天然氣處理工藝流程優化研究

劉勝國

上海石油天然氣有限公司（上海 200041）

技術進步

天然氣處理工藝流程優化研究

劉勝國

上海石油天然氣有限公司（上海 200041）

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

天然氣 工藝流程 模型 標定 工藝調優

0 引言

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

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

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等。

天然氣處理廠的天然氣處理技術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）、戊烷和穩定輕烴等天然氣副產品。天然氣處理廠由一期和二期兩套并行生產裝置組成，兩套生產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與脫乙烷塔塔頂氣和冷箱中的高溫來氣換熱升溫，并經提壓、升溫制成合格干氣外輸上海城市燃氣管網；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，經脫乙烷塔塔頂的丙烷蒸發冷凝器冷卻后，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品，脫戊烷塔塔底的液相冷卻后作為穩定輕烴產品。

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裝置流程模型和開展生產優化研究的關鍵和基礎。

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

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裝置系統的各單元設備。

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品處理系統等，都是以子流程的形式出現在全廠裝置主流程上的。

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

3 模型工藝標定和調整

天然氣處理廠一期裝置流程模型現場工藝標定計算結果表明：

（1）從工藝角度出發，天然氣處理廠一期生產裝置流程模型已經能與裝置各主要工藝操作參數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%，整個生產工藝流程基本處于極限工況條件滿負荷、甚至超負荷狀態運行。

（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/℃，熱油系統工作效率93%。

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

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

（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，使得裝置系統總的工藝用熱不足更趨嚴重，考慮分子篩系統運行時，整個裝置系統需要負載的工藝用熱量也將增大至4386kW左右，熱油系統工作負荷缺量將高達16.7%。實際生產若遭遇這種情況，裝置流程操作將陷入紊亂和不穩定狀態。

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

（8）冷箱UA值偏低，結垢熱阻高出正常值11倍，嚴重影響冷箱換熱效率，造成了系統能量的內耗，已獲得現場確認。

（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垢所致，已獲得現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場工藝標定計算結果表明：

（1）從工藝角度出發，天然氣處理廠二期生產裝置流程模型已經能與裝置各主要工藝操作參數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%，整個生產工藝流程基本處于極限工況條件滿負荷、甚至超負荷狀態運行。

（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）熱油系統負荷充足，是一期熱油系統工作負荷能力的1.5倍。

（5）冷箱各流道結垢熱阻小、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 系統優化和分析

4.1 關鍵變量對系統的影響研究

為了較全面地了解一期生產裝置中主要設備的關鍵工藝操作參數和變量變化對于生產系統的影響和作用，依據標定后的生產工藝模型，開展了相關工藝操作參數和變量條件變化對生產系統影響的研究。

4.1.1 脫乙烷塔塔頂冷凝器溫度

系統分析確認，脫乙烷塔塔頂冷凝器操作溫度是影響、調節整個天然氣生產流程系統的關鍵工藝操作參數之一，也是進行生產系統工藝調優分析工作可供選擇的僅有的兩個可調優變量之一。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生產操作的影響。

模擬結果由圖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工藝條件和原料來氣，系統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所確認的影響、調節天然氣生產流程的關鍵工藝操作參數和進行生產系統工藝調優分析的可調優變量。

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生產操作的影響。

模擬結果由圖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系統收率下降。

研究分析確認，在實際生產操作中，必須關停HE-262，以降低系統能耗、消除熱油系統負荷不足等瓶頸，同時降低脫甲烷塔側線循環系統壓降，為進一步提高裝置C3系統收率提供可能。

從優化后得到的裝置生產效益逼近/趨近系統最優的裝置流程生產操作曲線圖上可以知道，在不對現有裝置流程進行改動、而只對裝置生產工藝操作參數和生產工況進行優化調整的條件下，天然氣處理廠一期生產裝置兩個關鍵的工藝操作控制變量和控制參數優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、二期兩套生產裝置共用一套液相產品處理流程優化研究

