王小林 刘 瑾 魏莹鹏

1.西南石油大学研究生学院，四川 成都 610500；

2.中国石油西南油气田公司川中油气矿磨溪天然气净化厂，四川 遂宁 629000

0 前言

含硫天然气净化装置溶液循环量大、 工艺流程复杂、能源消耗大、开采成本高。 如何通过系统模拟与分析确定天然气净化装置的最优操作条件，降低天然气处理过程中能量消耗节省操作成本，提高经济效益和市场竞争力，成为目前石油企业迫切需要解决的问题。 利用净化装置在线测量数据信息，优化装置操作参数、降低净化装置的能耗和运行成本，建立严格的工艺过程模拟模型，在此基础上，建立装置运行能耗为目标的优化模型［1］。

1 最优化技术简介

最优化技术是一门应用性很强的新兴技术， 是研究在一定条件下如何用最小的代价获得最佳的效果， 它已逐步成为工业、农业、交通、能源等部门不可缺少的重要技术。 国内外应用实践表明，在同样条件下，经过优化技术的处理，对过程系统效率的提高、能耗的降低、资源的合理利用、经济效益的提高等，均有显著效果。

1.1 最优化问题

最优化问题通常由目标函数、优化变量和约束条件构成。

目标函数（又称性能函数或评价函数）是最优化问题所要达到的目标，根据实际需要可以是单目标函数或是多目标函数。

优化变量，对于过程系统参数优化问题，就是过程变量。 过程变量主要由两部分组成，即决策变量和状态变量。 决策变量等于系统的自由度，是系统变量中可以独立变化改变系统行为的变量。 状态变量是决策变量的函数，是不能独立变化的变量，服从于描述系统性能的模型方程。

约束条件是对优化变量取值范围的限制。

1.2 优化问题的求解途径

过程系统参数优化问题求解的途径主要有：案例研究、参数灵敏度分析和直接优化法。

案例研究是对于一些优化变量用不同的数值代入，重复计算目标函数，寻求使目标函数不断改进的优化变量值，直至找到最优值。 适用于优化变量数较少，且相互间影响作用较小的优化问题求解。

参数灵敏度分析法与案例研究非常类似。 具体做法是选择一个合理的操作初值，然后对每个变量各向前和向后移动一步，用案例研究相同的方法得出优化目标函数值，重复以上计算步骤，直到目标函数无显著改进为止。

直接优化法是用最优化算法直接搜索最优的优化变量值，由于化工过程的数学模型非常复杂，采用这种方法需将优化程序和流程模拟软件结合使用［2］。

2 模型的建立

对中国石油西南油气田公司川中油气矿磨溪天然气净化厂50×104m3/d 净化装置脱硫工段进行优化分析。装置采用40%（w）MDEA 溶液吸收法脱除原料气中的酸气（主要为H2S 和CO2）成分，循环量为10.0 m3/h。

2.1 天然气脱硫净化工艺

原料天然气的组成和条件见表1。

表1 进料天然气的组成、条件

脱硫后的湿净化气要求：H2S 质量浓度≤20 mg/m3，CO2体积分数≤3%（φ）

2.2 天然气脱硫工艺HYSYS 模拟

根据脱硫工段的工艺流程， 构建HYSYS 模拟流程见图1。

图1 天然气脱硫工艺流程模拟

采用脱硫工段运行数据运用HYSYS 对流程进行模拟计算，在模拟过程中假设：

a）不考虑设备的腐蚀情况；

b）忽略各个设备的散热损失。

醇胺法脱硫工艺， 选择HYSYS 软件提供的Amine Pkg 物性包。 热力学计算模型为Li-Mather 模型，气液相模型选择非理想物系模型。 吸收塔选用Absorber 模块，闪蒸罐选用Separator 模块， 再生塔选用Distillation Column 模块，贫富液换热器选用Heat Exchanger 模块，冷却器选用Cooler 模块，循环泵选用Pump 模块，循环装置选用Recycle 模块［3-4］。

