公式如式(3)所示：
式中：Cn为达到平衡时的瞬态颗粒污染物数量, 个/mL，其数值根据目标洁净度确定; Cn-1为达到平衡前一次迭代时的瞬态颗粒污染物数量, 个/mL；R1为吸收侵入的颗粒污染物数量, 个/mL；R2为反应生成-吸收塔内产生的颗粒污染物数量, 个/mL；R3为反应生成-脱烃单元的颗粒污染物数量, 个/mL；R4为反应生成-二价盐去除单元的颗粒污染物数量, 个/mL；R5为反应生成-过滤介质脱落的颗粒污染物数量, 个/mL；R6为反应生成-再生单元的颗粒污染物数量, 个/mL；R7为腐蚀生成的颗粒污染物数量, 个/mL；β1为富液过滤单元过滤比; β2为贫液过滤单元过滤比，当只有一道过滤单元时β2=1，不设置过滤单元时β1=β2=1;Q为系统循环流量, m3/h；V为MEG溶液总体积, m3；Δt为循环过程时间步长, s。
将式(3)进行变换整理，得到式(4)：
当Δt趋向于无穷小时，可以得到微分方程，如式(5)所示：
求解得到式(6)：
式中：C0为初始MEG富液的瞬态颗粒污染物数量, 个/mL。
针对上述MRU系统污染控制过程，利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。
系统内无过滤单元时，3种不同粒径的颗粒污染物侵入数量随时间的变化情况如图 4所示。
由图 4可知，无过滤单元时，系统内部颗粒污染物数量随时间呈指数上升趋势。由此可见，若不设置过滤单元进行污染物控制，将会造成颗粒污染物迅速在系统内累积，大大增加系统故障发生率，导致设备失效。
为实现颗粒污染物控制，系统内设置一道过滤单元时，在过滤精度分别为10 μm、5 μm、1 μm下，3种粒径颗粒污染物数量随时间的变化曲线分别如图 5~图 7所示。
由图 5可见，过滤精度为10 μm时：粒径＞10 μm的颗粒污染物可以达到目标洁净度，所需时间为95.2 h；粒径＞1 μm、粒径＞5 μm的颗粒污染物数量随时间呈快速增加趋势，无法消除1 μm、5 μm颗粒污染物的累积污染；传统的MRU系统采用10 μm过滤器无法保证粒径＞1 μm、粒径＞5 μm的颗粒污染物目标洁净度的实现。
由图 6可见，过滤精度为5 μm时：粒径＞5 μm、粒径＞10 μm的颗粒污染物均能达到目标洁净度，所需时间分别为66.6 h，29.9 h；粒径＞1 μm颗粒污染物数量随时间呈快速增加趋势，只能消除粒径＞5 μm、粒径＞10μ m颗粒污染物的累积污染，无法消除粒径＞1 μm颗粒污染物的累积污染；采用5 μm过滤器是无法保证1 μm颗粒污染物达到目标洁净度。
由图 7可见，过滤精度为1 μm时：粒径＞1 μm、粒径＞5 μm、粒径＞10 μm的颗粒污染物均能达到目标洁净度，所需时间分别为64.7 h、30.4 h、13.1 h，能有效地消除超细颗粒污染物的累积污染；采用1 μm的过滤器能够确保MRU系统达到并保持目标洁净度。
当富液过滤器和贫液过滤器的过滤精度均为1 μm时，与设置一道过滤器相比，设置两道过滤器，其粒径为10 μm的颗粒污染物达到目标洁净度所需时间为12.2 h，粒径为5 μm的颗粒污染物达到目标洁净度所需时间为12.7 h，粒径为1 μm的颗粒污染物达到目标洁净度所需时间为14.3 h，系统颗粒污染物达到目标洁净度(粒径＞1 μm的颗粒污染物数量为30 000个/mL)的时间大幅缩短，污染控制效果更加明显(见图 8)。
深度处理单元(脱水、一价脱盐单元)通常会有超细颗粒污染物(粒径为1~5 μm的低价盐结晶颗粒)溢出，对下游的贫液造成二次污染(R6)，若R6数据较大，将会对目标洁净度形成不利影响。
综合以上仿真结果，可以得出如下结论：
(1) 传统MRU系统采用10 μm过滤器，无法对10 μm以下的颗粒污染物进行有效过滤和清除，特别是不能消除1~5 μm的超细颗粒污染物的累积污染，无法保证系统目标洁净度的实现和保持。
(2) 采用过滤精度为1 μm的过滤器，能有效消除1~5 μm的超细颗粒污染物的累积污染，能有效地保证系统目标洁净度的实现和保持。
(3) 设置过滤精度为1 μm的贫液过滤器，不仅能有效防止一价盐结晶颗粒对贫液产生的二次污染，而且还能为系统目标洁净度的实现和保持提供更可靠的技术保障。
MRU系统内烃类污染物主要为原油、润滑油、有机降解产物，其侵入参数设置见表 4。
