天然氣處理工藝流程優(yōu)化研究

劉勝國

上海石油天然氣有限公司（上海 200041）

技術(shù)進步

天然氣處理工藝流程優(yōu)化研究

劉勝國

上海石油天然氣有限公司（上海 200041）

通過引入HYSYS工藝流程模擬系統(tǒng)軟件，對天然氣處理廠一期和二期工程兩套生產(chǎn)裝置的工藝流程建立模型，并應用流程模型對各生產(chǎn)單元進行了系統(tǒng)生產(chǎn)優(yōu)化分析，完成了天然氣處理廠兩套裝置流程模型的現(xiàn)場工藝標定，同時對一期生產(chǎn)裝置系統(tǒng)工藝調(diào)優(yōu)進行現(xiàn)場驗證，確認了裝置流程模型和工藝優(yōu)化分析研究結(jié)果和趨勢的正確性，進一步加深了對裝置和工藝流程的認識，該優(yōu)化方案可提高裝置操作水平，確保天然氣副產(chǎn)品增量的提高。

天然氣 工藝流程 模型 標定 工藝調(diào)優(yōu)

0 引言

天然氣處理廠的原料氣來自我國東海平湖油氣田，原料氣經(jīng)海陸長輸管線輸送至處理廠，經(jīng)生產(chǎn)裝置處理除去水分、雜質(zhì)并分離出C3以上的烴類物質(zhì)，制成的合格干氣外供上海市城市燃氣管網(wǎng)。

天然氣處理廠一期和二期生產(chǎn)裝置分別于1999年和2003年建成投產(chǎn)，向上海市安全平穩(wěn)、連續(xù)正常供氣至今。為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)，減少、消除生產(chǎn)系統(tǒng)和裝置的瓶頸，完善、提高裝置操作性能和控制水平，確保向城市優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定供燃氣的同時，最優(yōu)化地分離、回收輕烴組分，實現(xiàn)挖潛增產(chǎn)、節(jié)能降耗、增效創(chuàng)收，天然氣處理廠引入了HYSYS工藝流程模擬系統(tǒng)軟件，對天然氣處理工藝流程開展了優(yōu)化研究工作。

1 天然氣處理工藝原理及流程

天然氣的成分組成主要為甲烷(含量大于70%)，其余是乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷和水分以及其它雜質(zhì)等。

天然氣處理廠的天然氣處理技術(shù)采用的是深冷分離法，工藝原理是：通過膨脹機等熵絕熱膨脹制冷和丙烷輔助制冷工藝獲得冷凝分離需要的冷量，逐級低溫冷卻天然氣，利用天然氣中各組分冷凝溫度的差異，使所含的輕烴組分依次冷凝析出與氣體分離，合格干氣外輸作為城市燃氣，冷凝析出的輕烴組分，利用液相輕烴混合物中各組分的沸點(即揮發(fā)度)差異，通過分餾進一步分離細分液相輕烴組分，得到LPG（丙烷丁烷混合物）、戊烷和穩(wěn)定輕烴等天然氣副產(chǎn)品。天然氣處理廠由一期和二期兩套并行生產(chǎn)裝置組成，兩套生產(chǎn)裝置工藝流程基本相同，工藝流程示意圖見圖1。

