基于序贯模块法的天然气乙烷回收工艺参数优化

陈晓明，李 虎，陶玉林，董江洁，刘明明，饶何隆

（1. 新疆油田公司采气一厂，新疆 克拉玛依 834000；
2. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610000）

天然气乙烷回收是指回收天然气中的乙烷及以上的重组分[1]。相比于液化气和稳定凝析油等为原料生产乙烯，通过乙烷生产乙烯路线具有较高的转化率，因此优势更加明显。在很多西方发达国家中，回收天然气中的乙烷，并以此为原料生产乙烯的方法得到了较早应用[2]。过去，国内大多轻烃回收装置仅回收了天然气中的丙烷及以上重组分，提高气田经济效益的能力有限。目前，中石油克拉美丽、玛河和长庆等气田的乙烷回收装置均已投产，进一步提高了气田的综合收益。

天然气乙烷回收工艺节点控制参数繁多，各主要参数间关联性强，相互影响规律复杂。在研究天然气处理系统时常采用系统模拟法，主要有联立方程法、联立模块法和序贯模拟法。其中，联立方程法的计算模型较为繁琐，在计算一些复杂流程时十分困难；
联立模块法结合了联立方程法与序贯模块法；
相较于前者，序贯模拟法计算简单，在大型复杂流程的求解中更有效，因此广泛应用于轻烃回收系统的求解[3,4]。

近年来，国内学者采用序贯模块法理论和相关软件对部分工艺流程进行了模拟研究。梁光川等[5]为了降低压力损失和提高管网的输送能力，根据输气站在管网中的重要性和站场设备多样性的实际情况，建立了输气站工艺单元和系统结构的数学模型，运用序贯模块法开展了输气站压损过程模拟技术研究，开发了天然气输气站过程模拟软件。梁平等[6]运用序贯模块法完成各单体设备之间输入输出的连接，实现了天然气处理全流程模拟，可用于全流程操作参数优化；
应用该方法开发的牙哈凝析气田集中处理站全流程模拟软件能够有效地实现全流程模拟及优化。项东等[7]将序贯模块法理论与Aspen模拟软件进行有机融合，解决了由于断裂流股选取不合适及初值设置不合理导致模拟结果不收敛的问题。

本文以克拉美丽气田天然气乙烷回收工艺为例，基于序贯模块法进行系统模拟，分析了工艺中各关键参数的影响，并对系统进行了㶲分析。以能耗和产品产量为目标，对系统工艺参数进行了优化，降低了能耗，提升了装置运行的经济性。

1 序贯模块法

在处理系统的求解模型过程中可采用序贯模块法。这种求解方法是先将单元模块看作基本的计算单元，然后按单元模块的顺序来完成计算[5,6,8]。当其用于乙烷回收工艺流程时，由单元模块组成的结构单元图可由含有单元设备的流程图转化而来[9]。

1.1.1 结构单元图

结构单元图是由节点和流这两个基本要素组成的。节点也叫做结构单元图的单元模块，可认为其是装置中的一个设备。流是连接节点之间的元素，由能量流和物料流构成，具有方向性，可以通过使用箭头进行指示。通过节点的流，其组成、温度以及压力等一般会发生改变，每个节点前后流的状态表示对应的实际装置各部位的状态[10]。结构单元图从工艺流程图转换而来，节点既可以是虚拟单元，也可以是单元设备。虚拟单元不一定是特定或具体单元，但是其能量流或物料流已经改变[11]。以如图1所示的增压装置流程为例，建立其单元结构，如图2所示，其中A为设备代号，S为物流代号。

图1 增压装置流程Fig. 1 Pressurization unit flow

图2 增压结构单元Fig. 2 Pressurization structure unit

1.1.2 不可分割子系统的识别

采用序贯模块法对系统进行模拟，需要先对系统进行分析，将整个系统分为若干个相互不循环的独立子系统，并确定各子系统的计算顺序。通路搜索法和邻接矩阵升幂法都可用于识别不可分割子系统[12]。

通路搜索法由回路搜索法和单元串搜索法构成。该法旨在通过对系统有向图的闭环搜索，然后利用黑箱理论，将已知的闭环同时虚拟为一个节点。按此方法对闭环进行重复不断地搜索，直到找到所有闭环为止[13]。

邻接矩阵升幂法的原理是根据邻接矩阵的性质进行分割，节点之间所有的n步路径是由矩阵的n次幂给出的。因此，矩阵的p次幂上只要出现一个非零对角元素，就可得出矩阵中存在p步循环的结论，且循环上的节点也就是对角线上非零元素对应的节点[14,15]。