无吸附单元时，MRU系统内烃类污染物的浸入与累积流程图如图 9所示。
增加吸附单元时，MRU系统内烃类污染物的控制流程图如图 10所示。
吸附单元吸附效率分别设置为50%~90%，通过数值模拟，得到MRU系统烃类污染物的临界吸附效率，从而为吸附器的工艺设计和选型提供参考。
数学模型在以下假设的前提下建立：①污染物均匀分布；②除吸附器外系统内其他附件不截留污染物；③污染物生成率相对稳定；④吸附器的吸附效率相对稳定；⑤系统流量稳定。
根据系统污染物平衡控制图，在任意Δt时间内，可以求得MRU系统内瞬态烃类污染物污染度，其计算公式如式(7)所示：
式中：Hn为达到平衡时的瞬态烃类污染物质量浓度，mg/L, 其数值根据目标洁净度确定；Hn-1为达到平衡前一次迭代时的烃类污染物质量浓度，mg/L；T1为润滑油的接触侵入的烃类污染物质量浓度，mg/L；T2为有机物降解后反应生成的烃类污染物质量浓度，mg/L；η1为吸附单元吸附效率, %；Q为系统循环量, m3/H；V为MEG溶液总体积, m3；Δt为循环过程时间步长, s。
将式(7)进行变换整理，得到式(8)：
当Δt趋向于无穷小时，可以得到微分方程，如式(9)所示：
求解得到式(10)：
式(10)表达了污染度稳态值与吸附器吸附比、污染生成率和系统流量之间的关系。当系统以一定的初始污染度开始工作后，在循环流动作用下，系统在工作过程中不断产生污染物浸入，同时吸附器不断清除污染，在吸附器的吸附精度合格的前提下，系统污染度会随时间的增加而单调递减，最终在循环一定的次数后达到系统目标污染度。
针对上述MRU系统污染控制过程，利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能[8]。
无吸附单元时，MRU系统内烃类污染物质量浓度随时间的变化曲线如图 11所示。
无吸附单元时，系统内烃类污染物质量随时间的增加呈指数上升趋势，将会发生大分子烃类污染物聚集，并可能与系统中的超细颗粒污染物相互作用生成油泥，进而导致过滤器、管线、工艺设备的堵塞、结垢。
系统内设置一道吸附单元时，MRU系统内烃类污染物质量浓度随时间变化曲线如图 12所示。从图 12可见，在吸附效率分别为50%、60%、70%、80%、90%时，随着吸附效率的提高，系统达到目标洁净度所需要的时间缩短。
为进一步获得系统临界吸附效率(烃类污染物产生量等于排除量)，对吸附效率数值进行细化，得到临界吸附效率计算结果(见图 13)。由图 13可见，在系统烃类污染物的产生和排除相平衡的条件下：当吸附效率为62%时，对应烃类污染物质量浓度随过滤时间的增加而上升；当吸附效率为63%时，对应烃类污染物质量浓度则随过滤时间的增加而下降，对应的临界吸附效率约为62.2%。
根据以上仿真计算结果，可以得出以下结论：
(1) 若不设置吸附单元，烃类污染物质量呈指数上升，将会发生大分子烃类污染物聚集，并可能与系统中的超细颗粒污染物相互作用生成油泥，进而导致过滤器、管线、工艺设备的堵塞、结垢。
(2) 要想实现和保持系统目标洁净度，吸附单元的吸附效率应大于62.2%(临界吸附效率)。
(3) 传统MRU系统中吸附器的吸附效率通常小于60%，无法保证MRU系统达到和保持目标洁净度。
(4) 为了有效地消除MRU系统烃类污染物的累积污染，建议采用吸附效率≥65%的吸附器。
通过MRU系统颗粒污染物和烃类污染物的动态仿真，考查了各种过滤技术方案及技术参数对系统污染控制效果的影响，提出了达到和保持目标洁净度的技术方案。研究结论如下：
(1) MRU系统内若不采取污染物控制，就会存在明显的小粒径颗粒污染物、重质烃类污染物的积累效应。
(2) 现有的10 μm过滤精度无法对10 μm以下的颗粒污染物进行有效的过滤和排除，无法保证系统目标洁净度的实现。根据数值模拟结果，应采用过滤精度1~5 μm的过滤器，以消除小粒径颗粒污染物的积累效应，进而达到系统目标洁净度要求。
(3) 现有吸附器的吸附效率为50%~60%，无法消除烃类污染物的积累效应。根据数值模拟结果，烃类污染物的产生和排除相平衡时对应的临界吸附效率为62.2%。因此，为保证烃类污染物的高效脱除，建议采用吸附效率在65%以上的吸附器，以确保系统目标洁净度的实现。
2023, Vol. 52 Issue (1): 138-144 2023, Vol. 52 Issue (1): 138-144