基于響應面法的凝析氣凈化裝置運行參數優化

熊明林 楊穎 汪昊 游書婷 宋冬寒

【摘? 要】優化凝析油凈化裝置工藝參數，提升凝析油產量對企業降本增效具有重要意義。論文針對蘇里格某天然氣凈化廠一凝析氣凈化工藝流程，采用HYSYS軟件系統探討了丙烷蒸發制冷單元出口溫度，原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量及脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量的影響。通過單因素實驗篩選了對反應影響較大的因素水平進行響應面優化。結果表明，原料氣中C6+含量對凝析油產量影響最大，脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量影響最小，推薦了在計算工況下的最佳工藝運行條件為：丙烷蒸發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%，為現場凝析油凈化裝置的高效運行提供了理論指導。

【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.

【關鍵詞】凝析油;工藝模型;單因素分析;響應面法

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

【中圖分類號】TE644? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】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較大，甚至出現凝析油流失的情況，為生產企業帶來較大經濟損失[1，2]。通過優化凈化裝置的運行參數提升凝析油收率，不僅具有可行性，對企業降本增效也具有重要意義。目前，常見的優化設備運行參數的方法有響應面法、量子遺傳算法、蟻群算法等。其中，基于數理統計的響應面法具有高效準確，且能具有多目標優化的特點[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象，通過建立基于現場工藝的HYSYS模型，深入探討丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量的影響。在此基礎上，采用響應面法對凈化裝置的工藝運行參數進行優化，以期獲得最佳的運行條件，為凝析油凈化裝置的高效運行提供理論指導。

2 模型建立及驗證

基于現場工藝流程以及運行參數建立工藝計算模型（見圖1）。開展模型驗證，結果如表1所示。從表1中可以看出，工藝模型計算誤差最大為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，貼近現場實際生產情況。

3 結果分析

3.1 影響因素分析

基于建立的工藝計算模型，選取現場典型運行工況（進氣量1.12×107m3/d，進氣溫度11.58℃，進氣壓力2.09MPa），研究丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進口壓力等對凝析油產量的影響。結果表明，凝析油產量隨著丙烷蒸發制冷單元出口溫度降低而升高。在5℃時，凝析油的產量約為600m3/月;當溫度降低到-18℃時，凝析油收率增加了近3倍，達到了1800m3/月。但制冷溫度越低，設備功耗也將增大。因此，需要以凝析油收率為目標，綜合考慮其他因素的影響，確定裝置凈化溫度，以保證經濟效益最大化。凝析油產量隨著原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量的增加而增加，且近似線性關系。但值得注意的是，不同原料氣成分對凝析油產量的影響程度存在差異。其中，原料氣中C6+含量每增加0.1%，產量提升約2500m3/月，遠超nC5H12與iC5H12，影響最為顯著。進一步探究脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量的影響，結果表明，凝析油產量隨著進口壓力的增大，呈現先增后減的趨勢，在0.4MPa時為最優點。但就影響程度而言，在丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣組成、脫水脫烴單元進口壓力這4個因素中，脫水脫烴單元進口壓力的影響最小，在計算工況下，凝析油最大產量與最小產量之間相差不足5m3/月。

3.2 響應面法結果分析

3.2.1 響應面法結果

上文詳細探討了丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣組成及脫水脫烴單元進口壓力對凝析油回收量的影響，結果表明丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣中C6+、nC5H12、iC5H12含量對凝析油產量影響較大，脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量影響較小。但對影響因素的分析旨在為最佳運行參數的確定服務，從而實現經濟效益的最大化。為此，本節基于響應面法，研究丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣氣質組成等對經濟效益的影響，以期獲得不同工況下的最佳工藝參數。響應面試驗因素及編碼水平如表2所示。由于脫水脫烴單元進口壓力對凝析油產量影響不大，故在此不作討論，僅分析前4種參數交互作用。通過輸入設計試驗參數以及水平，規定經濟效益為響應值，生成共計29組試驗方案。其中，經濟效益=凝析油產量×凝析油價格-設備功耗×電價，凝析油價格以每桶45美元計算（據以2019年國際平均原油價格作為測算依據），電價以0.75元/度計算（以工業用戶電價作為計算基準）。基于HYSYS凈化工藝模型（見圖1）進行模擬計算，得出各組試驗方案的響應值。

采用Quadratic（二次方程）模型對試驗數據進行擬合，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

開展回歸模型的適應性分析，結果如圖2～圖4所示。從圖中可以看出，殘差點都靠近正太分布直線，滿足正太分布要求[4]。分析試驗次序與殘差關系發現，實驗點標準化殘差主要落在（-2，2）區間以內，有兩個點雖有偏離，但Cook距離小于0.5，均非異常點，因此，模型合理[5]。進一步對比試驗值與預測值發現，預測值與試驗值之間誤差<0.9%，表明回歸模型預測準確度較高[6]。

進一步對擬合模型進行顯著性檢驗和方差分析，結果見表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。方差分析發現：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，表明經濟效益真實值與預測值接近。同時，F值代表了各因素對經濟效益的影響程度，F值越大，影響越強。由此可以得出各因素影響程度大小的順序為：原料氣中C6+含量>丙烷蒸發制冷單元出口溫度>原料氣中nC5H12含量>原料氣中iC5H12含量，其中原料氣中C6+和丙烷蒸發制冷單元出口溫度對經濟效益的影響最大，其P值均小于0.0001。

3.2.2 響應面優化及驗證

基于上述研究結果，考慮影響凝析油產量的多種因素，開展凝析油凈化工藝經濟性分析。在Design Expert軟件中Optimization模塊設定操作參數，取值范圍參照表4，得到經濟效益最大化條件下的優化參數（見圖5）。選擇前五組試驗組合條件，通過工藝模型（見圖1）模擬出相應的凝析油產量及設備功耗，得到經濟效益計算值，從而與經濟效益預測值進行模擬驗證。

由表4可以得出，5組經濟效益計算值均貼合預測值，且試驗組合1經濟效益最高，故推薦選擇預測試驗組合1，即丙烷蒸發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濟效益為296835.246元，較現場實際經濟效益274086元（月平均收益）提升8.3%。

4 結論

本文基于現場實際工藝流程，采用工藝模擬的方法研究了丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣C6+、nC5H12、iC5H12含量等參數對回收工藝的影響，通過響應面法優化了凝析油凈化裝置的運行參數，獲得了以下幾點主要結論：①丙烷蒸發制冷單元出口溫度、原料氣中C6+含量、原料氣中nC5H12含量以及原料氣中iC5H12含量對凝析油產量影響較大，脫水脫烴單元進口壓力的影響最小。其中，各影響因素的影響程度排序為：原料氣中C6+含量>丙烷蒸發制冷單元出口溫度>原料氣中nC5H12含量>原料氣中iC5H12含量>脫水脫烴單元進口壓力。②通過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）對實驗的結果影響極顯著，x2x4（原料氣C6+含量和原料氣iC5H12含量）影響差異性顯著。③在計算工況下最佳運行條件為：丙烷蒸發制冷單元出口溫度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%。

經優化后，預計企業經濟效益可達296835.246元，較現場實際經濟效益提升8.3%，對企業天然氣凈化廠中凝析氣凈化裝置增效起到重要的指導意義。

【參考文獻】

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