凝析气田天然气处理工艺模拟与优化.pdf

一 3 8 一 一 技术交流 石油和化工 设备 2 0 1 1 年第 1 4 卷 凝析气田天然气处理工艺模拟与优化 王海 中国石 油集团工程设 计有限责任公司北京分公司 ，北京 1 0 0 0 8 5 [ 摘要]根据凝析气田天然气处理装置的工艺现状，运用工程模拟软件建立工艺流程计算模型及 “ 映射模型”。按照最优 化技术原理，对凝析气田天然气处理工艺流程建立以提高收益降低能耗为目标的工艺参数优化模型，通过优化模型的计算 求解得到最优的3 - 艺操作参数。 [ 关键词]凝析气田；天然气处理；流程模拟；优化技术 随 着 油气 田勘 探 开发 的不 断深 入 和扩 展 ， 气 田开发的各种参数发生较大变化 ，导致气 田建 设初期集 中处理系统 的设计参数与当前实际运行 参 数差距较大；同时 ，经过多年的不断调整 和改 造 ，实际处理工艺也发生 了部分变化 。因此，需 对天然气装置运行情况进行全面分析研究 ，准确 把握天然气 处理 厂的运行现状 ，避 免各种事 故发 生。通 过天然气 处理厂生产运 行数据 的动态跟 踪 分 析 ，建立处理厂工艺计算模 型 ，探 讨处理厂重 要 装置的适应 性，并对关键 工艺环节、关键 点参 数 进行优化 ，可 为处理厂安全 平稳运行提供 重要 依据 。 1 工艺流程模拟 按 照 处理 厂 改造 后 的工 艺流 程 ，根 据 从单 元模型到系统模型的思路，将井 口油气组分分别 进行摩尔平衡后再混和作为处理 厂进站 原料气组 分 ，结合设备参数，按照工艺流程进行模拟 ，建 立完整 的处理厂稳态模型 。运用 油气加工模拟软 件Hy s y s 软件对流程进行模拟。 凝 析气 田天然 气 处理 工 艺流 程涉 及 的 工艺 过程单元模型包括 分离计算模型 、节流过程计算 模型、压缩过程计算模型、多元精馏过程计算模 型、换热过程计算模型等。工艺流程包含 了J T阀 节流制冷、高压循 环注气 、凝析 油逐级 闪蒸 、微 正压分馏稳定工艺、轻烃回收、乙二醇再生 以及 高压注醇等工艺 。具体模拟流程 图见图1 。 图1 处理厂稳态模型 2 工艺参数优化 2 ． 1 变量分析 处理厂主要液体产 品均来 自塔 出 口产品，脱 乙烷塔塔底温度与脱 乙烷塔 出 口气 的质量有密切 关系，并且脱乙烷塔塔底 出 口物料 的组 分对后 面 液化气质量有较大影 响。液化气分馏塔塔底温度 和 回流 比对液化气产 品质量影响较大 ，凝析油稳 定塔塔底温度对凝析 油产 品质量有较大影响 。对 作者简介 王海 1 9 8 3 一，男，四川省绵阳人，硕士研究 生 ，助理 工程 师 ，在 中国石油集 团工程设计有 限责任 公司北京分 公司从事工艺工程设计 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 王海 凝析气田天然气处理工艺模拟与优化 一 3 9一 于利用原料气的压力能采用J T 制冷的分 离工艺， J ． T阀后压力的大小是重要影响因素 。J T 阀后压力 主要是 由产品气的水烃 露点及 液体产 品的产 品质 量共同决定 。由于注气 压力较 高，整个 处理厂 的 主要能耗源 是注气压缩机 ，同时注气压缩机 的能 耗还 受注气 量的影 响；另一个主要 能耗源是凝析 油稳 定塔 ， 由于处理厂 的凝析油产量较大 ，达到 6 0 1 0 t ／ a ，因此重沸器 内凝析油流量较大，需要 消耗大量塔底热 负荷 ；其它主要能耗来 自各塔再 沸器、冷凝器以及压缩机 。 目标变量根据现 场实际需要确定 ，由于采用 J ． T阀节流 制冷分离 工艺 ，主要产 品为凝析 油 、 液化石油气和稳定轻烃 。如果提高丙烷 以上组分 收率 ，可 以提高凝析油 、液化石油气和轻烃 的产 量 ，但 在增 加产 品量 的 同时必然 导 致 能耗 的增 加 。单独 以轻烃收率最大或 以能耗最低为优化 目 标 ，并 不 能保证 总 收益 最大 。另外 ， 由于凝 析 油 、液化气 、稳定轻烃 以及外输天然气市场价格 的不 同，需要在确定产 品价格基础 上计算这些产 品的收益 。 