DHX 輕烴回收工藝能耗優化研究

王媛媛（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

從天然氣、凝析氣或伴生氣中進行輕烴回收，不僅可以提高天然氣的附加值，還能降低系統能耗，優化資源配置占比。輕烴回收是利用提高壓力、降低溫度使天然氣中C3及以上的重組分冷凝，再利用氣液平衡原理，通過脫乙烷塔和脫丁烷塔，將液化石油氣和穩定輕油脫出[1-2]。目前，輕烴回收工藝主要有低溫冷凝法和油吸收法兩種，并以低溫冷凝法中的DHX（直接接觸法） 工藝應用最為廣泛[3-4]。迄今為止，已有諸多學者針對DHX 工藝進行了深入研究和探討[5-7]，但研究均只考慮單因素對C3收率和能耗的影響，如同采用黑箱模型對數據進行預估，缺乏對現場的理論指導。基于此，利用Hysys 軟件建立DHX 輕烴回收工藝流程模型，在單因素實驗的基礎上，結合響應面法得到目標函數的多元二次方程，并確定最優工藝參數。

1 DHX 工藝流程模型

1.1 模型搭建

應用Hysys 軟件建立DHX 工藝流程模型。原料氣先經過兩級壓縮機增壓后，水冷至40 ℃，進入大冷箱降溫，隨后進入低溫分離器進行氣液分離；分離出的液烴，節流降溫后進入大冷箱復熱后進入脫乙烷塔的中部，分離出的氣體進入膨脹機，膨脹降壓降溫后，進入DHX 塔底部；DHX 塔底的富氣與塔頂脫乙烷塔的回流液烴逆流接觸，原料氣中C3及以上的組分被吸收，DHX 塔底流出的液烴經泵增加后進入脫乙烷塔頂部，在底部重沸器水蒸氣的作用下，進行傳質傳熱，塔頂流出的干氣經小冷箱、大冷箱復熱后外輸；脫乙烷塔底流出的液烴在自壓作用下流入脫丁烷塔，在塔底重沸器和塔頂冷凝器的作用下，分離出液化石油氣和穩定輕油[8]。此外，丙烷循環系統負責將液態丙烷節流降溫后為大冷箱提供冷量，再將氣化后的丙烷通過壓縮、水冷，完成一個丙烷循環制冷。DHX 工藝流程模型見圖1。

圖1 DHX 工藝流程模型Fig.1 Flow of DHX process

DHX 工藝具有冷量利用合理、脫乙烷塔頂回流操作平穩、增壓泵運行穩定等優點，因此在我國廣泛應用。

1.2 模型驗證

以大慶某油田聯合站中的輕烴回收工藝為例進行模型驗證，原料氣組分見表1，物性計算方法采用PR 狀態方程。結合原料氣組分和裝置運行參數進行全流程模擬，并將模擬結果與運行參數對比。可見兩者之間的吻合性較好，最大相對誤差不超過±5%，說明模型搭建合理，氣、液兩相平衡間的傳質傳熱問題得到較好的體現，模型可以反映輕烴回收裝置的運行狀態，可為后續的優化調整提供基礎。模擬結果對比分析見表2。

表1 原料氣組分Tab.1 Composition of raw gas摩爾分數/%

表2 模擬結果對比分析Tab.2 Comparative analysis of simulation results

2 關鍵參數單因素分析

優化結果以較高的C3收率和較低的工藝能耗為前提，公式如下：

式中：?為C3收率，%；v為原料氣中丙烷流量，kgmol/h；v1為離開DHX 塔頂部去往外輸的干氣中丙烷流量， kgmol/h；Q為綜合能耗， kW；Q冷卻器、Q膨脹機、Q液烴泵、Q重沸器、Q壓縮機等均為流程中設備的輸入等效能耗，kW。

考慮到膨脹機、泵、壓縮機、空冷器消耗電能， 而重沸器消耗導熱油的熱能， 故根據GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》中的能源折算系數將這兩種能量轉化為綜合能耗。

