天然气处理工艺流程优化研究

刘胜国

上海石油天然气有限公司（上海 200041）

技术进步

天然气处理工艺流程优化研究

刘胜国

上海石油天然气有限公司（上海 200041）

通过引入HYSYS工艺流程模拟系统软件，对天然气处理厂一期和二期工程两套生产装置的工艺流程建立模型，并应用流程模型对各生产单元进行了系统生产优化分析，完成了天然气处理厂两套装置流程模型的现场工艺标定，同时对一期生产装置系统工艺调优进行现场验证，确认了装置流程模型和工艺优化分析研究结果和趋势的正确性，进一步加深了对装置和工艺流程的认识，该优化方案可提高装置操作水平，确保天然气副产品增量的提高。

天然气 工艺流程 模型 标定 工艺调优

0 引言

天然气处理厂的原料气来自我国东海平湖油气田，原料气经海陆长输管线输送至处理厂，经生产装置处理除去水分、杂质并分离出C3以上的烃类物质，制成的合格干气外供上海市城市燃气管网。

天然气处理厂一期和二期生产装置分别于1999年和2003年建成投产，向上海市安全平稳、连续正常供气至今。为了进一步优化系统，减少、消除生产系统和装置的瓶颈，完善、提高装置操作性能和控制水平，确保向城市优质稳定供燃气的同时，最优化地分离、回收轻烃组分，实现挖潜增产、节能降耗、增效创收，天然气处理厂引入了HYSYS工艺流程模拟系统软件，对天然气处理工艺流程开展了优化研究工作。

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。天然气处理厂由一期和二期两套并行生产装置组成，两套生产装置工艺流程基本相同，工艺流程示意图见图1。

原料气通过来气收球和段塞流捕集器单元进行气液分离，分离出的液相送入凝液稳定单元，气相送入分子筛脱水单元进行过滤和脱水，输往膨胀制冷单元（深冷分离单元），分离出冷凝液后的低温气体进入脱甲烷塔进行脱甲烷分馏，从脱甲烷塔塔顶引出的低温气体先后经与脱乙烷塔塔顶气和冷箱中的高温来气换热升温，并经提压、升温制成合格干气外输上海城市燃气管网；所有的液相轻烃都归入轻烃分馏单元处理，从脱甲烷塔塔底分离得到的液相轻烃进入脱乙烷塔进行脱乙烷分馏，分馏所得塔顶气，经脱乙烷塔塔顶的丙烷蒸发冷凝器冷却后，返回脱甲烷塔，脱乙烷塔塔底的液相轻烃与来自凝液稳定单元的轻烃一起进入脱丁烷塔分馏，塔顶馏出气相冷凝后部分作为脱丁烷塔塔顶回流，部分进一步冷却作为LPG产品，脱丁烷塔塔底的液相轻烃进入脱戊烷塔分馏，塔顶馏出气相冷凝后部分作为脱戊烷塔塔顶回流，部分进一步冷却作为戊烷产品，脱戊烷塔塔底的液相冷却后作为稳定轻烃产品。

整个流程装置散热大部分采用空冷方式进行，装置中各分馏塔塔底再沸器和各加热器所需热量通过热油系统的热媒油供热，流程所需冷量则由天然气膨胀机膨胀制冷和丙烷辅助制冷提供。

2 生产工艺流程模型建模

采用HYSYS工艺流程模拟软件，天然气处理厂生产工艺流程建模所涉及的核心装置设备，包括冷箱、膨胀压缩机组、低温分离器、脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丁烷塔、脱戊烷塔和丙烷制冷系统等，这些核心装置设备的模型模拟是建立天然气处理厂生产装置流程模型和开展生产优化研究的关键和基础。

热力学方法：工艺流程建模过程选用Peng-Robison状态方程来参与相关物性与热力学计算。

物流：充分收集物流计算所需要的信息，包括物流温度、压力、流量和物性组成等。

单元模型库：HYSYS单元模型库用于模拟生产装置系统的各单元设备。

子流程：在天然气处理厂工艺建模过程中，丙烷辅助制冷单元和脱丁烷单元与脱戊烷单元组成的天然气液相副产品处理系统等，都是以子流程的形式出现在全厂装置主流程上的。

通过相关工作的开展，采用HYSYS工艺流程模拟软件，建立了一期和二期生产装置设备模型及工艺流程模型。

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：

（1）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。

（2）工艺标定计算当日天然气处理厂一期生产装置接收平台海上天然气1.62×106m3/d、外供气1.51×106m3/d，超出1.30×106m3/d的设计正常处理能力25%，整个生产工艺流程基本处于极限工况条件满负荷、甚至超负荷状态运行。

（3）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%。

（4）工艺标定时，热油系统整体运行性能良好，两台热油炉同时工作实际热负荷3757kW，小于热油炉系统设计负荷3954kW，工作效率93%，能完全满足系统3723.45kW工艺热负荷的需要。