1.1.3 不可分割子系统的断裂

在采用序贯模块法进行过程模拟计算时，存在循环流，在不断开回流的情况下，就必须同时对所有节点进行求解，过程十分复杂，因此有必要先断裂回路，然后再通过序贯模块法来解决。而HYSYS建模时如果断裂流股选取不合适，可能造成模拟结果不收敛。选取断裂回路的方法包括回路矩阵法、基本断裂法和动态规划法。其中，在处理天然气系统等复杂流程时，回路矩阵法更加有效[16]。

根据回路矩阵法，以断裂流数量最少为准则，在系统中找出全部的回路。用回路矩阵表示找到的回路，表明系统中包含的回路，以及各个回路的流股组成，每个回路要与矩阵的每一行一一对应，流号通过列号表示[7]。利用回路矩阵法确定断裂流线的步骤如下[17,18]：（1）将回路矩阵中非独立列删除；
（2）在候选流线中，确定出断裂流线，在矩阵中，找到秩为1的行，而断裂流线就是该行里的非零元素对应的列；
（3）重复前两个步骤，直至求得零矩阵。

1.1.4 序贯模块法求解流程顺序

用序贯模块法求解工艺流程顺序如下：（1）转化系统工艺流程图为结构单元图；
（2）通过分析系统，识别出过程系统的不可分割子系统，然后赋予每个子系统求解顺序；
（3）将不可分割子系统断开，确定出最佳断裂流，然后再设置收敛单元；
（4）按照顺序排定有回路的子系统里的所有节点；
（5）按照子系统和节点顺序，运用第三方软件对整个系统求解。

1.2 序贯模块法求解实例引入

1.2.1 天然气气质条件

克拉美丽气田天然气进深冷装置温度为30 °C，压力为6.9 MPa，处理量折合标准状况下为250 × 104m3/d，原料气组成如表1所示。C2+组分占7.68%（体积分数，下同），具有较好的回收价值。

表1 原料气组成Table 1 Feed gas composition

1.2.2 工艺流程

克拉美丽气田天然气乙烷回收工艺流程如图3所示。首先将低中压气梯级增压至高压后与高压气汇合，随后经分子筛脱水、脱固体杂质后进入深冷凝液回收装置；
脱水干气由换热器（E-4501）预冷后进入低温分离器分离，分离出的大部分气相经膨胀机膨胀后直接进入脱甲烷塔，其余的气相通过换热器（E-4501）过冷，过冷后的气相进入脱甲烷塔。从分离器底部出来的液相经过节流阀，再进入脱甲烷塔；
脱甲烷塔顶产品气经换热器（E-4501）换热后分别通过膨胀机增压端和外输气压缩机增压，然后将一股干气作为回流气回流至脱甲烷塔顶，另一股进入外输管网。脱甲烷塔抽出两条侧线回收冷量，塔底凝液则进入脱乙烷塔；
从脱乙烷塔顶出来的气相，分别作为外输的产品气和回流至塔顶的回流气；
底部凝液进入液化气塔；
其中液化气塔顶产品气在空冷器中降温至全部液化后，也分为两部分，分别是液化气产品和回流至塔顶的流股，塔底通过重沸器进行加热，底部出来的凝液即为稳定轻烃。

图3 克拉美丽气田乙烷回收工艺流程Fig. 3 Process of ethane recovery in Kelameli gas field

1.2.3 基于序贯模块法求解模拟系统顺序

基于序贯模块法求解过程，建立克拉美丽气田乙烷回收系统结构单元，如图4所示。

图4 克拉美丽气田乙烷回收系统结构单元Fig. 4 Structural unit of ethane recovery system in Kelameli gas field

克拉美丽气田乙烷回收系统由增压脱水系统和制冷分馏系统组成，对两个子系统开展断裂、排序及不可分割子系统的识别。

（1）增压脱水系统主要包括对原料气进行增压、使用分子筛进行脱水和脱除固体杂质等流程，该系统不含回路，采用邻接矩阵对其子系统进行识别与排序，最终得到求解序列为A1→A2→A3→A4→A5→A6→A7→A8→A9，无再循环流，因此依次计算。

（2）制冷分馏系统主要包括膨胀制冷和凝液分馏等流程，写出其邻接矩阵后通过回路搜索法，确定出回路A10→A15→A10，利用虚拟节点L1代替回路节点，得到新的邻接矩阵。以此方法按序找到回路L1→A21→A22→A23→A24→L1，利用虚拟节点L2替代回路节点，则可以构造出新矩阵。因此，制冷分馏系统的求解顺序为：(A10→A11→A12→A13→A14→A15→A16→A21→A22→A23→A24)→A17→A18→A19→A20。

