基于響應(yīng)面法的凝析氣凈化裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

熊明林 楊穎 汪昊 游書婷 宋冬寒

【摘? 要】?jī)?yōu)化凝析油凈化裝置工藝參數(shù)，提升凝析油產(chǎn)量對(duì)企業(yè)降本增效具有重要意義。論文針對(duì)蘇里格某天然氣凈化廠一凝析氣凈化工藝流程，采用HYSYS軟件系統(tǒng)探討了丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度，原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量及脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量的影響。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)篩選了對(duì)反應(yīng)影響較大的因素水平進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。結(jié)果表明，原料氣中C6+含量對(duì)凝析油產(chǎn)量影響最大，脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量影響最小，推薦了在計(jì)算工況下的最佳工藝運(yùn)行條件為：丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度為0.013℃，原料氣C6+含量為0.3%，原料氣nC5H12含量為0.2%，原料氣iC5H12含量為0.199%，為現(xiàn)場(chǎng)凝析油凈化裝置的高效運(yùn)行提供了理論指導(dǎo)。

【Abstract】It is of great significance to optimize the process parameters of condensate oil purification device and improve the output of condensate oil for enterprises to reduce cost and increase benefits. Based on the condensate gas purification process of a natural gas purification plant in Sulige， the paper uses the HYSYS software system to discuss the influence of the outlet temperature of the propane evaporation refrigeration unit， the content of C6+， nC5H12， iC5H12 in the feed gas and the inlet pressure of the dehydration and dehydrocarbon unit on the output of condensate oil. Through single factor experiments， the paper screened the factor level that has a greater influence on the response and optimized it with response surface. The results show that the content of C6+ in feed gas has the greatest influence on the condensate oil production， and the inlet pressure of dehydration and dehydrocarbon unit has the least influence on the condensate oil production. The paper recommends the optimal operation conditions under the calculation conditions as follows： the outlet temperature of propane evaporation refrigeration unit is 0.013℃， the content of C6+ in feed gas is 0.3%， the content of nC5H12 in feed gas is 0.2%， and the content of iC5H12 in feed gas is 0.199%. This paper provides theoretical guidance for the efficient operation of on-site condensate oil purification device.

【關(guān)鍵詞】凝析油;工藝模型;單因素分析;響應(yīng)面法

【Keywords】condensate oil; process model; single factor analysis; response surface method

【中圖分類號(hào)】TE644? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）09-0191-03

1 引言

凝析油是指從凝析氣田或者油田伴生氣中析出的液相組分，是化工行業(yè)重要原材料之一。然而，凝析油的析出條件受多種因素影響，不同條件下凝析油收率波動(dòng)較大，甚至出現(xiàn)凝析油流失的情況，為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失[1，2]。通過(guò)優(yōu)化凈化裝置的運(yùn)行參數(shù)提升凝析油收率，不僅具有可行性，對(duì)企業(yè)降本增效也具有重要意義。目前，常見(jiàn)的優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的方法有響應(yīng)面法、量子遺傳算法、蟻群算法等。其中，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的響應(yīng)面法具有高效準(zhǔn)確，且能具有多目標(biāo)優(yōu)化的特點(diǎn)[3]。

由此，本論文以蘇里格某天然氣凈化廠一凝析氣凈化裝置為研究對(duì)象，通過(guò)建立基于現(xiàn)場(chǎng)工藝的HYSYS模型，深入探討丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量的影響。在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)凈化裝置的工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得最佳的運(yùn)行條件，為凝析油凈化裝置的高效運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

2 模型建立及驗(yàn)證

基于現(xiàn)場(chǎng)工藝流程以及運(yùn)行參數(shù)建立工藝計(jì)算模型（見(jiàn)圖1）。開(kāi)展模型驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，工藝模型計(jì)算誤差最大為3.6%（3月和7月），最小誤差為1.9%（6月），模型誤差均在5%以內(nèi)，貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況。

3 結(jié)果分析

3.1 影響因素分析

基于建立的工藝計(jì)算模型，選取現(xiàn)場(chǎng)典型運(yùn)行工況（進(jìn)氣量1.12×107m3/d，進(jìn)氣溫度11.58℃，進(jìn)氣壓力2.09MPa），研究丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進(jìn)口壓力等對(duì)凝析油產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，凝析油產(chǎn)量隨著丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度降低而升高。在5℃時(shí)，凝析油的產(chǎn)量約為600m3/月;當(dāng)溫度降低到-18℃時(shí)，凝析油收率增加了近3倍，達(dá)到了1800m3/月。但制冷溫度越低，設(shè)備功耗也將增大。因此，需要以凝析油收率為目標(biāo)，綜合考慮其他因素的影響，確定裝置凈化溫度，以保證經(jīng)濟(jì)效益最大化。凝析油產(chǎn)量隨著原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量的增加而增加，且近似線性關(guān)系。但值得注意的是，不同原料氣成分對(duì)凝析油產(chǎn)量的影響程度存在差異。其中，原料氣中C6+含量每增加0.1%，產(chǎn)量提升約2500m3/月，遠(yuǎn)超nC5H12與iC5H12，影響最為顯著。進(jìn)一步探究脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，凝析油產(chǎn)量隨著進(jìn)口壓力的增大，呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在0.4MPa時(shí)為最優(yōu)點(diǎn)。但就影響程度而言，在丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進(jìn)口壓力這4個(gè)因素中，脫水脫烴單元進(jìn)口壓力的影響最小，在計(jì)算工況下，凝析油最大產(chǎn)量與最小產(chǎn)量之間相差不足5m3/月。

