DHX轻烃回收工艺能耗优化研究.pdf

1、管理实践/Management&Practice石油石化节能与计量 https:/从天然气、凝析气或伴生气中进行轻烃回收，不仅可以提高天然气的附加值，还能降低系统能耗，优化资源配置占比。轻烃回收是利用提高压力、降低温度使天然气中 C3及以上的重组分冷凝，再利用气液平衡原理，通过脱乙烷塔和脱丁烷塔，将液化石油气和稳定轻油脱出1-2。目前，轻烃回收工艺主要有低温冷凝法和油吸收法两种，并以低温冷凝法中的 DHX（直接接触法）工艺应用最为广DHX轻烃回收工艺能耗优化研究王媛媛（大庆油田有限责任公司第五采油厂）摘要：为提高 DHX（直接接触法）轻烃回收工艺的 C3收率，降低生产过程中的综合能耗，利用Hy

2、sys 软件建立轻烃回收工艺流程模型。通过单因素影响实验确定决策变量及取值范围，利用响应面进行实验设计，得到目标函数的多元二次方程，并进行最佳工艺参数的迭代优化。结果表明：影响 C3收率和综合能耗的单因素从强至弱依次为低温分离器温度、膨胀机出口压力、DHX塔塔顶进料循环量和 DHX塔塔顶回流压力；交互项中只有低温分离器温度和膨胀机出口压力对响应值影响显著，其余交互项均不显著；当优化前后的综合能耗相近时，C3收率可提高1.78 个百分点，当优化前后的 C3收率相近时，综合能耗可减少 109 kW。研究结果可为同类工艺流程的参数优化提供实际参考。关键词：轻烃回收；DHX；能耗；C3收率；Hysys

3、DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.11.011Research on the energy consumption optimization of DHX lighter hydrocarbons recovery processWANG YuanyuanNo.5 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，LtdAbstract：In order to improve the C3yield of DHX lighter hydrocarbons recovery process and reducethe comp

4、rehensive energy consumption in the production process，the Hysys software is used to estab-lish lighter hydrocarbons recovery processThe decision variables and their value range are determinedthrough the single factor experiment and the experimental design is carried out using response surfaces，whic

5、h obtains the multivariate quadratic equation of the objective function and carries out the iterativeoptimization of the best process parameters The results show that the single factors affecting the C3yield and comprehensive energy consumption from strong to weak are cryoseparator temperature，out-l

6、et pressure of expander，feed circulation amount on top of DHX tower and return pressure on top ofDHX towerAmong the interaction terms，only the cryoseparator temperature and the outlet pressureof the expander have significant effects on the response value，while the other interaction terms are notsign

7、ificantWhen the comprehensive energy consumption before and after optimization is similar，theC3yield can be increased by 1.78 percentage points，and when the C3yield is similar before and afteroptimization，the comprehensive energy consumption can be reduced by 109 kWThe research re-sults can provide

8、practical reference for the parameter optimization of similar process.Keywords：lighter hydrocarbons recovery；DHX；energy consumption；C3yield；Hysys作者简介：王媛媛，工程师，2003 年毕业于东北农业大学（电子信息工程专业），从事数据库及油气集输管理工作，0459-4596833，黑龙江省大庆市第五采油厂工艺研究所地面工程室，163513。引文：王媛媛DHX轻烃回收工艺能耗优化研究J石油石化节能与计量，2023，13（11）：47-51.WANG Yua

9、nyuanResearch on the energy consumption optimization of DHX lighter hydrocarbons recovery processJEner-gy Conservation and Measurement in Petroleum&Petrochemical Industry，2023，13（11）：47-51.47石油石化节能与计量 https:/王媛媛：DHX轻烃回收工艺能耗优化研究 第 13卷第 11期（2023-11）泛3-4。迄今为止，已有诸多学者针对 DHX 工艺进行了深入研究和探讨5-7，但研究均只考虑单因素对C3收

10、率和能耗的影响，如同采用黑箱模型对数据进行预估，缺乏对现场的理论指导。基于此，利用Hysys软件建立 DHX 轻烃回收工艺流程模型，在单因素实验的基础上，结合响应面法得到目标函数的多元二次方程，并确定最优工艺参数。1DHX工艺流程模型1.1模型搭建应用 Hysys软件建立 DHX 工艺流程模型。原料气先经过两级压缩机增压后，水冷至 40，进入大冷箱降温，随后进入低温分离器进行气液分离；分离出的液烃，节流降温后进入大冷箱复热后进入脱乙烷塔的中部，分离出的气体进入膨胀机，膨胀降压降温后，进入 DHX 塔底部；DHX 塔底的富气与塔顶脱乙烷塔的回流液烃逆流接触，原料气中 C3及以上的组分被吸收，DH