（3）运用回路矩阵断裂不可分割子系统，对简单回路L1（如图5所示）和简单回路L2（如图6所示）进行分析。通过回路矩阵法分析可知，，即S22、S23、S24和S41为不独立列。选择S21作为断流流线，设定S21的初值，按照流线方向，对回路系统进行迭代计算。

图5 简单回路L1Fig. 5 Simple loop L1

图6 简单回路L2 Fig. 6 Simple loop L2

由序贯模块法分析得到整个克拉美丽气田乙烷回收系统结构单元求解顺序为：A1→A2→A3→A4→A5→A6→A7→A8→A9→(A10→A11→A12→A13→A14→A15→A16→A21→A22→A23→A24)→A17→A18→A19→A20。依据图4的求解顺序采用HYSYS软件建立克拉美丽乙烷回收工艺HYSYS计算模型，如图7所示。

图7 克拉美丽气田乙烷回收工艺HYSYS计算模型Fig. 7 HYSYS calculation model of ethane recovery process in Kelameli gas field

2.1 关键参数影响分析

在进行系统参数优化前应明确各参数影响变化规律。因此，对系统中低温分离器温度、气相过冷比、膨胀机出口压力和干气回流比等关键参数对乙烷收率和装置总能耗的影响进行分析，结果如图8所示。

图8 关键参数对乙烷收率和装置总能耗的影响Fig. 8 Influence of key parameters on ethane yield and total energy consumption of the unit

从图8(a)可知，降低低温分离器温度能提高乙烷收率。当温度处于-45~-25 °C之间时，乙烷收率增加迅速，温度进一步降低后，乙烷收率变化较为平缓；
随着低温分离器温度的降低，装置总能耗逐渐增加，其增加趋势逐渐趋于平缓。由图8(b)可知，在膨胀机出口压力由3.0 MPa减少到2.0 MPa的过程中，乙烷收率不断增加，而装置总能耗不断减小。由图8(c)可知，随干气回流比增加，乙烷回收率增加明显，当干气回流比达到0.10时，曲线变得平缓。此时乙烷收率已经超过99%，收率变化不大，而装置总能耗呈线性增加趋势。在干气回流比为0.05时，此时乙烷收率可达到95%以上，因此建议干气回流比不低于0.05，同时不高于0.10。从图8(d)可知，随低温分离器气相过冷比增加，低温分离器气相去到多股流换热器过冷的气体量增大，乙烷收率与装置总能耗均不断提高；
随着气相过冷比的进一步增加，乙烷收率已经达到较高水平，上升趋势有所减缓，此时装置总能耗也趋于平缓。

2.2 系统㶲分析

基于㶲分析方法，从系统能量的角度对乙烷回收系统进行分析，得出系统中㶲损分布规律及各设备㶲效率，为系统参数优化提供方向。对乙烷回收系统进行㶲分析时采用黑箱模型，其中各个装置都将视为黑箱，建立克拉美丽乙烷回收系统制冷分馏单元㶲流模型，如图9所示，计算系统各设备㶲损失占比及㶲效率。

图9 克拉美丽气田乙烷回收系统制冷分馏单元㶲流模型Fig. 9 Exergy flow model of refrigeration fractionation unit in ethane recovery system of Kelameli gas field

㶲的计算公式如式(1)和式(2)所示：

式中，exm为单位质量物流的㶲，kJ/kg；
H为单位物流处于系统当前状态时的焓，kJ/kg；
H0为单位物流处于环境基准状态时的焓，kJ/kg；
T0为环境基准温度，K；
S为单位物流处于系统当前状态时的熵，kJ/(kg·K)；
S0为单位物流处于环境基准状态时的熵，kJ/(kg·K)；
Exm为物流的㶲，kJ/h；
m为物流流量，kg/h。

㶲损失Dx与㶲效率ηE的计算公式分别如式(3)和式(4)所示：

系统各设备㶲损失占比如图10所示。由图10可见，脱甲烷塔、脱乙烷塔和液化气塔等设备㶲损失占比最为突出，换热器、膨胀机和空冷器等设备㶲损失占比次之，而节流阀和混合器等设备㶲损在总㶲损中占比很少，基本可以不考虑这部分㶲损。