3.2 響應(yīng)面法結(jié)果分析

3.2.1 響應(yīng)面法結(jié)果

上文詳細(xì)探討了丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣組成及脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油回收量的影響，結(jié)果表明丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量對(duì)凝析油產(chǎn)量影響較大，脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量影響較小。但對(duì)影響因素的分析旨在為最佳運(yùn)行參數(shù)的確定服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。為此，本節(jié)基于響應(yīng)面法，研究丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣氣質(zhì)組成等對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期獲得不同工況下的最佳工藝參數(shù)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素及編碼水平如表2所示。由于脫水脫烴單元進(jìn)口壓力對(duì)凝析油產(chǎn)量影響不大，故在此不作討論，僅分析前4種參數(shù)交互作用。通過(guò)輸入設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)以及水平，規(guī)定經(jīng)濟(jì)效益為響應(yīng)值，生成共計(jì)29組試驗(yàn)方案。其中，經(jīng)濟(jì)效益=凝析油產(chǎn)量×凝析油價(jià)格-設(shè)備功耗×電價(jià)，凝析油價(jià)格以每桶45美元計(jì)算（據(jù)以2019年國(guó)際平均原油價(jià)格作為測(cè)算依據(jù)），電價(jià)以0.75元/度計(jì)算（以工業(yè)用戶電價(jià)作為計(jì)算基準(zhǔn)）?；贖YSYS凈化工藝模型（見(jiàn)圖1）進(jìn)行模擬計(jì)算，得出各組試驗(yàn)方案的響應(yīng)值。

采用Quadratic（二次方程）模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到回歸模型如下：

Y（x1，x2，x3，x4）=126000-22667.59x1+123200x2+8975x3+2458.21x4-3699.59x1x2-2054.94x1x3-1756.6x1x4+13109.23x2x3+10214.09x2x4-5301.28x3x4+1599.06x12-7054.12x22-2459.71x32-2326.19x42

開(kāi)展回歸模型的適應(yīng)性分析，結(jié)果如圖2～圖4所示。從圖中可以看出，殘差點(diǎn)都靠近正太分布直線，滿足正太分布要求[4]。分析試驗(yàn)次序與殘差關(guān)系發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化殘差主要落在（-2，2）區(qū)間以內(nèi)，有兩個(gè)點(diǎn)雖有偏離，但Cook距離小于0.5，均非異常點(diǎn)，因此，模型合理[5]。進(jìn)一步對(duì)比試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間誤差<0.9%，表明回歸模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高[6]。

進(jìn)一步對(duì)擬合模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，該模型F=353.91，P=0.0048，P值小于0.0001，差異顯著。方差分析發(fā)現(xiàn)：F=2.010×105，P值小于0.0001，表明回歸模型失擬不顯著[7]。R2=0.9950，表明經(jīng)濟(jì)效益真實(shí)值與預(yù)測(cè)值接近。同時(shí)，F(xiàn)值代表了各因素對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響程度，F(xiàn)值越大，影響越強(qiáng)。由此可以得出各因素影響程度大小的順序?yàn)椋涸蠚庵蠧6+含量>丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度>原料氣中nC5H12含量>原料氣中iC5H12含量，其中原料氣中C6+和丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響最大，其P值均小于0.0001。

3.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化及驗(yàn)證

基于上述研究結(jié)果，考慮影響凝析油產(chǎn)量的多種因素，開(kāi)展凝析油凈化工藝經(jīng)濟(jì)性分析。在Design Expert軟件中Optimization模塊設(shè)定操作參數(shù)，取值范圍參照表4，得到經(jīng)濟(jì)效益最大化條件下的優(yōu)化參數(shù)（見(jiàn)圖5）。選擇前五組試驗(yàn)組合條件，通過(guò)工藝模型（見(jiàn)圖1）模擬出相應(yīng)的凝析油產(chǎn)量及設(shè)備功耗，得到經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算值，從而與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)值進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

由表4可以得出，5組經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算值均貼合預(yù)測(cè)值，且試驗(yàn)組合1經(jīng)濟(jì)效益最高，故推薦選擇預(yù)測(cè)試驗(yàn)組合1，即丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度為0.013℃，原料氣C6+含量為0.3%，原料氣nC5H12含量為0.2%，原料氣iC5H12含量為0.199%。該條件下凈化裝置總體經(jīng)濟(jì)效益為296835.246元，較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益274086元（月平均收益）提升8.3%。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程，采用工藝模擬的方法研究了丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣C6+、nC5H12、iC5H12含量等參數(shù)對(duì)回收工藝的影響，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化了凝析油凈化裝置的運(yùn)行參數(shù)，獲得了以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：①丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度、原料氣中C6+含量、原料氣中nC5H12含量以及原料氣中iC5H12含量對(duì)凝析油產(chǎn)量影響較大，脫水脫烴單元進(jìn)口壓力的影響最小。其中，各影響因素的影響程度排序?yàn)椋涸蠚庵蠧6+含量>丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度>原料氣中nC5H12含量>原料氣中iC5H12含量>脫水脫烴單元進(jìn)口壓力。②通過(guò)分析多因素的交互影響得出，x2x3（原料氣C6+含量和原料氣nC5H12含量）對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響極顯著，x2x4（原料氣C6+含量和原料氣iC5H12含量）影響差異性顯著。③在計(jì)算工況下最佳運(yùn)行條件為：丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度0.013℃，原料氣C6+含量0.3%，原料氣nC5H12含量0.2%，原料氣iC5H12含量0.199%。

經(jīng)優(yōu)化后，預(yù)計(jì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)296835.246元，較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益提升8.3%，對(duì)企業(yè)天然氣凈化廠中凝析氣凈化裝置增效起到重要的指導(dǎo)意義。

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