11、X塔底流出的液烃经泵增加后进入脱乙烷塔顶部，在底部重沸器水蒸气的作用下，进行传质传热，塔顶流出的干气经小冷箱、大冷箱复热后外输；脱乙烷塔底流出的液烃在自压作用下流入脱丁烷塔，在塔底重沸器和塔顶冷凝器的作用下，分离出液化石油气和稳定轻油8。此外，丙烷循环系统负责将液态丙烷节流降温后为大冷箱提供冷量，再将气化后的丙烷通过压缩、水冷，完成一个丙烷循环制冷。DHX工艺流程模型见图 1。DHX工艺具有冷量利用合理、脱乙烷塔顶回流操作平稳、增压泵运行稳定等优点，因此在我国广泛应用。1.2模型验证以大庆某油田联合站中的轻烃回收工艺为例进行模型验证，原料气组分见表 1，物性计算方法采用 PR 状态方程。结合原

12、料气组分和装置运行参数进行全流程模拟，并将模拟结果与运行参数对比。可见两者之间的吻合性较好，最大相对误差不超过5%，说明模型搭建合理，气、液两相平衡间的传质传热问题得到较好的体现，模型可以反映轻烃回收装置的运行状态，可为后续的优化调整提供基础。模拟结果对比分析见表 2。表 1原料气组分Tab.1 Composition of raw gas摩尔分数/%C172.26C213.55C36.04iC40.91nC41.17iC50.40nC50.25C60.15C70.06C80.02C90.01CO23.87N21.31表 2模拟结果对比分析Tab.2 Comparative analysis

13、of simulation results项目原料气温度/原料气压力/MPa原料气压缩机出口温度/原料气压缩机出口压力/MPaDHX塔进料温度/DHX塔塔顶回流温度/脱乙烷塔塔底压力/MPa脱丁烷塔塔底压力/MPa丙烷制冷节流后温度/模拟值30.001.6040.004.31-55.00-54.001.921.34-40.00运行值31.001.5638.504.35-56.00-56.001.911.35-42.00相对误差/%-3.222.563.89-0.91-1.78-3.570.52-0.74-4.762关键参数单因素分析优化结果以较高的 C3收率和较低的工艺能耗为前提，公式如下：=

14、v-v1v 100%（1）图 1DHX工艺流程模型Fig.1 Flow of DHX process48管理实践/Management&Practice石油石化节能与计量 https:/Q=Q冷却器+Q膨胀机+Q液烃泵+Q重沸器+Q压缩机（2）式中：为 C3收率，%；v为原料气中丙烷流量，kgmol/h；v1为离开 DHX 塔顶部去往外输的干气中丙 烷 流 量，kgmol/h；Q为 综 合 能 耗，kW；Q冷却器、Q膨胀机、Q液烃泵、Q重沸器、Q压缩机等均为流程中设备的输入等效能耗，kW。考虑到膨胀机、泵、压缩机、空冷器消耗电能，而 重 沸 器 消 耗 导 热 油 的 热 能，故 根 据GB/

15、T 2589 2020综合能耗计算通则 中的能源折算系数将这两种能量转化为综合能耗。2.1低温分离器温度保持其余参数不变，在低温分离器-30-10，步长 2 的条件下，考察其对 C3收率和综合能耗的影响。DHX工艺本质上是利用冷凝法回收天然气中的重组分，因此冷凝温度是关键。温度越低，通过膨胀机的流量越小，进入 DHX塔的冷量越充足，C3收率越大，但 C3收率不会无限增大，这是由于低温分离器的分离效率是有限的9。过低的分离温度会导致后续脱乙烷塔和脱丁烷中塔底 C2的冷凝率和能耗大幅增加，因此应在 C3收率和综合能耗之间综合考虑分离器温度，低于-40，范围为-40-30。低温分离器温度对 C3收率

16、和综合能耗的影响见图 2。图 2低温分离器温度对 C3收率和综合能耗的影响Fig.2 Influence of low temperature separator temperature on C3yield and comprehensive energy consumption2.2膨胀机出口压力保 持 其 余 参 数 不 变，在 膨 胀 机 出 口 压 力1.82.5 MPa，步长为 0.1 MPa 的条件下，考察其对C3收率和综合能耗的影响。随着膨胀压力的升高，进入 DHX 塔的温度越高，气体膨胀越不充分，塔内冷量不足，C3收率有所降低。膨胀端压力的升高同样会提高外输压力（如外输压力有