图10 系统各设备㶲损失占比Fig. 10 Exergy loss proportion of each equipment of the system

系统各设备㶲效率占比如图11所示。由图11可见，在克拉美丽乙烷回收系统制冷分馏单元中，绝大多数设备㶲效率均在95.00%以上，设备运行状况良好，系统设备能量转换效果良好，能量能有效利用。然而，系统中液化气塔空冷器AC-103㶲效率为83.74%，脱乙烷塔底重沸器Re-4601㶲效率仅为35.47%，这两种设备㶲效率低，能量转换效果较差，有效利用程度低。因此，在进行参数优化时，应在满足乙烷收率要求的情况下，尽可能降低脱乙烷塔底重沸器负荷以及提高空冷器的冷却效果。

图11 系统各设备㶲效率Fig. 11 Exergy efficiency of each equipment of the system

2.3 乙烷回收系统参数优化

本系统是采用透平膨胀机膨胀制冷的低温分离工艺，以回收乙烷及以上组分为目的。如果一味地提高产品收率会受到装置能耗的限制，仅仅追求收率最大或能耗最低，都无法保证达到装置的总收益最大化。因此，将系统的总能耗与乙烷回收量之比最低作为优化的目标更加科学，以此建立的运行成本效益模型，反映了乙烷产品回收最低成本[19-21]。

2.3.1 优化模型

为实现企业效益最大化，以较低的能耗获得较高乙烷产量为优化目标对该系统进行优化。根据以上分析，该深冷系统可建立优化模型，如式(5)所示：

式中，F为乙烷产品比功耗，kJ/kmol；
Ei为第i个装置能耗，kJ/h；
QC2为乙烷产品摩尔流量，kmol/h。

优化变量由决策变量和状态变量构成。优化系统的运行参数，可以根据实际条件调整其决策变量，也叫做可调变量，应尽量在其中选取优化变量。根据对设备参数的敏感性分析，这里选取4个变量作为优化变量，分别是低温分离器的温度、膨胀机的出口处压力、干气回流比和气相过冷比。变量约束条件如式(6)~(11)所示：

式中，RC2为乙烷收率，%；
Δt为换热器最小温差，°C；
t为分离器的温度，°C；
p为膨胀机的出口处压力，MPa；
α为干气回流比；
β为气相过冷比。

2.3.2 优化结果

优化模型求解方法主要有序列二次规化（SQP）法、混合（Mixed）法、黑盒子（BOX）法、共扼梯度法以及拟牛顿法。SQP法是求解等式和不等式约束下最有效的方法之一[22]。本文建立的优化模型含有等式和不等式约束，因此采用HYSYS软件中自带SQP法优化器求解乙烷回收系统优化模型，结果如表2所示。

表2 优化前后关键参数Table 2 Key parameters before and after optimization

为了评价优化效果，对优化前后乙烷收率、乙烷比功耗、乙烷产量和系统㶲损失等指标进行比较，结果如表3所示。由表3可知，经参数优化后，乙烷收率由92.62%提高到97.01%；
乙烷比功耗降低了约5.4%，乙烷产量增加了约4.9%，系统㶲损失减少了约8.8%。

表3 优化前后结果对比Table 3 Comparison of results before and after optimization

本文以克拉美丽气田乙烷回收为实例，采用序贯模块法理论建立了系统模拟求解模型；
对系统中关键参数进行影响分析，从㶲损的角度对系统用能情况进行分析，建立了优化模型并采用SQP优化方法对系统参数进行了优化。主要结论如下：

（1）序贯模块法打破了通过单体设备优化参数的局限性，可解决HYSYS建模时由于断裂流股选取不合适，造成模拟结果不收敛的问题，为复杂的乙烷回收流程建模提供了方法。

（2）增大干气回流比和气相过冷比，降低低温分离器温度和膨胀机出口压力可以提高乙烷收率，但是除降低膨胀机出口压力外，其余3种方式均会使得装置总能耗增大。

（3）脱甲烷塔、脱乙烷塔和液化气塔等设备㶲损占总㶲损的比例大，节流阀和混合器等设备的㶲损失较小。大多数设备㶲效率在95%以上，能量利用效果好。然而，液化气塔空冷器AC-103及脱乙烷塔底重沸器Re-4601的㶲效率低下，应尽可能降低脱乙烷塔底重沸器负荷以及提高空冷器的冷却效率。

（4）参数优化后，乙烷收率提高至97.01%，乙烷比功耗降低约5.4%，乙烷产量增加约4.9%，系统㶲损失减少约8.8%，通过调节运行参数取得了较好优化效果。