2.1 低溫分離器溫度

保持其余參數不變，在低溫分離器-30～-10 ℃，步長2 ℃的條件下，考察其對C3收率和綜合能耗的影響。DHX 工藝本質上是利用冷凝法回收天然氣中的重組分，因此冷凝溫度是關鍵。溫度越低，通過膨脹機的流量越小，進入DHX 塔的冷量越充足，C3收率越大，但C3收率不會無限增大，這是由于低溫分離器的分離效率是有限的[9]。過低的分離溫度會導致后續脫乙烷塔和脫丁烷中塔底C2的冷凝率和能耗大幅增加，因此應在C3收率和綜合能耗之間綜合考慮分離器溫度，低于-40 ℃，范圍為-40～-30 ℃。低溫分離器溫度對C3收率和綜合能耗的影響見圖2。

圖2 低溫分離器溫度對C3收率和綜合能耗的影響Fig.2 Influence of low temperature separator temperature on C3 yield and comprehensive energy consumption

2.2 膨脹機出口壓力

保持其余參數不變，在膨脹機出口壓力1.8～2.5 MPa，步長為0.1 MPa 的條件下，考察其對C3收率和綜合能耗的影響。隨著膨脹壓力的升高，進入DHX 塔的溫度越高，氣體膨脹越不充分，塔內冷量不足，C3收率有所降低。膨脹端壓力的升高同樣會提高外輸壓力（如外輸壓力有所限制，還需要進行降壓操作），導致綜合能耗有所上升。綜合考慮，建議膨脹機出口壓力在1.8～2.2 MPa。膨脹機出口壓力對C3收率和綜合能耗的影響見圖3。

圖3 膨脹機出口壓力對C3收率和綜合能耗的影響Fig.3 Influence of expander outlet pressure on C3 yield and comprehensive energy consumption

2.3 DHX 塔塔頂回流壓力

保持其余參數不變，在DHX 塔塔頂回流壓力1.50～1.78 MPa，步長為0.04 MPa 的條件下，考察其對C3收率和綜合能耗的影響。隨著塔頂壓力升高，塔頂溫度也升高，C3收率有所下降。回流溫度較高，DHX 塔底部液烴的摩爾流量增加，輕組分含量增多，故脫乙烷塔和脫丁烷塔所需熱量也增大，綜合能耗有所升高[10]。綜合考慮，建議塔頂壓力不超過1.70 MPa。 DHX 塔塔頂回流壓力對C3收率和綜合能耗的影響見圖4。

圖4 DHX 塔塔頂回流壓力對C3收率和綜合能耗的影響Fig.4 Influence of top return pressure of DHX tower on C3 yield and comprehensive energy consumption

2.4 DHX 塔塔頂進料循環量

保持其余參數不變，在DHX 塔塔頂進料循環量170～200 kgmol/h，步長為5 kgmol/h 的條件下，考察其對C3收率和綜合能耗的影響。DHX 塔頂吸收劑是通過脫乙烷塔頂冷凝后得到，主要為液相甲烷和乙烷，吸收劑的循環量越大，C3收率越高，但循環量增大到185 kgmol/h 以上時，C3收率不再增加，這是由于吸收劑的選擇性與其重度、黏度和比熱容等因素相關，當溶質在氣相中的分壓與其在液相中的飽和蒸氣壓相等時，吸收達到平衡狀態。此外，提高吸收劑循環量相當于消耗了更多冷量用于甲烷和乙烷的冷凝，故綜合能耗持續上升。綜合考慮，建議DHX 塔塔頂進料循環量不超過185 kgmol/h。DHX 塔塔頂進料循環量對C3收率和綜合能耗的影響見圖5。

圖5 DHX 塔塔頂進料循環量對C3收率和綜合能耗的影響Fig.5 Influence of top feed circulation amount of DHX tower on C3 yield and comprehensive energy consumption

