張新策，王希國，勞 偉

（1. 中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580； 2. 勝利油田油氣集輸總廠，山東 東營 257000；3. 勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司， 山東 東營 257000）

工藝與裝備

天然氣處理工藝流程改造及優(yōu)化研究

張新策1，王希國2，勞 偉3

（1. 中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580； 2. 勝利油田油氣集輸總廠，山東 東營 257000；3. 勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司， 山東 東營 257000）

為提高輕烴回收率，實現(xiàn)節(jié)能降耗和經(jīng)濟效益最大化的目標，利用 HYSYS 工藝流程模擬軟件，建立天然氣處理工藝模型，對天然氣處理工藝流程進行了改造可行性研究和優(yōu)化分析。研究表明：利用 HYSYS軟件進行模擬優(yōu)化研究具有一定的準確性和可靠性；通過工藝流程的改造，丙烷收率提高了 25.07%，C3+收率亦有所增加，改造方案是可行的；通過建立數(shù)學優(yōu)化模型，對主要工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，膨脹機壓縮端出口溫度由原來 66.99 ℃下調為 64 ℃，此時 C3回收率增大且 Opt取得最小值，取得了最大化經(jīng)濟效益。另外，此研究對國內舊天然氣處理廠的改造優(yōu)化具有一定的指導意義。

輕烴回收；優(yōu)化分析；數(shù)學模型；工藝參數(shù)

隨著油田開發(fā)逐漸進入后期，伴生氣產量日益下降，國內很多天然氣處理廠不再適應現(xiàn)有的生產狀況[1]。原有的設計規(guī)模一般會遠遠偏離現(xiàn)有的工況，使壓縮機組發(fā)生喘振現(xiàn)象而影響工作效率，使膨脹機轉速、膨脹比等輕烴生產參數(shù)偏離設計工況，導致輕烴收率降低[2,3]。故亟需對舊天然氣處理廠 進行改造優(yōu)化，使其在正常工況下運行，從而增加經(jīng)濟效益。

某天然氣處理廠擔負油田伴生氣的增壓、處理和外輸任務，是重要的輕烴生產基地之一。但由于上游伴生氣產量的減少，目前的進站氣量約為 30× 104m3/d，遠達不到離心壓縮機的額定排氣量 56×104m3/d，不能在正常范圍內運行。為了提高輕烴收率，使經(jīng)濟效益最大化，根據(jù)現(xiàn)有實際生產狀況對天然氣處理裝置進行了必要的改造，并引入 HYSYS 工藝流程模擬系統(tǒng)軟件對改造后工藝流程進行了優(yōu)化研究。

1 天然氣處理工藝原理及流程

采用冷凝分離法的天然氣處理工藝，原理為：采用丙烷預冷和膨脹制冷相結合的制冷工藝獲得冷凝分離所需的冷量，逐級冷卻天然氣，利用天然氣各組分冷凝溫度的差異，使所含輕烴組分依次析出與氣分離。工藝流程示意圖如圖1所示。

進站原料氣經(jīng)離心式壓縮機增壓后進入分子篩脫水裝置脫水，干燥、高壓的天然氣進入冷箱第一換熱器與來自脫乙烷塔頂?shù)牡蜏貧怏w換熱，然后進入丙烷蒸發(fā)器預冷，再經(jīng)冷箱第二換熱器降溫后進入分離器，分液后的氣體進膨脹-增壓機組膨脹端膨脹，此時溫度可降至-75～-82 ℃，作為脫乙烷塔塔頂進料，分液后的液體經(jīng)冷箱換熱后作為脫乙烷塔中部進料。脫乙烷塔塔頂氣體回收冷卻后，進入膨脹-增壓機組增壓段增壓，增壓后的氣體一部分去分子篩干燥系統(tǒng)用于再生/冷吹，其余作為干氣外輸。脫乙烷塔塔底液體作為液化氣塔進料，經(jīng)液化氣塔分離成液化氣和輕油產品。來自分子篩干燥系統(tǒng)的再生/冷吹氣匯入外輸干氣管線外輸。

圖1 天然氣處理廠工藝流程示意圖Fig.1process flow diagram within the gas compressor station in Dongying

2 模型的建立與驗證

2.1 模型的建立

采用 HYSYS 工藝流程模擬軟件，建立天然氣處理工藝流程模型。在建模之前，要首先選取合適的狀態(tài)方程，這樣才能保證模擬結果的準確性和可靠性。在對天然氣處理工藝流程模擬中，選取pR（Peng-Robinson）狀態(tài)方程，該方程可以精確地模擬氣液相平衡，于 SRK 方程相比，在預測液體飽和體積時，其精度更高。

