克拉玛依市富城天然气有限责任公司新疆克拉玛依834000
摘要：通过改造优化，建立数学优化模型并对主要工艺参数进行敏感性分析和优化，解决了轻烃回收率低的问题，保证了产品质量和装置的正常运行，实现了节能减排和经济效益最大化的目标。同时，为旧天然气处理厂的改造优化提供了一种可行发研究方法。
关键词：轻烃回收；优化分析；数学模型；工艺参数
1.天然气处理工艺原理及流程
天然气的成分组成主要为甲烷(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杂质等。天然气处理厂的天然气处理技术采用的是深冷分离法，工艺原理是：通过膨胀机等熵绝热膨胀制冷和丙烷辅助制冷工艺获得冷凝分离需要的冷量，逐级低温冷却天然气，利用天然气中各组分冷凝温度的差异，使所含的轻烃组分依次冷凝析出与气体分离，合格干气外输作为城市燃气，冷凝析出的轻烃组分，利用液相轻烃混合物中各组分的沸点(即挥发度)差异，通过分馏进一步分离细分液相轻烃组分，得到LPG（丙烷丁烷混合物）、戊烷和稳定轻烃等天然气副产品。
2.模型的建立与验证
2.1模型的建立
采用HYSYS工艺流程模拟软件，建立天然气处理工艺流程模型。在建模之前，要首先选取合适的状态方程，这样才能保证模拟结果的准确性和可靠性。在对天然气处理工艺流程模拟中，选取PR状态方程，该方程可以精确地模拟气液相平衡，于SRK方程相比，在预测液体饱和体积时，其精度更高。根据基础数据，对现有工艺流程建模进行模拟，对照天然气处理系统实际运行参数、实际物料进行模拟计算。
2.2实测与模拟参数对比
按照装置目前运行参数，采用HYSYS对运行现状进行模拟，得到各个主要节点参数与实测参数对比表、模拟外输干气与实测外输干气组分对比表和模拟参数和实测参数下C3和C3+回收率对比表。采用HYSYS对运行现状进行模拟计算得到的主要节点参数与实测参数基本相同，模拟得到外输干气组分与实测外输干气组分基本相似，模拟得到的C3和C3+回收率与实测计算得到的C3和C3+回收率误差很小。
2.3模型工艺标定和调整
天然气处理厂一期装置流程模型现场工艺标定计算结果表明：从工艺角度出发，天然气处理厂一期生产装置流程模型已经能与装置各主要工艺操作参数和操作条件基本吻合。工艺标定确认一期装置运行性能指标分别为：膨胀机效率83%(等熵)，C3收率84.25%(进冷箱)、C3收率82.46%(总进料)，冷箱冷损1.9%，冷箱UA（换热量）210000W/℃，热油系统工作效率93%。分子筛系统启动时，装置需要热油系统实际供给工艺热负荷将提升至4043.45kW，超出热油系统设计工作负荷，欠量达7.6%，热油系统不能满足生产相应需要。
3.工艺流程改造及分析
3.1工艺流程改造
由于现有工艺流程存在C3收率低，不能满足生产需求等问题，在现有工艺流程的基础上进行了改造，将膨胀-增压机组的增压段前置，进一步增加了膨胀比，同时在脱乙烷塔前增设低温吸收塔。根据改造后的工艺流程建立HYSYS模型进行模拟计算。
3.2能耗分析
天然气处理工艺流程中，主要的能耗设备有压缩机组、冷却器、分子筛、丙烷蒸发器、膨胀-压缩机组、脱乙烷塔底重沸器、液化气塔顶冷凝器和液化气塔底重沸器等。通过HYSYS模拟计算得到主要能耗设备的能耗，模拟结果表明，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。在保证不增加过多能耗前提下，进行改造优化工艺流程后，C3+的收率大大提高，所以对天然气处理工艺进行上述改造是可行的，可提高经济效益。
3.3机组启动气气源改造
