天然氣凈化過(guò)程節(jié)能參數(shù)優(yōu)化研究

王小林 劉 瑾 魏瑩鵬

1.西南石油大學(xué)研究生學(xué)院，四川 成都 610500；

2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠，四川 遂寧 629000

0 前言

含硫天然氣凈化裝置溶液循環(huán)量大、 工藝流程復(fù)雜、能源消耗大、開(kāi)采成本高。 如何通過(guò)系統(tǒng)模擬與分析確定天然氣凈化裝置的最優(yōu)操作條件，降低天然氣處理過(guò)程中能量消耗節(jié)省操作成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，成為目前石油企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。 利用凈化裝置在線(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化裝置操作參數(shù)、降低凈化裝置的能耗和運(yùn)行成本，建立嚴(yán)格的工藝過(guò)程模擬模型，在此基礎(chǔ)上，建立裝置運(yùn)行能耗為目標(biāo)的優(yōu)化模型［1］。

1 最優(yōu)化技術(shù)簡(jiǎn)介

最優(yōu)化技術(shù)是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的新興技術(shù)， 是研究在一定條件下如何用最小的代價(jià)獲得最佳的效果， 它已逐步成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、能源等部門(mén)不可缺少的重要技術(shù)。 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)踐表明，在同樣條件下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化技術(shù)的處理，對(duì)過(guò)程系統(tǒng)效率的提高、能耗的降低、資源的合理利用、經(jīng)濟(jì)效益的提高等，均有顯著效果。

1.1 最優(yōu)化問(wèn)題

最優(yōu)化問(wèn)題通常由目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量和約束條件構(gòu)成。

目標(biāo)函數(shù)（又稱(chēng)性能函數(shù)或評(píng)價(jià)函數(shù)）是最優(yōu)化問(wèn)題所要達(dá)到的目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際需要可以是單目標(biāo)函數(shù)或是多目標(biāo)函數(shù)。

優(yōu)化變量，對(duì)于過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，就是過(guò)程變量。 過(guò)程變量主要由兩部分組成，即決策變量和狀態(tài)變量。 決策變量等于系統(tǒng)的自由度，是系統(tǒng)變量中可以獨(dú)立變化改變系統(tǒng)行為的變量。 狀態(tài)變量是決策變量的函數(shù)，是不能獨(dú)立變化的變量，服從于描述系統(tǒng)性能的模型方程。

約束條件是對(duì)優(yōu)化變量取值范圍的限制。

1.2 優(yōu)化問(wèn)題的求解途徑

過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題求解的途徑主要有：案例研究、參數(shù)靈敏度分析和直接優(yōu)化法。

案例研究是對(duì)于一些優(yōu)化變量用不同的數(shù)值代入，重復(fù)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，尋求使目標(biāo)函數(shù)不斷改進(jìn)的優(yōu)化變量值，直至找到最優(yōu)值。 適用于優(yōu)化變量數(shù)較少，且相互間影響作用較小的優(yōu)化問(wèn)題求解。

參數(shù)靈敏度分析法與案例研究非常類(lèi)似。 具體做法是選擇一個(gè)合理的操作初值，然后對(duì)每個(gè)變量各向前和向后移動(dòng)一步，用案例研究相同的方法得出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值，重復(fù)以上計(jì)算步驟，直到目標(biāo)函數(shù)無(wú)顯著改進(jìn)為止。

直接優(yōu)化法是用最優(yōu)化算法直接搜索最優(yōu)的優(yōu)化變量值，由于化工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，采用這種方法需將優(yōu)化程序和流程模擬軟件結(jié)合使用［2］。

2 模型的建立

對(duì)中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠50×104m3/d 凈化裝置脫硫工段進(jìn)行優(yōu)化分析。裝置采用40%（w）MDEA 溶液吸收法脫除原料氣中的酸氣（主要為H2S 和CO2）成分，循環(huán)量為10.0 m3/h。

2.1 天然氣脫硫凈化工藝

原料天然氣的組成和條件見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)料天然氣的組成、條件

脫硫后的濕凈化氣要求：H2S 質(zhì)量濃度≤20 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)≤3%（φ）

2.2 天然氣脫硫工藝HYSYS 模擬

根據(jù)脫硫工段的工藝流程， 構(gòu)建HYSYS 模擬流程見(jiàn)圖1。

圖1 天然氣脫硫工藝流程模擬

采用脫硫工段運(yùn)行數(shù)據(jù)運(yùn)用HYSYS 對(duì)流程進(jìn)行模擬計(jì)算，在模擬過(guò)程中假設(shè)：

a）不考慮設(shè)備的腐蝕情況；

b）忽略各個(gè)設(shè)備的散熱損失。

醇胺法脫硫工藝， 選擇HYSYS 軟件提供的Amine Pkg 物性包。 熱力學(xué)計(jì)算模型為L(zhǎng)i-Mather 模型，氣液相模型選擇非理想物系模型。 吸收塔選用Absorber 模塊，閃蒸罐選用Separator 模塊， 再生塔選用Distillation Column 模塊，貧富液換熱器選用Heat Exchanger 模塊，冷卻器選用Cooler 模塊，循環(huán)泵選用Pump 模塊，循環(huán)裝置選用Recycle 模塊［3-4］。