根據(jù)基礎數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有工藝流程建模進行模擬，對照天然氣處理系統(tǒng)實際運行參數(shù)、實際物料進行模擬計算。

2.2 實測與模擬參數(shù)對比

按照裝置目前運行參數(shù)（2016 年 1月 28 日報表），采用 HYSYS 對運行現(xiàn)狀進行模擬，得到各個主要節(jié)點參數(shù)與實測參數(shù)對比表、模擬外輸干氣與實測外輸干氣組分對比表和模擬參數(shù)和實測參數(shù)下C3和 C3+回收率對比表分別如表 1、2 和 3 所示。

表1 現(xiàn)有處理工藝模擬和實測主要節(jié)點參數(shù)對比表Table 1Comparison table of main nodeparameters of existingprocessing technology

表2 模擬外輸干氣與實測外輸干氣組分對比表Table 2 External output dry gas component comparison table%

表3 模擬參數(shù)和實測參數(shù)下C3和C3+回收率對比表Table 3 Comparison of recovery rate of C3 and C3+ under simulated and measuredparameters

由上述數(shù)據(jù)可知，采用 HYSYS 對運行現(xiàn)狀進行模擬計算得到的主要節(jié)點參數(shù)與實測參數(shù)基本相同，模擬得到外輸干氣組分與實測外輸干氣組分基本相似，模擬得到的 C3和 C3+回收率與實測計算得到的 C3和 C3+回收率誤差很小。綜上所述，采用HYSYS 對工藝流程進行模擬產生的誤差均在允許誤差范圍內，驗證了 HYSYS 軟件模擬結果的準確性，可以采用此方法對流程進行模擬優(yōu)化。

3 工藝流程改造及分析

3.1 工藝流程改造

由于現(xiàn)有工藝流程存在 C3收率低，不能滿足生產需求等問題，在現(xiàn)有工藝流程的基礎上進行了改造，將膨脹-增壓機組的增壓段前置，進一步增加了膨脹比，同時在脫乙烷塔前增設低溫吸收塔[4-6]。根據(jù)改造后的工藝流程建立 HYSYS 模型進行模擬計算。

3.2 改造流程模擬分析

在不改變其他條件下，對改造后的天然氣處理工藝流程進行模擬，并與現(xiàn)有的天然氣處理工藝模擬結果進行對比。

（1）回收率分析

改造前后 C3和 C3+回收率對比如表 4 所示。

表 4 改造前后 C3和 C3+回收率對比表Table 4 Table of recovery rate of C3and C3+before and after transformation

由表4可知，經(jīng)過流程改造優(yōu)化，保證了丙烷收率，計算出丙烷收率由 68.67%升高為 94.24%，與優(yōu)化前相比提高了 25.07%；C3+的收率亦有所增加，高達 99%，與優(yōu)化前相比提高了 1.38%，均提高了經(jīng)濟效益。

（2）能耗分析

天然氣處理工藝流程中，主要的能耗設備有壓縮機組、冷卻器、分子篩、丙烷蒸發(fā)器、膨脹-壓縮機組、脫乙烷塔底重沸器、液化氣塔頂冷凝器和液化氣塔底重沸器等。通過 HYSYS模擬計算得到主要能耗設備的能耗，模擬結果表明，改造后能耗增加并不是很大，比改造前增加了 1.09%，基本可以忽略。在保證不增加過多能耗前提下，進行改造優(yōu)化工藝流程后，C3+的收率大大提高，所以對天然氣處理工藝進行上述改造是可行的，可提高經(jīng)濟效益。

4 工藝流程主要參數(shù)優(yōu)化

4.1 數(shù)學優(yōu)化模型的建立

本文以裝置總能耗與丙烷回收量的比值最低作為優(yōu)化目標，它反映了回收單位丙烷組分的回收成本。根據(jù)優(yōu)化目標，建立天然氣處理工藝優(yōu)化模型如下：

式中： Ei— 裝置中各單元操作的能耗，kJ/h；

FC3— 回收輕烴中丙焼 組分的流量，kmol/h；

F-— 液化氣產品中乙烷以下組分流量，kmol/h；

C

FLPG— 液化氣產品流量，kmol/h。

在優(yōu)化模型中，式（1）表示優(yōu)化目標函數(shù)為回收單位丙烷以上組分能耗最低；式（2）和（3）表式液化氣中乙烷以下組分含量和戊烷以上組分含量執(zhí)行 GB 11174-2011質量指標；式（4）為脫乙烷塔塔底壓力限制；式（5）為液化氣塔塔頂壓力限制；式（6）為脫乙烷塔塔底溫度限制；式（7）為液化氣塔塔底溫度限制。