根據現有裝置條件和生產要求可知，在天然氣處理廠的全部液相產品中，由于LPG產品質量要求相對較高，且其產量遠大于戊烷和穩定輕烴的產量，所以LPG的產品分離塔——脫丁烷塔PV-310可能會構成兩套裝置并用液相產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工藝流程模型，對天然氣處理廠現有生產裝置關于天然氣處理量在8.0×105～2.72×106m3/d區間變化時的相應工藝狀況變化進行了初步分析。

計算結果表明，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氣量的液體產品水平，即使在最大處理氣量位，脫丁烷塔的泛點指數僅為80%、降液管液層高度僅45%，可見脫丁烷塔并不是構成液相副產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、二期兩套生產裝置后續液體產品處理流程，形成兩套生產裝置共用一套且互為備份的液相產品處理流程的生產工藝方案可行，該生產工藝優化方案將較大地提高天然氣處理的生產操作流程和裝置效益。

(1)由于外出非農就業的勞動力，尤其是占比最大的男性勞動力在農地轉出之前就已經進行了非農遷移，而農地轉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就業，從而使得農地轉出對家庭全體成員和男女成員各自的非農就業時間均有顯著正向影響。(2)但在細分就業區域之后，農地轉出的作用呈現出了顯著的異質性，農地轉出依舊會顯著正向影響農戶全員及男女成員各自的本地非農就業時間，但對農戶全體成員及男女成員各自的外出非農就業勞均時間的影響則均未通過顯著性檢驗。

5 現場優化驗證試驗

為了驗證裝置流程模型系統優化分析研究結果的正確性，在現場針對一期生產裝置進行現場裝置系統優化驗證試驗。

5.1 模型與現場生產裝置工藝比對

采用一期生產裝置工藝流程模型與進入平穩運行狀態的一期生產裝置進行了工藝比對,將當前已進入平穩運行狀態的裝置生產工況下的生產數據，輸入已經完成工藝標定的流程模型，在當前生產條件下運行和擬合模型。

模型計算發現，同模型工藝標定時的工況狀態相比，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匹配。

現場人員確認，在完成流程模型的工藝標定工作后進行的生產檢修過程中，發現冷箱前的進料過濾器濾網之前被反裝，從而導致通過過濾器的壓降偏大，經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與實際生產裝置采樣數據基本無差別,修正后的模型運算結果與生產工況基本吻合，可用于指導現場工藝調優試驗工作的進行。

5.2 關停HE-262試驗

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

5.3 優化操作狀態的關鍵工藝操作參數

裝置逼近優化操作狀態的關鍵工藝操作參數——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，關停HE-262，丙烷系統降低50%負荷、維持最低功耗，大幅度降低整個裝置系統能耗的同時，確保了裝置全部產品的質量合格，并使裝置的系統C3收率在工藝調優試驗期間（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日獲得的現場生產數據進行了相關計算，結果顯示，現場工藝調優試驗前，裝置的系統C3收率維持在平均值為87.8%左右，優化操作后，裝置的系統C3收率穩定在平均值為96.6%附近，見圖7。

現場工藝調優驗證試驗結果確認，裝置工藝流程模型和系統優化分析研究結果和趨勢正確，對現場生產具有一定的指導意義和參考價值。

6 總結

本研究工作通過引入HYSYS工藝流程模擬系統軟件，建立了天然氣處理生產裝置工藝流程模型，對實際生產裝置和實際操作過程進行了系統化的生產操作控制方案的模擬、研究和評估，系統分析了天然氣各生產環節間的相互影響，確認了生產裝置的運行特性，確定了生產裝置運行的優化狀態和操作控制參數，天然氣處理廠一期生產裝置兩個關鍵的工藝操作控制變量優化值分別為：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℃，并關停HE-262，丙烷系統降低50%負荷、維持最低功耗，確認了最佳的生產工藝控制操作方案；初步確認合并天然氣處理廠一期、二期兩套生產裝置后續液體產品處理流程，形成兩套生產裝置共用一套且互為備份的液相產品處理流程的生產工藝方案可行。

天然氣處理工藝流程的優化，降低了能源消耗，保證了產品質量，提高了輕烴的收率，提升了生產系統的整體經濟效益。

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系油田化學專業學士學位、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、工程設計施工建設以及生產工藝流程優化和管理工作