天然气处理工艺流程改造及优化研究

张新策，王希国，劳 伟

（1. 中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580； 2. 胜利油田油气集输总厂，山东 东营 257000；3. 胜利油田鲁明油气勘探开发有限公司， 山东 东营 257000）

工艺与装备

天然气处理工艺流程改造及优化研究

张新策1，王希国2，劳 伟3

（1. 中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580； 2. 胜利油田油气集输总厂，山东 东营 257000；3. 胜利油田鲁明油气勘探开发有限公司， 山东 东营 257000）

为提高轻烃回收率，实现节能降耗和经济效益最大化的目标，利用 HYSYS 工艺流程模拟软件，建立天然气处理工艺模型，对天然气处理工艺流程进行了改造可行性研究和优化分析。研究表明：利用 HYSYS软件进行模拟优化研究具有一定的准确性和可靠性；通过工艺流程的改造，丙烷收率提高了 25.07%，C3+收率亦有所增加，改造方案是可行的；通过建立数学优化模型，对主要工艺参数进行了优化，膨胀机压缩端出口温度由原来 66.99 ℃下调为 64 ℃，此时 C3回收率增大且 Opt取得最小值，取得了最大化经济效益。另外，此研究对国内旧天然气处理厂的改造优化具有一定的指导意义。

轻烃回收；优化分析；数学模型；工艺参数

随着油田开发逐渐进入后期，伴生气产量日益下降，国内很多天然气处理厂不再适应现有的生产状况[1]。原有的设计规模一般会远远偏离现有的工况，使压缩机组发生喘振现象而影响工作效率，使膨胀机转速、膨胀比等轻烃生产参数偏离设计工况，导致轻烃收率降低[2,3]。故亟需对旧天然气处理厂 进行改造优化，使其在正常工况下运行，从而增加经济效益。

某天然气处理厂担负油田伴生气的增压、处理和外输任务，是重要的轻烃生产基地之一。但由于上游伴生气产量的减少，目前的进站气量约为 30× 104m3/d，远达不到离心压缩机的额定排气量 56×104m3/d，不能在正常范围内运行。为了提高轻烃收率，使经济效益最大化，根据现有实际生产状况对天然气处理装置进行了必要的改造，并引入 HYSYS 工艺流程模拟系统软件对改造后工艺流程进行了优化研究。

1 天然气处理工艺原理及流程

采用冷凝分离法的天然气处理工艺，原理为：采用丙烷预冷和膨胀制冷相结合的制冷工艺获得冷凝分离所需的冷量，逐级冷却天然气，利用天然气各组分冷凝温度的差异，使所含轻烃组分依次析出与气分离。工艺流程示意图如图1所示。

进站原料气经离心式压缩机增压后进入分子筛脱水装置脱水，干燥、高压的天然气进入冷箱第一换热器与来自脱乙烷塔顶的低温气体换热，然后进入丙烷蒸发器预冷，再经冷箱第二换热器降温后进入分离器，分液后的气体进膨胀-增压机组膨胀端膨胀，此时温度可降至-75～-82 ℃，作为脱乙烷塔塔顶进料，分液后的液体经冷箱换热后作为脱乙烷塔中部进料。脱乙烷塔塔顶气体回收冷却后，进入膨胀-增压机组增压段增压，增压后的气体一部分去分子筛干燥系统用于再生/冷吹，其余作为干气外输。脱乙烷塔塔底液体作为液化气塔进料，经液化气塔分离成液化气和轻油产品。来自分子筛干燥系统的再生/冷吹气汇入外输干气管线外输。

图1 天然气处理厂工艺流程示意图Fig.1process flow diagram within the gas compressor station in Dongying

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（Peng-Robinson）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（2016 年 1月 28 日报表），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+回收率对比表分别如表 1、2 和 3 所示。

表1 现有处理工艺模拟和实测主要节点参数对比表Table 1Comparison table of main nodeparameters of existingprocessing technology

表2 模拟外输干气与实测外输干气组分对比表Table 2 External output dry gas component comparison table%

表3 模拟参数和实测参数下C3和C3+回收率对比表Table 3 Comparison of recovery rate of C3 and C3+ under simulated and measuredparameters

由上述数据可知，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。综上所述，采用HYSYS 对工艺流程进行模拟产生的误差均在允许误差范围内，验证了 HYSYS 软件模拟结果的准确性，可以采用此方法对流程进行模拟优化。