3 參數優化

3.1 響應面實驗設計

響應面分析法可以分析多因素控制作用下目標函數的變化情況，并考察單因素、多因素之間的交互作用，通過建立非線性多元二次方程用于后續的優化和預測。根據之前的單因素影響實驗結果，確定響應面實驗設計的自變量為低溫分離器溫度、膨脹機出口壓力、DHX 塔塔頂回流壓力、DHX 塔塔頂進料循環量，分別用A、B、C、D 表示，變量的低、中、高水平用-1、0、1 進行編碼，采用Box-Behnken（中心點）方法進行四因素三水平的組合實驗設計，響應面因素分布見表3。

表3 響應面因素分布Tab.3 Response surface factor distribution

對比線性模型、二次交互模型、二次方程模型和三次方程模型對響應的擬合效果，其中二次方程對C3收率和綜合能耗的回歸效果較好，均為模型顯著，失擬項不顯著，證明了變量與響應之間存在較強的相關性。以C3收率的方差分析為例，結果見表4。其中，模型P值遠小于0.01，說明模型具有極高的顯著性。由軟件模擬得出，相關系數為0.996 3，說明實際值和預測值的吻合性較好，兩者差距較小；調整相關系數為0.992 5，證明只有0.75%的變異數據不能用該模型解釋。四個單因素的P值均小于0.05，證明單因素的變化會顯著影響響應值。從F檢驗統計量觀察，F值越大，變量差異越顯著，影響C3收率的單因素從強至弱依次為低溫分離器溫度、膨脹機出口壓力、DHX 塔塔頂進料循環量和DHX 塔塔頂回流壓力；交互作用中只有AB 變量對模型響應值非常顯著，其余交互項均不顯著。

表4 C3收率方差分析結果Tab.4 Results of C3 yield variance

同理，對綜合能耗的方差進行分析，模型同樣具有極高的顯著性，相關系數、調整相關系數分別為0.993 0、0.985 9，表明模型具有較好的回歸性和預測性，影響綜合能耗的單因素從強至弱依次為低溫分離器溫度、膨脹機出口壓力、DHX 塔塔頂進料循環量和DHX 塔塔頂回流壓力；交互作用中只有AB 變量對模型響應值非常顯著，其余交互項均不顯著。

3.2 多目標函數優化

響應面設計得到的多元二次方程如下：

理論上通過對二次方程進行求導，聯立方程組即可得到最優工藝參數，但從之前的單因素結果可知，C3收率?和綜合能耗Q大多呈正相關，少數呈負相關，即兩者具有非線性，多個目標函數間是相互沖突的，決策變量的優化結果無法保證全局最優。在此，采用粒子群算法求取非支配解，即Pareto 前沿解集，得到一組折中解。Pareto 前沿最優解集見表5，最優解1 是在保持與原有能耗相近的情況下進行的優化，C3收率提高了1.78 個百分點，最優解2 是在保持與原有C3收率相近的情況下進行的優化，綜合能耗減少了109 kW。在實際生產中，可根據不同的需求，選取最優工藝參數進行調節。

表5 Pareto 前沿最優解集Tab.5 Pareto frontier optimal solution

4 結論

1） 采用Hysys 軟件建立了DHX 輕烴回收工藝流程模型，通過單因素影響分析，確定影響C3收率和綜合能耗的影響因素和取值范圍。

2）通過響應面實驗設計，建立了響應值的多元二次回歸方程，通過方差分析，確定影響C3收率和綜合能耗的單因素從強至弱依次為低溫分離器溫度、膨脹機出口壓力、DHX 塔塔頂進料循環量和DHX 塔塔頂回流壓力；交互作用中只有低溫分離器溫度和膨脹機出口壓力對響應值影響顯著，其余交互項均不顯著。

3） 通過粒子群算法求取Pareto 前沿解集，當優化前后的綜合能耗相近時，C3收率可提高1.78 個百分點，當優化前后的C3收率相近時，綜合能耗可減少109 kW。