大型處理站場產量與能耗優化研究

摘" 要：大牛地氣田處理站的50 億方/年脫水脫烴裝置自2015年投產以來，尚未開展過能耗及產量精細化模擬研究，經核算，裝置的能耗尚有優化空間，且近年來國家倡導降本增效，因此，開展站場產量及能耗優化研究意義重大。本文主要利用流程模擬軟件，建立站場全流程模型，通過單因素分析模擬得到影響產量和能耗的8項因素，針對其中5項現場可控因素開展多因素聯調優化模擬，得到的產量最優值較目前工況高13.52t/d，能耗較目前工況下降31.62%，利潤預計最高可達到61萬元/天。最后采用DPS灰色關聯法對影響產量和能耗的主次因素進行分析研究，模擬結果可為現場參數調控提供借鑒和指導。

關鍵詞：天然氣處理；流程模擬；產量能耗優化；灰色關聯法；主次要影響因素

1.引言

天然氣是我國實現碳達峰、碳中和目標的關鍵能源[1]，大牛地氣田處理站負責氣田天然氣脫水脫烴處理，保證外輸氣質達標后增壓外輸，冷凝分離出的凝液進行分餾處理，最終產出穩定輕烴和液化石油氣兩種副產品。截至2021年底，處理站累計處理天然氣223.4億立方米，生產副產品22.23萬噸。天然氣處理負荷率從2020年的53%降低至2022年的52%，而對應的單位天然氣處理綜合能耗從114.1kgce/104m3升高至148.98kgce/104m3，能耗的持續上升增加了氣田運行成本。基于該現狀，有必要對處理站開展優化研究，獲得裝置運行最佳結果和最大產出，對企業生產經營的科學管理，降低生產成本，具有現實且顯著的經濟意義。

2.模擬流程的建立

設計天然氣處理量7800000Nm3/d，溫度20℃，壓力2.0MPa，水露點21.5℃，物性方程選擇PR方程，依據圖1所示的流程簡圖搭建處理站流程模型。

3.理論模擬

3.1 各單元影響因素的確定

對模型中12項可調參數逐一進行調試，最終確定8項產量及能耗的影響因素，如表1所示。

3.2 多因素聯調模擬研究

3.2.1均勻試驗表格的設計

現場采用單因素調控法，達不到較好的效果，多因素聯調法可以使整個系統獲得更佳的適應性。將8項模型可調因素中的5項現場可調因素納入聯調優化范疇，采用均勻試驗法設計U8（85）均勻試驗表格，該方法將試驗有關因素的各水平數均勻分散在實驗范圍內，在減少了實驗次數的同時，也使每一個試驗點都有更好的代表性[2]，結果如表2所示。

3.2.2 產量和能耗優化模擬結果與分析

利用表2中的工況條件，在現場不可控因素不同進站溫度下模擬各工況下產量及單位產品能耗，結果如圖5所示。

由圖2可知，當進站溫度為0至20℃時，第七組模擬試驗的液化氣產量最高，其中20℃時液化氣產量最高可達75t/d，比目前工況下高10.76t/d，由圖5可知，該組試驗下的單位產品能耗由8890MJ/t逐漸降低到5519MJ/t。該條件下的制冷溫度最低，輕油循環量最大，這是由于制冷溫度越低，越有利于脫出水和液烴類[3]，同時，輕油循環量越大，副產品液化氣產量越高。

由圖3可知，當進站溫度為0至20℃時，第二組模擬試驗的輕烴產量最高，其中，20℃時輕烴產量最高可達51.41t/d，比目前工況下高6.05t/d，由圖5可知，該組試驗下的單位產品能耗為7100MJ/t左右，基本保持不變。由圖2和圖3對比可知，輕烴產量的增加勢必會導致液化氣減產，該條件下液化氣產量由36.65t/d降低到29.62t/d，可在生產中根據實際需要調控相關參數。