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[4-6]。根据改造后的工艺流程建立 HYSYS 模型进行模拟计算。

3.2 改造流程模拟分析

在不改变其他条件下，对改造后的天然气处理工艺流程进行模拟，并与现有的天然气处理工艺模拟结果进行对比。

（1）回收率分析

改造前后 C3和 C3+回收率对比如表 4 所示。

表 4 改造前后 C3和 C3+回收率对比表Table 4 Table of recovery rate of C3and C3+before and after transformation

由表4可知，经过流程改造优化，保证了丙烷收率，计算出丙烷收率由 68.67%升高为 94.24%，与优化前相比提高了 25.07%；C3+的收率亦有所增加，高达 99%，与优化前相比提高了 1.38%，均提高了经济效益。

（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。

4 工艺流程主要参数优化

4.1 数学优化模型的建立

本文以装置总能耗与丙烷回收量的比值最低作为优化目标，它反映了回收单位丙烷组分的回收成本。根据优化目标，建立天然气处理工艺优化模型如下：

式中： Ei— 装置中各单元操作的能耗，kJ/h；

FC3— 回收轻烃中丙焼 组分的流量，kmol/h；

F-— 液化气产品中乙烷以下组分流量，kmol/h；

C

FLPG— 液化气产品流量，kmol/h。

在优化模型中，式（1）表示优化目标函数为回收单位丙烷以上组分能耗最低；式（2）和（3）表式液化气中乙烷以下组分含量和戊烷以上组分含量执行 GB 11174-2011质量指标；式（4）为脱乙烷塔塔底压力限制；式（5）为液化气塔塔顶压力限制；式（6）为脱乙烷塔塔底温度限制；式（7）为液化气塔塔底温度限制。

4.2 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。

4.2.1 原料气进口压力敏感性分析

在装置其他操作条件不变的情况下，以原料气进口压力为变量，以 0.1MPa 为初始值，以 0.1MPa为步长改变增压端出口压力。模拟计算了进口压力在 0.1～0.5 MPa 范围内变化时，对 C3收率和外输气增压能耗的影响，如图2所示。

图2 原料气进口压力敏感性分析关系曲线Fig.2 The sensitivity analysis curve of raw material gas inletpressure

由图可知，随着原料气进口压力的增大，C3回收率逐渐增大而外输气增压能耗不断降低。但是C3回收率 从 0.1MPa 到 0.5 MPa 增 幅 很小 ， 只有0.004%，这主要因为在本工艺流程中膨胀压缩机的增压端出口压力基本固定，变化幅度不大，所以对后期的轻烃回收处理的影响很小，可以忽略不计；外输气增压能耗下降幅度由大变小，0.4～0.5 MPa 之间变化幅度较小，可以认为当原料气进口压力超过0.5 MPa 时，增加原料气进口压力对降低外输气增压能耗没有显著影响。因此，原料气进口压力对C3收率影响微乎其微，且只有在很小的范围内对降低外输气增压能耗有显著作用，故不作为优化变量。

4.2.2 膨胀压缩机增压端出口压力敏感性分析

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压力为变量，以 4.0 MPa 为初始值，以 0.05 MPa 为步长改变增压端出口压力。模拟计算了出口压力在 4～4.4MPa 范围内变化时，对低温吸收塔塔底液烃中 C3含量和脱乙烷塔塔底凝液中 C3含量的影响，变化曲线如图3所示。

图3 增压端出口压力与两塔中C3含量关系曲线Fig.3 Relationship betweenpressure of supercharger and C3content in the two tower

由图3可以看出，随着增压端出口压力的增加，低温吸收塔塔底液烃中 C3含量和脱乙烷塔塔底凝液中 C3含量均逐渐增加，变化趋势是一致的，但当压力增加到 4.3 MPa 后，低温吸收塔塔底液烃中 C3含量开始减少，因此膨胀压缩机增压端出口压力不能超过 4.3 MPa；随着增压端出口压力的增加，脱乙烷塔进料温度降低，塔顶温度降低，C3回收率增加，塔底重沸器负荷也随之增加。

通过上述对膨胀压缩机增压端出口压力参数变化分析可知，增压端压力不得超过 4.3 MPa，对 C3收率影响也不是很大。考虑到增压范围较小，不推荐膨胀机增压端增压，因此不建议此参数作为优化变量。