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化目標(biāo)可以根據(jù)需要確定，例如產(chǎn)品質(zhì)量、能耗最低等。 天然氣凈化廠以脫硫工段能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，脫硫工段能耗最大的設(shè)備是重沸器和循環(huán)泵，故優(yōu)化目標(biāo)為：

式中：J 為總能耗，kJ/h；N 為泵能耗，kJ/h；Q 為再沸器能耗，kJ/h。

2.4 優(yōu)化變量的確定

對(duì)裝置操作參數(shù)的優(yōu)化就是根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整決策變量，稱(chēng)為可調(diào)變量。 優(yōu)化變量在可調(diào)變量中選取，這些變量在實(shí)際生產(chǎn)中必須可調(diào)。 在裝置的設(shè)備條件固定及不考慮設(shè)備熱量或冷量損失的前提下，確定脫硫工段的可調(diào)變量數(shù)及可調(diào)變量的選擇見(jiàn)表2， 各可調(diào)變量對(duì)脫硫工段能耗的影響見(jiàn)圖2。

從圖2 可以看出，原料氣的溫度和壓力、減壓閥出口壓力、貧胺液循環(huán)量對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)（總能耗）的影響不明顯；而再生塔的回流比、貧胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響更為明顯，可調(diào)變量的靈敏度見(jiàn)表3。

表2 可調(diào)變量數(shù)及可調(diào)變量選擇

圖2 可調(diào)變量對(duì)總能耗的影響

在確定調(diào)優(yōu)部位時(shí)，應(yīng)選取可調(diào)變量中對(duì)能耗影響較明顯的參數(shù)，從表3 可以看出再生塔回流比R 的靈敏度為0.55 和貧胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)w 的靈敏度為0.09，相對(duì)于其他可調(diào)變量的靈敏度高出很多，所以選取胺液再生塔的回流比R 和貧胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)w 作為優(yōu)化變量［5］。

表3 可調(diào)變量的靈敏度

2.5 優(yōu)化變量的約束條件

在天然氣凈化裝置處理量一定的情況下，優(yōu)化變量的取值必須滿(mǎn)足使凈化天然氣中H2S、CO2濃度含量滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)政策性法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求， 即H2S 質(zhì)量濃度≤20 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)≤3%（φ）。

凈化工段的約束方程為：

式中：CHS2為濕凈化氣中的H2S 質(zhì)量濃度，mg/m3；yCO2為濕凈化氣中的CO2體積百分?jǐn)?shù)，%；w 為貧胺液中MDEA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R 為胺液再生塔的回流比。

3 優(yōu)化的計(jì)算與結(jié)果

3.1 優(yōu)化計(jì)算過(guò)程

從優(yōu)化變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響分析可知再生塔的回流比、 貧胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有利于優(yōu)化目標(biāo)。 當(dāng)兩個(gè)變量同時(shí)改變時(shí)， 存在一組變量值使得優(yōu)化目標(biāo)值最小。優(yōu)化計(jì)算過(guò)程是一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)逐漸改善的迭代過(guò)程［6］，優(yōu)化目標(biāo)的求解過(guò)程計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化計(jì)算過(guò)程框圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算確定了優(yōu)化變量，優(yōu)化后的貧胺液中MDEA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、 胺液再生塔的回流比和脫硫工段的能耗與優(yōu)化前的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化前、后參數(shù)對(duì)比

從表4 的結(jié)果可以看出優(yōu)化后的能耗比優(yōu)化前減少了12.35%，效果明顯。 對(duì)于耗能比較大的凈化廠來(lái)說(shuō)是一筆可觀的節(jié)省。

4 結(jié)論

a） 貧胺液的濃度和再生塔回流比是影響天然氣凈化裝置脫硫工段能耗的重要操作參數(shù)。

b）對(duì)磨溪凈化裝置脫硫工段操作參數(shù)優(yōu)化后，能耗比優(yōu)化前降低了12.35%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

c）提出的優(yōu)化模型和優(yōu)化方法通用性強(qiáng)，可以運(yùn)用于其它天然氣凈化過(guò)程系統(tǒng)的操作參數(shù)優(yōu)化。

［1］ 李 奇，姬忠禮，段西歡，等. 基于HYSYS 和GA 的天然氣凈化裝置用能優(yōu)化［J］. 天然氣工業(yè)，2011，31（9）：102-106.

［2］ 龔 兵. 輕烴回收裝置工藝模擬與優(yōu)化［D］. 成都：西南石油大學(xué)，2005.

［3］ 李士富，王日燕，王 勇. 山西沁水煤層氣液化HYSYS 軟件計(jì)算模型［J］. 天然氣與石油，2010，28（4）：22-25.

［4］ 汪宏偉，李 明，宋光紅，等. 廣安輕烴回收工藝方案選擇［J］. 天然氣與石油，2009，8（4）：19-23.

［5］ 顧安忠. 液化天然氣技術(shù)［M］. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.72-83.

［6］ 倪進(jìn)方. 化工過(guò)程設(shè)計(jì)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.294-296.