2.3 优化目标

优化目标可以根据需要确定，例如产品质量、能耗最低等。 天然气净化厂以脱硫工段能耗最低为优化目标，脱硫工段能耗最大的设备是重沸器和循环泵，故优化目标为：

式中：J 为总能耗，kJ/h；N 为泵能耗，kJ/h；Q 为再沸器能耗，kJ/h。

2.4 优化变量的确定

对装置操作参数的优化就是根据实际条件调整决策变量，称为可调变量。 优化变量在可调变量中选取，这些变量在实际生产中必须可调。 在装置的设备条件固定及不考虑设备热量或冷量损失的前提下，确定脱硫工段的可调变量数及可调变量的选择见表2， 各可调变量对脱硫工段能耗的影响见图2。

从图2 可以看出，原料气的温度和压力、减压阀出口压力、贫胺液循环量对于优化目标（总能耗）的影响不明显；而再生塔的回流比、贫胺液质量分数影响更为明显，可调变量的灵敏度见表3。

表2 可调变量数及可调变量选择

图2 可调变量对总能耗的影响

在确定调优部位时，应选取可调变量中对能耗影响较明显的参数，从表3 可以看出再生塔回流比R 的灵敏度为0.55 和贫胺液质量分数w 的灵敏度为0.09，相对于其他可调变量的灵敏度高出很多，所以选取胺液再生塔的回流比R 和贫胺液质量分数w 作为优化变量［5］。

表3 可调变量的灵敏度

2.5 优化变量的约束条件

在天然气净化装置处理量一定的情况下，优化变量的取值必须满足使净化天然气中H2S、CO2浓度含量满足国家相关政策性法规和标准的要求， 即H2S 质量浓度≤20 mg/m3，CO2体积分数≤3%（φ）。

净化工段的约束方程为：

式中：CHS2为湿净化气中的H2S 质量浓度，mg/m3；yCO2为湿净化气中的CO2体积百分数，%；w 为贫胺液中MDEA的质量分数；R 为胺液再生塔的回流比。

3 优化的计算与结果

3.1 优化计算过程

从优化变量对优化目标的影响分析可知再生塔的回流比、 贫胺液质量分数均有利于优化目标。 当两个变量同时改变时， 存在一组变量值使得优化目标值最小。优化计算过程是一个优化目标逐渐改善的迭代过程［6］，优化目标的求解过程计算流程见图3。

图3 优化计算过程框图

3.2 优化结果

通过优化计算确定了优化变量，优化后的贫胺液中MDEA 的质量分数、 胺液再生塔的回流比和脱硫工段的能耗与优化前的对比见表4。

表4 优化前、后参数对比

从表4 的结果可以看出优化后的能耗比优化前减少了12.35%，效果明显。 对于耗能比较大的净化厂来说是一笔可观的节省。

4 结论

a） 贫胺液的浓度和再生塔回流比是影响天然气净化装置脱硫工段能耗的重要操作参数。

b）对磨溪净化装置脱硫工段操作参数优化后，能耗比优化前降低了12.35%，经济效益显著。

c）提出的优化模型和优化方法通用性强，可以运用于其它天然气净化过程系统的操作参数优化。

［1］ 李 奇，姬忠礼，段西欢，等. 基于HYSYS 和GA 的天然气净化装置用能优化［J］. 天然气工业，2011，31（9）：102-106.

［2］ 龚 兵. 轻烃回收装置工艺模拟与优化［D］. 成都：西南石油大学，2005.

［3］ 李士富，王日燕，王 勇. 山西沁水煤层气液化HYSYS 软件计算模型［J］. 天然气与石油，2010，28（4）：22-25.

［4］ 汪宏伟，李 明，宋光红，等. 广安轻烃回收工艺方案选择［J］. 天然气与石油，2009，8（4）：19-23.

［5］ 顾安忠. 液化天然气技术［M］. 北京： 机械工业出版社，2003.72-83.

［6］ 倪进方. 化工过程设计［M］. 北京：化学工业出版社，1999.294-296.