原料氣通過來氣收球和段塞流捕集器單元進行氣液分離，分離出的液相送入凝液穩(wěn)定單元，氣相送入分子篩脫水單元進行過濾和脫水，輸往膨脹制冷單元（深冷分離單元），分離出冷凝液后的低溫氣體進入脫甲烷塔進行脫甲烷分餾，從脫甲烷塔塔頂引出的低溫氣體先后經(jīng)與脫乙烷塔塔頂氣和冷箱中的高溫來氣換熱升溫，并經(jīng)提壓、升溫制成合格干氣外輸上海城市燃氣管網(wǎng)；所有的液相輕烴都歸入輕烴分餾單元處理，從脫甲烷塔塔底分離得到的液相輕烴進入脫乙烷塔進行脫乙烷分餾，分餾所得塔頂氣，經(jīng)脫乙烷塔塔頂?shù)谋檎舭l(fā)冷凝器冷卻后，返回脫甲烷塔，脫乙烷塔塔底的液相輕烴與來自凝液穩(wěn)定單元的輕烴一起進入脫丁烷塔分餾，塔頂餾出氣相冷凝后部分作為脫丁烷塔塔頂回流，部分進一步冷卻作為LPG產(chǎn)品，脫丁烷塔塔底的液相輕烴進入脫戊烷塔分餾，塔頂餾出氣相冷凝后部分作為脫戊烷塔塔頂回流，部分進一步冷卻作為戊烷產(chǎn)品，脫戊烷塔塔底的液相冷卻后作為穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品。

整個流程裝置散熱大部分采用空冷方式進行，裝置中各分餾塔塔底再沸器和各加熱器所需熱量通過熱油系統(tǒng)的熱媒油供熱，流程所需冷量則由天然氣膨脹機膨脹制冷和丙烷輔助制冷提供。

2 生產(chǎn)工藝流程模型建模

采用HYSYS工藝流程模擬軟件，天然氣處理廠生產(chǎn)工藝流程建模所涉及的核心裝置設備，包括冷箱、膨脹壓縮機組、低溫分離器、脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丁烷塔、脫戊烷塔和丙烷制冷系統(tǒng)等，這些核心裝置設備的模型模擬是建立天然氣處理廠生產(chǎn)裝置流程模型和開展生產(chǎn)優(yōu)化研究的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

熱力學方法：工藝流程建模過程選用Peng-Robison狀態(tài)方程來參與相關(guān)物性與熱力學計算。

物流：充分收集物流計算所需要的信息，包括物流溫度、壓力、流量和物性組成等。

單元模型庫：HYSYS單元模型庫用于模擬生產(chǎn)裝置系統(tǒng)的各單元設備。

子流程：在天然氣處理廠工藝建模過程中，丙烷輔助制冷單元和脫丁烷單元與脫戊烷單元組成的天然氣液相副產(chǎn)品處理系統(tǒng)等，都是以子流程的形式出現(xiàn)在全廠裝置主流程上的。

通過相關(guān)工作的開展，采用HYSYS工藝流程模擬軟件，建立了一期和二期生產(chǎn)裝置設備模型及工藝流程模型。

3 模型工藝標定和調(diào)整

天然氣處理廠一期裝置流程模型現(xiàn)場工藝標定計算結(jié)果表明：

（1）從工藝角度出發(fā)，天然氣處理廠一期生產(chǎn)裝置流程模型已經(jīng)能與裝置各主要工藝操作參數(shù)和操作條件基本吻合。

（2）工藝標定計算當日天然氣處理廠一期生產(chǎn)裝置接收平臺海上天然氣1.62×106m3/d、外供氣1.51×106m3/d，超出1.30×106m3/d的設計正常處理能力25%，整個生產(chǎn)工藝流程基本處于極限工況條件滿負荷、甚至超負荷狀態(tài)運行。

（3）工藝標定確認一期裝置運行性能指標分別為：膨脹機效率83%(等熵)，C3收率84.25%(進冷箱)、C3收率82.46%(總進料)，冷箱冷損1.9%，冷箱UA（換熱量）210000W/℃，熱油系統(tǒng)工作效率93%。

（4）工藝標定時，熱油系統(tǒng)整體運行性能良好，兩臺熱油爐同時工作實際熱負荷3757kW，小于熱油爐系統(tǒng)設計負荷3954kW，工作效率93%，能完全滿足系統(tǒng)3723.45kW工藝熱負荷的需要。

（5）分子篩系統(tǒng)啟動時，裝置需要熱油系統(tǒng)實際供給工藝熱負荷將提升至4043.45kW，超出熱油系統(tǒng)設計工作負荷，欠量達7.6%，熱油系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)相應需要。