由圖4可知，當進站溫度為0至20℃時，第七組模擬試驗的產品總量最高，其值最高為123.12t/d，較目前工況高13.52t/d，由圖5可知，該組模擬試驗下的單位產品能耗由8890MJ/t逐漸降低到5519MJ/t。

由圖5可知，當進站溫度為20℃（夏季進站溫度）時，第七組模擬試驗的單位產品能耗最低，其值為5519MJ/t，較目前工況值降低31.62%，當進站溫度為0℃（冬季進站溫度）時，第二組模擬試驗的單位產品能耗最低，其值為7053MJ/t，較目前工況值降低12.62%。

3.2.3 效益最優化研究

僅考慮副產品產值及綜合能耗，未考慮增壓和脫水脫烴完全成本及其他支出，分別得到各組模擬試驗下的利潤（利潤=產值—綜合能耗折算價格），其中，產值=液化氣單價×液化氣噸數+輕烴單價×輕烴噸數，綜合能耗折算價格=用醇量×耗醇量+電費單價×耗電量+天然氣用量×耗氣量（其中，液化氣4905元/噸，輕烴5639元/噸，甲醇2000元/噸，電費0.41元/度，天然氣1.49元/噸），各工況下的利潤如表3所示，第七組試驗下的利潤優于其他各組模擬試驗下的利潤，利潤最大值為61萬元/天。此時，當進站溫度為20℃時，產品總量最大，液化氣產量最大，單位產品能耗最小，單位產品能耗效益最優。

3.2.4 灰色關聯法探究主次要因素

在利用HYSYS軟件搭建模擬流程圖得到的各個條件下產量及能耗的基礎上，定量分析各因素對能耗及產量的影響程度。灰色系統理論由鄧聚龍教授于1982年提出，經過40余年的發展，該理論廣泛運用于社會科學與自然科學諸多領域。該方法主要根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度（也稱之為“灰色關聯度”）衡量因素間關聯程度。關聯系數和關聯度值表現因素對行為的影響程度并對關聯度進行排序是灰色關聯法的核心思想。關聯度是指兩個系統之間的因素隨時間或不同對象而變化的關聯性大小的量度，如果兩個因素變化的趨勢具有一致性，說明二者關聯程度較高，反之，則較低[4-5]。此處設定自變量X1為制冷深度，X2為脫己烷塔底溫度，X3為液化氣塔底溫度，X4為輕油循環吸收量，X5為脫己烷塔頂回流量，依次得因變量液化氣產量、輕烴產量、產品總量及單位產品能耗與自變量的關聯系數，如表4所示，最終得到的主次因素（關聯序）如表5所示。

由表5可知，對液化氣產量影響最大的因素為輕油循環吸收量，影響最小的因素是脫己烷塔頂回流量；對輕烴產量影響最大的因素是液化氣塔底溫度，影響最小的因素是輕油循環量；對產品總量影響最大的因素是輕油循環吸收量，影響最小的因素是脫己烷塔頂回流量；對單位產品能耗影響最大的因素是脫己烷塔底溫度，影響最小的因素是輕油循環吸收量。

4.結論

（1）搭建處理站流程模型，模型符合度達到90%以上，可用于現場借鑒。

（2）模擬得到8項影響產量及能耗的因素，其中現場可調因素5項，分別為制冷深度、脫己烷塔底溫度、液化氣塔底溫度、輕油循環量和脫己烷塔頂回流量。

（3）優化后液化氣產量最高為75t/d，較目前工況高10.76t/d；輕烴產量最高為51.41t/d，較目前工況高6.05t/d；產品總量最高為123.12t/d，較目前工況高13.52t/d。

（4）優化后單位產品能耗最低為5519MJ/t，較目前工況下降低31.62%。

（5）優化后的利潤預計最高可達到61萬元/天，收益較為可觀。

（6）對液化氣和產品總量影響最大的因素為輕油循環吸收量，對輕烴產量影響最大的因素是液化氣塔底溫度，對單位產品能耗影響最大的因素是脫己烷塔底溫度。

參考文獻：

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