（5）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。

（6）工艺流程操作不当时，如冷分离器PV-261接近-40℃操作、冷箱B股物流旁路、脱甲烷塔塔底再沸器HE-262运行，部分装置设备热负荷会猛然增加，使得装置系统总的工艺用热不足更趋严重，考虑分子筛系统运行时，整个装置系统需要负载的工艺用热量也将增大至4386kW左右，热油系统工作负荷缺量将高达16.7%。实际生产若遭遇这种情况，装置流程操作将陷入紊乱和不稳定状态。

（7）总体而言，热油炉系统设计的总的供热能力偏小，是进一步提高系统C3收率时的装置瓶颈因素之一。

（8）冷箱UA值偏低，结垢热阻高出正常值11倍，严重影响冷箱换热效率，造成了系统能量的内耗，已获得现场确认。

（9）通过冷箱前过滤器后的天然气压降偏大，初步判断为过滤器堵塞与换热器结垢所致，已获得现场证实并及时加以解决。

天然气处理厂二期装置流程模型现场工艺标定计算结果表明：

（1）从工艺角度出发，天然气处理厂二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。

（2）工艺标定计算当日天然气处理厂二期生产装置接收平台海上天然气1.625×106m3/d、外供气1.516×106m3/d，超出1.30×106m3/d的设计正常处理能力接近25%，整个生产工艺流程基本处于极限工况条件满负荷、甚至超负荷状态运行。

（3）工艺标定确认二期装置运行性能指标分别为：膨胀机效率86%(等熵)，C3收率85.42%(进冷箱)、C3收率83.19%(总进料)，冷箱冷损1.0%，冷箱UA580000W/℃。

（4）热油系统负荷充足，是一期热油系统工作负荷能力的1.5倍。

（5）冷箱各流道结垢热阻小、冷损小、换热效率高。

（6）由于天然气处理厂二期装置实际投运不久，装置性能总体上比一期装置好。

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。

4.1.1 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，也是进行生产系统工艺调优分析工作可供选择的仅有的两个可调优变量之一。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。

模拟结果由图2、图3所示。

脱乙烷塔塔顶冷凝器的操作温度变化，有对应其进厂组分原料气最佳的操作值或操作区间，如脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度变化的拐点值——10℃。对于当前设定的装置实际生产工艺条件和原料来气，系统分析得出的脱乙烷塔塔顶冷凝器的最佳操作温度值为10℃。

4.1.2 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。

模拟结果由图4、图5所示。

在设定了脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度为10℃、关停HE-262、确保冷箱B股物流返回脱甲烷塔温度为2℃的前提条件下，在-2℃～8℃之间的范围内逐渐改变冷箱B股物流的出口温度，冷箱C股物流的出口温度将随着冷箱B股物流出口温度的升高而降低。

因此，冷箱实际操作时，应密切关注并控制冷箱B股物流的出口温度，不能过高，否则不仅不能充分回收和利用外输干气——冷箱C股物流的冷量，还会导致装置C3系统收率的降低。

4.1.3 开启HE-262换热器对冷箱B股物流出口温度的影响

由图6可知，让冷箱B股物流通过HE-262加热后再循环返回脱甲烷塔塔底，将提高脱甲烷塔的操作温度，强化脱甲烷塔的分馏分离效果，使得更多的C3组分闪蒸进入气相，导致装置的C3系统收率下降。

研究分析确认，在实际生产操作中，必须关停HE-262，以降低系统能耗、消除热油系统负荷不足等瓶颈，同时降低脱甲烷塔侧线循环系统压降，为进一步提高装置C3系统收率提供可能。

从优化后得到的装置生产效益逼近/趋近系统最优的装置流程生产操作曲线图上可以知道，在不对现有装置流程进行改动、而只对装置生产工艺操作参数和生产工况进行优化调整的条件下，天然气处理厂一期生产装置两个关键的工艺操作控制变量和控制参数优化操作建议值分别为：脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度为10℃、冷箱B股物流出口温度为2℃。

4.2 一期、二期两套生产装置共用一套液相产品处理流程优化研究

根据现有装置条件和生产要求可知，在天然气处理厂的全部液相产品中，由于LPG产品质量要求相对较高，且其产量远大于戊烷和稳定轻烃的产量，所以LPG的产品分离塔——脱丁烷塔PV-310可能会构成两套装置并用液相产品处理流程改造的设备瓶颈。

利用建成的天然气处理厂生产工艺流程模型，对天然气处理厂现有生产装置关于天然气处理量在8.0×105～2.72×106m3/d区间变化时的相应工艺状况变化进行了初步分析。

计算结果表明，在目前的进料物流组分条件下，一期和二期两套装置每套的脱丁烷塔各自的最大处理能力可以达到处理2.72×106m3/d气量的液体产品水平，即使在最大处理气量位，脱丁烷塔的泛点指数仅为80%、降液管液层高度仅45%，可见脱丁烷塔并不是构成液相副产品流程合并处理的限制瓶颈。