（6）工藝流程操作不當時，如冷分離器PV-261接近-40℃操作、冷箱B股物流旁路、脫甲烷塔塔底再沸器HE-262運行，部分裝置設備熱負荷會猛然增加，使得裝置系統(tǒng)總的工藝用熱不足更趨嚴重，考慮分子篩系統(tǒng)運行時，整個裝置系統(tǒng)需要負載的工藝用熱量也將增大至4386kW左右，熱油系統(tǒng)工作負荷缺量將高達16.7%。實際生產(chǎn)若遭遇這種情況，裝置流程操作將陷入紊亂和不穩(wěn)定狀態(tài)。

（7）總體而言，熱油爐系統(tǒng)設計的總的供熱能力偏小，是進一步提高系統(tǒng)C3收率時的裝置瓶頸因素之一。

（8）冷箱UA值偏低，結(jié)垢熱阻高出正常值11倍，嚴重影響冷箱換熱效率，造成了系統(tǒng)能量的內(nèi)耗，已獲得現(xiàn)場確認。

（9）通過冷箱前過濾器后的天然氣壓降偏大，初步判斷為過濾器堵塞與換熱器結(jié)垢所致，已獲得現(xiàn)場證實并及時加以解決。

天然氣處理廠二期裝置流程模型現(xiàn)場工藝標定計算結(jié)果表明：

（1）從工藝角度出發(fā)，天然氣處理廠二期生產(chǎn)裝置流程模型已經(jīng)能與裝置各主要工藝操作參數(shù)和操作條件基本吻合。

（2）工藝標定計算當日天然氣處理廠二期生產(chǎn)裝置接收平臺海上天然氣1.625×106m3/d、外供氣1.516×106m3/d，超出1.30×106m3/d的設計正常處理能力接近25%，整個生產(chǎn)工藝流程基本處于極限工況條件滿負荷、甚至超負荷狀態(tài)運行。

（3）工藝標定確認二期裝置運行性能指標分別為：膨脹機效率86%(等熵)，C3收率85.42%(進冷箱)、C3收率83.19%(總進料)，冷箱冷損1.0%，冷箱UA580000W/℃。

（4）熱油系統(tǒng)負荷充足，是一期熱油系統(tǒng)工作負荷能力的1.5倍。

（5）冷箱各流道結(jié)垢熱阻小、冷損小、換熱效率高。

（6）由于天然氣處理廠二期裝置實際投運不久，裝置性能總體上比一期裝置好。

4 系統(tǒng)優(yōu)化和分析

4.1 關(guān)鍵變量對系統(tǒng)的影響研究

為了較全面地了解一期生產(chǎn)裝置中主要設備的關(guān)鍵工藝操作參數(shù)和變量變化對于生產(chǎn)系統(tǒng)的影響和作用，依據(jù)標定后的生產(chǎn)工藝模型，開展了相關(guān)工藝操作參數(shù)和變量條件變化對生產(chǎn)系統(tǒng)影響的研究。

4.1.1 脫乙烷塔塔頂冷凝器溫度

系統(tǒng)分析確認，脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度是影響、調(diào)節(jié)整個天然氣生產(chǎn)流程系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝操作參數(shù)之一，也是進行生產(chǎn)系統(tǒng)工藝調(diào)優(yōu)分析工作可供選擇的僅有的兩個可調(diào)優(yōu)變量之一。研究設定進出冷箱的B股物流的出口溫度為2℃，并關(guān)停HE-262，使得B股物流返回脫甲烷塔的溫度同樣為2℃，通過工藝流程模型，調(diào)整脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度，在-2℃～14℃之間的大范圍變化、操作，確認了脫乙烷塔塔頂冷凝器溫度變化對整個系統(tǒng)生產(chǎn)操作的影響。

模擬結(jié)果由圖2、圖3所示。

脫乙烷塔塔頂冷凝器的操作溫度變化，有對應其進廠組分原料氣最佳的操作值或操作區(qū)間，如脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度變化的拐點值——10℃。對于當前設定的裝置實際生產(chǎn)工藝條件和原料來氣，系統(tǒng)分析得出的脫乙烷塔塔頂冷凝器的最佳操作溫度值為10℃。