4.2.3 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，如图4所示。

图4 增压端出口温度敏感性分析关系曲线Fig.4 The sensitivity analysis curve of the outlet temperature of supercharger

由图可知，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，从 55～80 ℃，由 90.81%降到了 87.02%，降幅为 4.2%；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。因此，出口温度对 C3回收率及脱乙烷塔塔底重沸器能耗的影响很明显，可以考虑作为优化变量。

4.2.4 低温吸收塔塔顶压力敏感性分析

保持低温吸收塔塔底压力 1.4 MPa 不变，以低温吸收塔塔顶压力为变量，以 1.3 MPa 为初始值，以 0.01MPa 为步长改变增压端出口压力。模拟计算了塔顶压力在 1.3～1.39 MPa 范围内变化时，对低温吸收塔塔底液烃中 C3含量和脱乙烷塔塔底重沸器能耗的影响，如图5所示。

图5 低温吸收塔塔顶压力敏感性分析关系曲线Fig.5 The sensitivity analysis curve of the tower toppressure in low temperature absorber

由图5可知，随着塔顶压力的降低，低温吸收塔塔顶温度降低，使得塔底液烃中 C3含量增加，但增加幅度不是很明显；随着低温吸收塔塔顶压力的降低，低温吸收塔温度随之降低，故脱乙烷塔塔底重沸器单位能耗逐渐增加，同样增幅不很明显，故不考虑作为优化变量。

4.3 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，模拟结果如图6所示。

图6 优化计算结果Fig.6 The results of optimized calculation

由图可知，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%。所以，建议对改造后工艺流程运行参数进行调整，即将膨胀机压缩端出口温度由原来 66.99 ℃下调为 64 ℃，此时 C3回收率增大且Opt 取得最小值，在节能减排的同时可以取得最大化经济效益。

5 结 论

利用 HYSYS 软件对天然气处理工艺流程进行了模拟和优化，结果表明对天然气处理装置进行改造是有必要的，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。

［1］王育明 . 天然气处理工艺的优化[J]. 油气田地面工程，2008，27（2）：52-54.

［2］刘胜国 . 天然气处理工艺流程优化研究[J]. 上海化工，2014，39（7）：5-10.

［3］王勇，李士富. 基于轻烃回收油吸收工艺的 HYSYS 模拟计算[J]. 天然气与石油，2014，32（5）：37-40.

［4］金丽梅. 天然气轻烃回收装置 C3+收率与工艺参数的调整[J]. 天然气与石油，2006，3（24）：28-31．

［5］张金. 丙烷制冷的理论分析及在轻烃回收中的应用[J]. 油气田地面工程，1997，16（6）：29-33.

［6］叶帆. 塔河油田轻烃回收工艺问题分析及运行模拟研究[D]. 成都：西南石油大学，2014.

Study on Optimization and Modification of Natural Gas Treatmentprocess

ZHANG Xin-ce1, WANG Xi-guo2, LAO Wei3
（1. College ofpipeline and Civil Engineering, China University ofpetroleum, Shandong Qingdao 266555，China；2. Shengli Oilfield Oil and Gas Gathering and Transportation General Factory, Shandong Dongying 257000，China; 3. Shengli Oilfield Luming Oil and Gas Exploration and Development Co., Ltd., Shandong Dongying 257000，China）

In order to improve the recovery rate of light hydrocarbon and achieve the goal of energy saving and economic benefit maximization, the model of natural gasprocessing technology was established to carry out the feasibility study and optimization analysis of the natural gas treatmentprocess by using HYSYS simulation software. The research result shows that the simulation research based on HYSYS software has a certain accuracy and reliability. After the modification, thepropane yield can be increased by 25.07% and the yield of C3+can be also increased, which shows that the transformation scheme is feasible. Through the establishment of mathematical model, the mainprocessparameters were optimized. After the optimization, the expander outlet temperature can decrease from 66.99 ℃ to 64℃, the recovery rate of C3can increase and Opt can obtain the minimum value, the maximization of economic benefits can be achieved. In addition, this study has certain guiding significance for the transformation and optimization of the old natural gasprocessingplants in China.

Light hydrocarbon recovery; Optimization analysis; Mathematical model;processparameters

TE 645

： A

： 1671-0460（2017）02-0342-05

2016-09-30

张新策（1992-），男，山东省济南市人，硕士研究生，2014 年毕业于中国石油大学（华东）油气储运工程专业，研究方向：油气储运工程。E-mail：zxcqgch@163.com。