初步分析确认，从流程上看，在脱乙烷塔后，合并天然气处理厂一期、二期两套生产装置后续液体产品处理流程，形成两套生产装置共用一套且互为备份的液相产品处理流程的生产工艺方案可行，该生产工艺优化方案将较大地提高天然气处理的生产操作流程和装置效益。

(1)由于外出非农就业的劳动力，尤其是占比最大的男性劳动力在农地转出之前就已经进行了非农迁移，而农地转出之后所释放的家庭劳动力(绝大部分为女性劳动力)更加倾向于本地非农就业，从而使得农地转出对家庭全体成员和男女成员各自的非农就业时间均有显著正向影响。(2)但在细分就业区域之后，农地转出的作用呈现出了显著的异质性，农地转出依旧会显著正向影响农户全员及男女成员各自的本地非农就业时间，但对农户全体成员及男女成员各自的外出非农就业劳均时间的影响则均未通过显著性检验。

5 现场优化验证试验

为了验证装置流程模型系统优化分析研究结果的正确性，在现场针对一期生产装置进行现场装置系统优化验证试验。

5.1 模型与现场生产装置工艺比对

采用一期生产装置工艺流程模型与进入平稳运行状态的一期生产装置进行了工艺比对,将当前已进入平稳运行状态的装置生产工况下的生产数据，输入已经完成工艺标定的流程模型，在当前生产条件下运行和拟合模型。

模型计算发现，同模型工艺标定时的工况状态相比，冷箱换热能力增加近1倍，冷箱换热效果大大地改善了，冷箱UA值必须由210000W/℃增大为380000W/℃才能与实际流程工况状态匹配。

现场人员确认，在完成流程模型的工艺标定工作后进行的生产检修过程中，发现冷箱前的进料过滤器滤网之前被反装，从而导致通过过滤器的压降偏大，经过更换冷箱进料过滤器和清洗检修冷箱，证实冷箱进料过滤器压降恢复正常、冷箱换热效果得到明显提高。据此，认可模型存在的冷箱UA值差异，并修正模型冷箱UA值为清洗冷箱后的380000 W/℃。模型计算的其他主要工艺参数与实际生产装置采样数据基本无差别,修正后的模型运算结果与生产工况基本吻合，可用于指导现场工艺调优试验工作的进行。

5.2 关停HE-262试验

通过精确操作现有生产装置流程，采用充分利用原料气冷量、关停HE-262、丙烷辅助制冷系统维持最低负荷等技术手段来降低装置系统能耗后，长期困扰一期生产装置的热油系统负荷不足问题得到了缓解。

5.3 优化操作状态的关键工艺操作参数

装置逼近优化操作状态的关键工艺操作参数——脱乙烷塔塔顶冷凝器温度和冷箱B股物流出口温度分别设定和保持在10℃和2℃附近，关停HE-262，丙烷系统降低50%负荷、维持最低功耗，大幅度降低整个装置系统能耗的同时，确保了装置全部产品的质量合格，并使装置的系统C3收率在工艺调优试验期间（5月26～29日）有了明显的提高。

试验小组以5月8日至5月31日获得的现场生产数据进行了相关计算，结果显示，现场工艺调优试验前，装置的系统C3收率维持在平均值为87.8%左右，优化操作后，装置的系统C3收率稳定在平均值为96.6%附近，见图7。

现场工艺调优验证试验结果确认，装置工艺流程模型和系统优化分析研究结果和趋势正确，对现场生产具有一定的指导意义和参考价值。

6 总结

本研究工作通过引入HYSYS工艺流程模拟系统软件，建立了天然气处理生产装置工艺流程模型，对实际生产装置和实际操作过程进行了系统化的生产操作控制方案的模拟、研究和评估，系统分析了天然气各生产环节间的相互影响，确认了生产装置的运行特性，确定了生产装置运行的优化状态和操作控制参数，天然气处理厂一期生产装置两个关键的工艺操作控制变量优化值分别为：脱乙烷塔塔顶冷凝器操作温度为10℃，冷箱B股物流出口温度为2℃，并关停HE-262，丙烷系统降低50%负荷、维持最低功耗，确认了最佳的生产工艺控制操作方案；初步确认合并天然气处理厂一期、二期两套生产装置后续液体产品处理流程，形成两套生产装置共用一套且互为备份的液相产品处理流程的生产工艺方案可行。

天然气处理工艺流程的优化，降低了能源消耗，保证了产品质量，提高了轻烃的收率，提升了生产系统的整体经济效益。

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

刘胜国 男 1964年生 硕士 研究生 高级工程师 现任上海石油天然气有限公司副总工程师 兼天然气处理厂厂长拥有西南石油学院开发系油田化学专业学士学位、英国HERIOT-WATT大学石油工程系研究生 硕士 学位及上海交通大学工商管理硕士 学位长期从事石油天然气研究开发、工程设计施工建设以及生产工艺流程优化和管理工作