4.1.2 冷箱B股物流出口溫度

冷箱B股物流出口溫度也是系統(tǒng)所確認的影響、調(diào)節(jié)天然氣生產(chǎn)流程的關(guān)鍵工藝操作參數(shù)和進行生產(chǎn)系統(tǒng)工藝調(diào)優(yōu)分析的可調(diào)優(yōu)變量。

研究設定脫乙烷塔塔頂冷凝器的操作溫度為10℃，同樣關(guān)停HE-262，確保冷箱B股物流返回脫甲烷塔的溫度為2℃，通過工藝流程模型，調(diào)整冷箱B股物流的出口溫度，在-2℃～8℃之間的范圍變化、操作，確認了冷箱B股物流的出口溫度變化對整個系統(tǒng)生產(chǎn)操作的影響。

模擬結(jié)果由圖4、圖5所示。

在設定了脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度為10℃、關(guān)停HE-262、確保冷箱B股物流返回脫甲烷塔溫度為2℃的前提條件下，在-2℃～8℃之間的范圍內(nèi)逐漸改變冷箱B股物流的出口溫度，冷箱C股物流的出口溫度將隨著冷箱B股物流出口溫度的升高而降低。

因此，冷箱實際操作時，應密切關(guān)注并控制冷箱B股物流的出口溫度，不能過高，否則不僅不能充分回收和利用外輸干氣——冷箱C股物流的冷量，還會導致裝置C3系統(tǒng)收率的降低。

4.1.3 開啟HE-262換熱器對冷箱B股物流出口溫度的影響

由圖6可知，讓冷箱B股物流通過HE-262加熱后再循環(huán)返回脫甲烷塔塔底，將提高脫甲烷塔的操作溫度，強化脫甲烷塔的分餾分離效果，使得更多的C3組分閃蒸進入氣相，導致裝置的C3系統(tǒng)收率下降。

研究分析確認，在實際生產(chǎn)操作中，必須關(guān)停HE-262，以降低系統(tǒng)能耗、消除熱油系統(tǒng)負荷不足等瓶頸，同時降低脫甲烷塔側(cè)線循環(huán)系統(tǒng)壓降，為進一步提高裝置C3系統(tǒng)收率提供可能。

從優(yōu)化后得到的裝置生產(chǎn)效益逼近/趨近系統(tǒng)最優(yōu)的裝置流程生產(chǎn)操作曲線圖上可以知道，在不對現(xiàn)有裝置流程進行改動、而只對裝置生產(chǎn)工藝操作參數(shù)和生產(chǎn)工況進行優(yōu)化調(diào)整的條件下，天然氣處理廠一期生產(chǎn)裝置兩個關(guān)鍵的工藝操作控制變量和控制參數(shù)優(yōu)化操作建議值分別為：脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度為10℃、冷箱B股物流出口溫度為2℃。

4.2 一期、二期兩套生產(chǎn)裝置共用一套液相產(chǎn)品處理流程優(yōu)化研究

根據(jù)現(xiàn)有裝置條件和生產(chǎn)要求可知，在天然氣處理廠的全部液相產(chǎn)品中，由于LPG產(chǎn)品質(zhì)量要求相對較高，且其產(chǎn)量遠大于戊烷和穩(wěn)定輕烴的產(chǎn)量，所以LPG的產(chǎn)品分離塔——脫丁烷塔PV-310可能會構(gòu)成兩套裝置并用液相產(chǎn)品處理流程改造的設備瓶頸。

利用建成的天然氣處理廠生產(chǎn)工藝流程模型，對天然氣處理廠現(xiàn)有生產(chǎn)裝置關(guān)于天然氣處理量在8.0×105～2.72×106m3/d區(qū)間變化時的相應工藝狀況變化進行了初步分析。