如果机组启动压力低了，将由中开站下游输气阀门来调节压力，利用关小气体出站阀门来提高压力，但效果并不明显而且耗时较长。尤其在冬季供气紧张的时候，机组启动气源压力会更低，现在启动气压力已经由0.6MPa降至0.45MPa，而机组正常启动所需压力一般在0.7MPa，这种情况严重影响增压站机组正常启动。我们细致研究后，提出了充分利用两站相邻的优势，在供燃料气管线上分接一条旁通管线，至高压气井气汇管预留头供增压站启动气用的建议。
4.系统优化和分析
4.1关键变量对系统的影响研究
为了较全面地了解一期生产装置中主要设备的关键工艺操作参数和变量变化对于生产系统的影响和作用，依据标定后的生产工艺模型，开展了相关工艺操作参数和变量条件变化对生产系统影响的研究。
4.2脱乙烷塔塔顶冷凝器温度
系统分析确认，脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度是影响、调节整个天然气生产流程系统的关键工艺操作参数之一。研究设定进出冷箱的B股物流的出口温度为2℃，并关停HE-262，使得B股物流返回脱甲烷塔的温度同样为2℃，通过工艺流程模型，调整脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度，在-2℃-14℃之间的大范围变化、操作，确认了脱乙烷塔塔顶冷凝器温度变化对整个系统生产操作的影响。
4.3敏感性分析及确定优化变量
在对工艺流程进行工艺参数优化前，需要对天然气处理工艺流程中主要参数进行敏感性分析，确定出对优化目标影响最大的运行参数。结合天然气处理工艺流程实际情况，初步选定原料气进口压力，膨胀压缩机增压端出口压力、膨胀压缩机增压端出口温度和低温吸收塔塔顶压力4个参数进行参数敏感性分析，分析各参数对C3的影响程度以获得对C3回收率影响最显著的运行参数，为工艺优化提供依据。
4.4冷箱B股物流出口温度
冷箱B股物流出口温度也是系统所确认的影响、调节天然气生产流程的关键工艺操作参数和进行生产系统工艺调优分析的可调优变量。研究设定脱乙烷塔塔顶冷凝器的操作温度为10℃，同样关停HE-262，确保冷箱B股物流返回脱甲烷塔的温度为2℃，通过工艺流程模型，调整冷箱B股物流的出口温度，在-2℃-8℃之间的范围变化、操作，确认了冷箱B股物流的出口温度变化对整个系统生产操作的影响。
4.5膨胀压缩机增压端出口温度敏感性分析
在装置其他操作条件不变的情况下，以膨胀压缩机增压端出口温度为变量，以55℃为初始值，以5℃为步长改变增压端出口温度，温度变化范围在55~80℃之间，通过模拟计算，得出C3收率和脱乙烷塔塔底重沸器能耗随出口温度变化的规律，随着膨胀压缩机增压端出口温度的增大，C3回收率不断降低，随着膨胀压缩机增压端出口温度的增大，脱乙烷塔塔底重沸器能耗也在逐渐降低。
4.6优化结果与评价
从根据上述敏感性分析可知，膨胀机压缩端出口温度为最佳优化变量，改变膨胀机压缩端出口温度可使优化目标向最优的方向变化。在膨胀机压缩端现出口温度为66.99℃上下范围内各取3点，步长为2℃，对工艺流程进行模拟优化。随着出口温度的降低，C3回收率逐渐增大，而Opt值先减小后增大，可以看出优化目标存在最小值，即在膨胀机压缩端出口温度为64℃时，此时C3回收率为93.57%，与优化前的91.64%相比提高了2.11%。
5.结束语
天然气资源不足，人均占有量很低，如何高效集输气、合理利用、提高能源利用率将是今后相当长时间内的主要任务。要实现以较少的天然气能源满足较多用户增长的需求，从根本上需要依靠天然气采集、集输和使用技术的提高，提升能源效率，降低能源损耗。
参考文献
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