4.2 敏感性分析及確定優(yōu)化變量

在對工藝流程進行工藝參數(shù)優(yōu)化前，需要對天然氣處理工藝流程中主要參數(shù)進行敏感性分析，確定出對優(yōu)化目標影響最大的運行參數(shù)。

結合天然氣處理工藝流程實際情況，初步選定原料氣進口壓力，膨脹壓縮機增壓端出口壓力、膨脹壓縮機增壓端出口溫度和低溫吸收塔塔頂壓力 4個參數(shù)進行參數(shù)敏感性分析，分析各參數(shù)對 C3的影響程度以獲得對 C3回收率影響最顯著的運行參數(shù)，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

4.2.1 原料氣進口壓力敏感性分析

在裝置其他操作條件不變的情況下，以原料氣進口壓力為變量，以 0.1MPa 為初始值，以 0.1MPa為步長改變增壓端出口壓力。模擬計算了進口壓力在 0.1～0.5 MPa 范圍內變化時，對 C3收率和外輸氣增壓能耗的影響，如圖2所示。

圖2 原料氣進口壓力敏感性分析關系曲線Fig.2 The sensitivity analysis curve of raw material gas inletpressure

由圖可知，隨著原料氣進口壓力的增大，C3回收率逐漸增大而外輸氣增壓能耗不斷降低。但是C3回收率 從 0.1MPa 到 0.5 MPa 增 幅 很小 ， 只有0.004%，這主要因為在本工藝流程中膨脹壓縮機的增壓端出口壓力基本固定，變化幅度不大，所以對后期的輕烴回收處理的影響很小，可以忽略不計；外輸氣增壓能耗下降幅度由大變小，0.4～0.5 MPa 之間變化幅度較小，可以認為當原料氣進口壓力超過0.5 MPa 時，增加原料氣進口壓力對降低外輸氣增壓能耗沒有顯著影響。因此，原料氣進口壓力對C3收率影響微乎其微，且只有在很小的范圍內對降低外輸氣增壓能耗有顯著作用，故不作為優(yōu)化變量。

4.2.2 膨脹壓縮機增壓端出口壓力敏感性分析

在裝置其他操作條件不變的情況下，以膨脹壓縮機增壓端出口壓力為變量，以 4.0 MPa 為初始值，以 0.05 MPa 為步長改變增壓端出口壓力。模擬計算了出口壓力在 4～4.4MPa 范圍內變化時，對低溫吸收塔塔底液烴中 C3含量和脫乙烷塔塔底凝液中 C3含量的影響，變化曲線如圖3所示。

圖3 增壓端出口壓力與兩塔中C3含量關系曲線Fig.3 Relationship betweenpressure of supercharger and C3content in the two tower

由圖3可以看出，隨著增壓端出口壓力的增加，低溫吸收塔塔底液烴中 C3含量和脫乙烷塔塔底凝液中 C3含量均逐漸增加，變化趨勢是一致的，但當壓力增加到 4.3 MPa 后，低溫吸收塔塔底液烴中 C3含量開始減少，因此膨脹壓縮機增壓端出口壓力不能超過 4.3 MPa；隨著增壓端出口壓力的增加，脫乙烷塔進料溫度降低，塔頂溫度降低，C3回收率增加，塔底重沸器負荷也隨之增加。

通過上述對膨脹壓縮機增壓端出口壓力參數(shù)變化分析可知，增壓端壓力不得超過 4.3 MPa，對 C3收率影響也不是很大?？紤]到增壓范圍較小，不推薦膨脹機增壓端增壓，因此不建議此參數(shù)作為優(yōu)化變量。

4.2.3 膨脹壓縮機增壓端出口溫度敏感性分析

在裝置其他操作條件不變的情況下，以膨脹壓縮機增壓端出口溫度為變量，以 55 ℃為初始值，以 5 ℃為步長改變增壓端出口溫度，溫度變化范圍在 55～80 ℃之間，通過模擬計算，得出 C3收率和脫乙烷塔塔底重沸器能耗隨出口溫度變化的規(guī)律，如圖4所示。

圖4 增壓端出口溫度敏感性分析關系曲線Fig.4 The sensitivity analysis curve of the outlet temperature of supercharger

由圖可知，隨著膨脹壓縮機增壓端出口溫度的增大，C3回收率不斷降低，從 55～80 ℃，由 90.81%降到了 87.02%，降幅為 4.2%；隨著膨脹壓縮機增壓端出口溫度的增大，脫乙烷塔塔底重沸器能耗也在逐漸降低。因此，出口溫度對 C3回收率及脫乙烷塔塔底重沸器能耗的影響很明顯，可以考慮作為優(yōu)化變量。