計算結(jié)果表明，在目前的進料物流組分條件下，一期和二期兩套裝置每套的脫丁烷塔各自的最大處理能力可以達到處理2.72×106m3/d氣量的液體產(chǎn)品水平，即使在最大處理氣量位，脫丁烷塔的泛點指數(shù)僅為80%、降液管液層高度僅45%，可見脫丁烷塔并不是構(gòu)成液相副產(chǎn)品流程合并處理的限制瓶頸。

初步分析確認，從流程上看，在脫乙烷塔后，合并天然氣處理廠一期、二期兩套生產(chǎn)裝置后續(xù)液體產(chǎn)品處理流程，形成兩套生產(chǎn)裝置共用一套且互為備份的液相產(chǎn)品處理流程的生產(chǎn)工藝方案可行，該生產(chǎn)工藝優(yōu)化方案將較大地提高天然氣處理的生產(chǎn)操作流程和裝置效益。

(1)由于外出非農(nóng)就業(yè)的勞動力，尤其是占比最大的男性勞動力在農(nóng)地轉(zhuǎn)出之前就已經(jīng)進行了非農(nóng)遷移，而農(nóng)地轉(zhuǎn)出之后所釋放的家庭勞動力(絕大部分為女性勞動力)更加傾向于本地非農(nóng)就業(yè)，從而使得農(nóng)地轉(zhuǎn)出對家庭全體成員和男女成員各自的非農(nóng)就業(yè)時間均有顯著正向影響。(2)但在細分就業(yè)區(qū)域之后，農(nóng)地轉(zhuǎn)出的作用呈現(xiàn)出了顯著的異質(zhì)性，農(nóng)地轉(zhuǎn)出依舊會顯著正向影響農(nóng)戶全員及男女成員各自的本地非農(nóng)就業(yè)時間，但對農(nóng)戶全體成員及男女成員各自的外出非農(nóng)就業(yè)勞均時間的影響則均未通過顯著性檢驗。

5 現(xiàn)場優(yōu)化驗證試驗

為了驗證裝置流程模型系統(tǒng)優(yōu)化分析研究結(jié)果的正確性，在現(xiàn)場針對一期生產(chǎn)裝置進行現(xiàn)場裝置系統(tǒng)優(yōu)化驗證試驗。

5.1 模型與現(xiàn)場生產(chǎn)裝置工藝比對

采用一期生產(chǎn)裝置工藝流程模型與進入平穩(wěn)運行狀態(tài)的一期生產(chǎn)裝置進行了工藝比對,將當前已進入平穩(wěn)運行狀態(tài)的裝置生產(chǎn)工況下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，輸入已經(jīng)完成工藝標定的流程模型，在當前生產(chǎn)條件下運行和擬合模型。

模型計算發(fā)現(xiàn)，同模型工藝標定時的工況狀態(tài)相比，冷箱換熱能力增加近1倍，冷箱換熱效果大大地改善了，冷箱UA值必須由210000W/℃增大為380000W/℃才能與實際流程工況狀態(tài)匹配。

現(xiàn)場人員確認，在完成流程模型的工藝標定工作后進行的生產(chǎn)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)冷箱前的進料過濾器濾網(wǎng)之前被反裝，從而導致通過過濾器的壓降偏大，經(jīng)過更換冷箱進料過濾器和清洗檢修冷箱，證實冷箱進料過濾器壓降恢復正常、冷箱換熱效果得到明顯提高。據(jù)此，認可模型存在的冷箱UA值差異，并修正模型冷箱UA值為清洗冷箱后的380000 W/℃。模型計算的其他主要工藝參數(shù)與實際生產(chǎn)裝置采樣數(shù)據(jù)基本無差別,修正后的模型運算結(jié)果與生產(chǎn)工況基本吻合，可用于指導現(xiàn)場工藝調(diào)優(yōu)試驗工作的進行。