因此 以单位产 品收益 的能耗值 作为优化 目标 函数 ，收益包括 了凝 析油、液化气 、稳 定轻烃 以 及外输天然气的总收益 ，能耗包括 处理厂主要 压 缩机 、冷凝器和重沸器 的总负荷 。 2 ． 2映射数学模型 基 于现 场 处理 工 艺和 流 程模 拟 技术 建 立模 型 ，采 用专用工艺过 程模块库 的支 持，变量数量 庞大 ，自由度和约束条件很多。 为 了 寻找优 化 工 况 ，需 做很 多条 件 下 的计 算。通 常采用 的单 因素分析 ，不 能反映出各 因素 同时变 化对整个模型 的影 响，这就造成 了在实施 调优 时 的 困难 。但 是 ，任 何复 杂 的工 艺计算 模 型，都 可视 为一种将 自变量矢量转换成 因变量矢 量 的线性 或非线性变换 。因此 ，前面 的稳态模型 应 该可以映射 为一个线性或非线性变换 ，而该变 换也就 是把 原先非常 复杂 的计算过程转换成简单 的 自变 量和 因变量 的两个矢量 问的数值关系 。有 了这种 映射 ，在实施寻优 时就可 以不必大量进行 复杂 的计算而只需要利用这种变换 。虽然这种映 射模型 不能十分精确地反应 因变量和 自变量 的实 际关系 ，但在一定精度范 围内能满足计算要求 ， 获得参数 的调节方 向，从而实现渐进调优 ，满足 现场生产的需求 。 数 学模型利用 了均匀设计理论和方法 ，创 建 了均匀设计表和计算方案，使计算 次数 比普遍使 用 的正交设计大大减少 ，并且使计算基本覆盖 了 所有可行域的情况 。将计算结果进行 多元 回归分 析 ，建立 了基于工艺模拟 模型的 “ 映射模 型”， 最终得到最优工况 。在保 证生产任务 的前提下有 效降低 了能耗 ，效果 比较 显著。在进行 多元 回归 分析时，采 用 了逐步回归法，对 于部分不 易进行 线性回归的部分通 过分析进行 非线性 回归，得到 比较理想的回归结果。 3优化结果 通 过建立映射模型大大 降低 了过程模型的变 量维数和方程维数 ，从而 降低 了相应的优化模型 求解难度 ，使优化计算变得实际可行 。 按 照 上 述 计 算 结 果 ， 脱 乙 烷 塔 塔 底 温 度 D 7 8． 9℃ 、 液 化 气 分 馏 塔 重 沸 器 温 度 Y 1 7 5 ． 5 8 ℃、液化气分馏塔回流 比R F 0 ． 9 7 5 I ] 凝 析油稳定塔塔底温度N 5 0 ． 5 3 ℃。由此得到装置 总能耗2 6 2 0 5 ． 1 9 k W，液化气产量为2 ． 2 7 5 1 0 t ／ a ， 凝析油产量为7 2 ． 9 7 O t ／ a 。凝析油饱和蒸汽压为 5 8 ． 5 k P a ，低于当地大气压。 表1 优化后主要工艺参数 装置 项 目 运行参数 优化参数 单位 阀后压 力 7 0 8 0 7 1 O O k P a J T 阀后温度 一 1 4 ． 4 1 6 ． 7 8 ℃ 塔底压 力 2 0 0 0 k P a 塔底温度 9 3 7 8 ． 9 3 ℃ 脱乙烷塔 塔顶压力 1 9 5 0 1 9 8 0 k P a 塔顶温度 9 ． 0 8 1 7 ． 4 5 ℃ 进料温度 9 4 1 O 5 ℃ 液化气塔 塔底压力 1 2 4 0 k P a 塔底温度 1 7 0 ． 3 l 7 5 ． 6 ℃ 液化气塔 塔顶压力 1 0 5 0 1 2 2 0 k P a 塔顶温度 6 1 ． 9 6 4 ． 0 3 ℃ 凝析 进料温度 3 8 ． 8 4 1 ． 6 8 。 C 塔底压力 2 1 0 k P a 塔底温度 5 9 ． 5 7 5 O ． 5 3 ℃ 油稳定塔 塔顶压力 1 0 0 ． 5 1 O 5 k P a 塔顶温度 3 8 ． 2 3 1 ． 8 3 ℃ 运用映射模型求解最优解 ，得到各参数的优 化值 ，在保证处理厂产 品产量和产品质量的基础 上 ，降低了生产运行能耗 。 4结论 通过稳态模型进行单 因素试验 ，对影响产 品 下转 4 6 N 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m