4.2.4 低溫吸收塔塔頂壓力敏感性分析

保持低溫吸收塔塔底壓力 1.4 MPa 不變，以低溫吸收塔塔頂壓力為變量，以 1.3 MPa 為初始值，以 0.01MPa 為步長改變增壓端出口壓力。模擬計算了塔頂壓力在 1.3～1.39 MPa 范圍內變化時，對低溫吸收塔塔底液烴中 C3含量和脫乙烷塔塔底重沸器能耗的影響，如圖5所示。

圖5 低溫吸收塔塔頂壓力敏感性分析關系曲線Fig.5 The sensitivity analysis curve of the tower toppressure in low temperature absorber

由圖5可知，隨著塔頂壓力的降低，低溫吸收塔塔頂溫度降低，使得塔底液烴中 C3含量增加，但增加幅度不是很明顯；隨著低溫吸收塔塔頂壓力的降低，低溫吸收塔溫度隨之降低，故脫乙烷塔塔底重沸器單位能耗逐漸增加，同樣增幅不很明顯，故不考慮作為優(yōu)化變量。

4.3 優(yōu)化結果與評價

從根據(jù)上述敏感性分析可知，膨脹機壓縮端出口溫度為最佳優(yōu)化變量，改變膨脹機壓縮端出口溫度可使優(yōu)化目標向最優(yōu)的方向變化。在膨脹機壓縮端現(xiàn)出口溫度為 66.99 ℃上下范圍內各取 3 點，步長為 2 ℃，對工藝流程進行模擬優(yōu)化，模擬結果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化計算結果Fig.6 The results of optimized calculation

由圖可知，隨著出口溫度的降低，C3回收率逐漸增大，而 Opt值先減小后增大，可以看出優(yōu)化目標存在最小值，即在膨脹機壓縮端出口溫度為 64℃時，此時 C3回收率為 93.57%，與優(yōu)化前的 91.64%相比提高了 2.11%。所以，建議對改造后工藝流程運行參數(shù)進行調整，即將膨脹機壓縮端出口溫度由原來 66.99 ℃下調為 64 ℃，此時 C3回收率增大且Opt 取得最小值，在節(jié)能減排的同時可以取得最大化經(jīng)濟效益。

5 結 論

利用 HYSYS 軟件對天然氣處理工藝流程進行了模擬和優(yōu)化，結果表明對天然氣處理裝置進行改造是有必要的，通過改造優(yōu)化，建立數(shù)學優(yōu)化模型并對主要工藝參數(shù)進行敏感性分析和優(yōu)化，解決了輕烴回收率低的問題，保證了產品質量和裝置的正常運行，實現(xiàn)了節(jié)能減排和經(jīng)濟效益最大化的目標。同時，為舊天然氣處理廠的改造優(yōu)化提供了一種可行發(fā)研究方法。

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Study on Optimization and Modification of Natural Gas Treatmentprocess

ZHANG Xin-ce1, WANG Xi-guo2, LAO Wei3
（1. College ofpipeline and Civil Engineering, China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266555，China；2. Shengli Oilfield Oil and Gas Gathering and Transportation General Factory, Shandong Dongying 257000，China; 3. Shengli Oilfield Luming Oil and Gas Exploration and Development Co., Ltd., Shandong Dongying 257000，China）

In order to improve the recovery rate of light hydrocarbon and achieve the goal of energy saving and economic benefit maximization, the model of natural gasprocessing technology was established to carry out the feasibility study and optimization analysis of the natural gas treatmentprocess by using HYSYS simulation software. The research result shows that the simulation research based on HYSYS software has a certain accuracy and reliability. After the modification, thepropane yield can be increased by 25.07% and the yield of C3+can be also increased, which shows that the transformation scheme is feasible. Through the establishment of mathematical model, the mainprocessparameters were optimized. After the optimization, the expander outlet temperature can decrease from 66.99 ℃ to 64℃, the recovery rate of C3can increase and Opt can obtain the minimum value, the maximization of economic benefits can be achieved. In addition, this study has certain guiding significance for the transformation and optimization of the old natural gasprocessingplants in China.

Light hydrocarbon recovery; Optimization analysis; Mathematical model;processparameters

TE 645

： A

： 1671-0460（2017）02-0342-05

2016-09-30

張新策（1992-），男，山東省濟南市人，碩士研究生，2014 年畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣儲運工程。E-mail：zxcqgch@163.com。