5.2 關(guān)停HE-262試驗

通過精確操作現(xiàn)有生產(chǎn)裝置流程，采用充分利用原料氣冷量、關(guān)停HE-262、丙烷輔助制冷系統(tǒng)維持最低負荷等技術(shù)手段來降低裝置系統(tǒng)能耗后，長期困擾一期生產(chǎn)裝置的熱油系統(tǒng)負荷不足問題得到了緩解。

5.3 優(yōu)化操作狀態(tài)的關(guān)鍵工藝操作參數(shù)

裝置逼近優(yōu)化操作狀態(tài)的關(guān)鍵工藝操作參數(shù)——脫乙烷塔塔頂冷凝器溫度和冷箱B股物流出口溫度分別設定和保持在10℃和2℃附近，關(guān)停HE-262，丙烷系統(tǒng)降低50%負荷、維持最低功耗，大幅度降低整個裝置系統(tǒng)能耗的同時，確保了裝置全部產(chǎn)品的質(zhì)量合格，并使裝置的系統(tǒng)C3收率在工藝調(diào)優(yōu)試驗期間（5月26～29日）有了明顯的提高。

試驗小組以5月8日至5月31日獲得的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了相關(guān)計算，結(jié)果顯示，現(xiàn)場工藝調(diào)優(yōu)試驗前，裝置的系統(tǒng)C3收率維持在平均值為87.8%左右，優(yōu)化操作后，裝置的系統(tǒng)C3收率穩(wěn)定在平均值為96.6%附近，見圖7。

現(xiàn)場工藝調(diào)優(yōu)驗證試驗結(jié)果確認，裝置工藝流程模型和系統(tǒng)優(yōu)化分析研究結(jié)果和趨勢正確，對現(xiàn)場生產(chǎn)具有一定的指導意義和參考價值。

6 總結(jié)

本研究工作通過引入HYSYS工藝流程模擬系統(tǒng)軟件，建立了天然氣處理生產(chǎn)裝置工藝流程模型，對實際生產(chǎn)裝置和實際操作過程進行了系統(tǒng)化的生產(chǎn)操作控制方案的模擬、研究和評估，系統(tǒng)分析了天然氣各生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的相互影響，確認了生產(chǎn)裝置的運行特性，確定了生產(chǎn)裝置運行的優(yōu)化狀態(tài)和操作控制參數(shù)，天然氣處理廠一期生產(chǎn)裝置兩個關(guān)鍵的工藝操作控制變量優(yōu)化值分別為：脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度為10℃，冷箱B股物流出口溫度為2℃，并關(guān)停HE-262，丙烷系統(tǒng)降低50%負荷、維持最低功耗，確認了最佳的生產(chǎn)工藝控制操作方案；初步確認合并天然氣處理廠一期、二期兩套生產(chǎn)裝置后續(xù)液體產(chǎn)品處理流程，形成兩套生產(chǎn)裝置共用一套且互為備份的液相產(chǎn)品處理流程的生產(chǎn)工藝方案可行。

天然氣處理工藝流程的優(yōu)化，降低了能源消耗，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了輕烴的收率，提升了生產(chǎn)系統(tǒng)的整體經(jīng)濟效益。

Study on Natural Gas Process Optimization

Liu Shengguo

By establishing natural gas process models, utilizing HYSYS, conducted evaluation of both phase I and phase II process models, and finished optimization of both production facilities, the actual production test further proved the correctness of the results and trends of optimization study, which strengthened the understanding of production facili－ties and process. The optimization scheme could improve the operation skills and increase the natural gas by-products.

Natural Gas; Process; Model; Calibration; Process optimization

TE624

2014年4月

劉勝國 男 1964年生 碩士 研究生 高級工程師 現(xiàn)任上海石油天然氣有限公司副總工程師 兼天然氣處理廠廠長擁有西南石油學院開發(fā)系油田化學專業(yè)學士學位、英國HERIOT-WATT大學石油工程系研究生 碩士 學位及上海交通大學工商管理碩士 學位長期從事石油天然氣研究開發(fā)、工程設計施工建設以及生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化和管理工作