17、所限制，还需要进行降压操作），导致综合能耗有所上升。综合考虑，建议膨胀机出口压力在 1.82.2 MPa。膨胀机出口压力对 C3收率和综合能耗的影响见图 3。图 3膨胀机出口压力对 C3收率和综合能耗的影响Fig.3 Influence of expander outlet pressure on C3yield andcomprehensive energy consumption2.3DHX塔塔顶回流压力保持其余参数不变，在 DHX 塔塔顶回流压力1.501.78 MPa，步长为 0.04 MPa的条件下，考察其对 C3收率和综合能耗的影响。随着塔顶压力升高，塔顶温度也升高，C3收率有所下

18、降。回流温度较高，DHX塔底部液烃的摩尔流量增加，轻组分含量增多，故脱乙烷塔和脱丁烷塔所需热量也增大，综合能耗有所升高10。综合考虑，建议塔顶压力不超过 1.70 MPa。DHX 塔塔顶回流压力对 C3收率和综合能耗的影响见图 4。图 4DHX塔塔顶回流压力对 C3收率和综合能耗的影响Fig.4 Influence of top return pressure of DHX tower on C3yieldand comprehensive energy consumption2.4DHX塔塔顶进料循环量保持其余参数不变，在 DHX 塔塔顶进料循环量 170200 kgmol/h，步长为 5

19、kgmol/h的条件下，考察其对 C3收率和综合能耗的影响。DHX 塔顶吸收剂是通过脱乙烷塔顶冷凝后得到，主要为液相甲烷和乙烷，吸收剂的循环量越大，C3收率越高，但循环量增大到 185 kgmol/h 以上时，C3收率不再增加，这是由于吸收剂的选择性与其重度、黏度和比热容等因素相关，当溶质在气相中的分压与其在液相中的饱和蒸气压相等时，吸收达到平衡状态。此外，49石油石化节能与计量 https:/王媛媛：DHX轻烃回收工艺能耗优化研究 第 13卷第 11期（2023-11）提高吸收剂循环量相当于消耗了更多冷量用于甲烷和乙烷的冷凝，故综合能耗持续上升。综合考虑，建议 DHX 塔塔顶进料循环量不超过

20、 185 kgmol/h。DHX 塔塔顶进料循环量对 C3收率和综合能耗的影响见图 5。图 5DHX塔塔顶进料循环量对 C3收率和综合能耗的影响Fig.5 Influence of top feed circulation amount of DHX tower onC3yield and comprehensive energy consumption3参数优化3.1响应面实验设计响应面分析法可以分析多因素控制作用下目标函数的变化情况，并考察单因素、多因素之间的交互作用，通过建立非线性多元二次方程用于后续的优化和预测。根据之前的单因素影响实验结果，确定响应面实验设计的自变量为低温分离器温度、

21、膨胀机出口压力、DHX 塔塔顶回流压力、DHX 塔塔顶进料循环量，分别用 A、B、C、D 表示，变量的低、中、高水平用-1、0、1 进行编码，采用 Box-Behnken（中心点）方法进行四因素三水平的组合实验设计，响应面因素分布见表 3。表 3响应面因素分布Tab.3 Response surface factor distribution编码A/B/MPaC/MPaD/(kgmolh-1)变量水平-1-40.01.81.5170.00-35.02.01.6177.51-30.02.21.7185.0对比线性模型、二次交互模型、二次方程模型和三次方程模型对响应的拟合效果，其中二次方程对 C3

22、收率和综合能耗的回归效果较好，均为模型显著，失拟项不显著，证明了变量与响应之间存在较强的相关性。以 C3收率的方差分析为例，结果见表4。其中，模型P值远小于 0.01，说明模型具有极高的显著性。由软件模拟得出，相关系数为0.996 3，说明实际值和预测值的吻合性较好，两者差距较小；调整相关系数为 0.992 5，证明只有 0.75%的变异数据不能用该模型解释。四个单因素的P值均小于 0.05，证明单因素的变化会显著影响响应值。从F检验统计量观察，F值越大，变量差异越显著，影响 C3收率的单因素从强至弱依次为低温分离器温度、膨胀机出口压力、DHX 塔塔顶进料循环量和DHX 塔塔顶回流压力；交互作

23、用中只有 AB 变量对模型响应值非常显著，其余交互项均不显著。同理，对综合能耗的方差进行分析，模型同样具有极高的显著性，相关系数、调整相关系数分别为 0.993 0、0.985 9，表明模型具有较好的回归性和预测性，影响综合能耗的单因素从强至弱依次为低温分离器温度、膨胀机出口压力、DHX塔塔顶进料循环量和 DHX 塔塔顶回流压力；交互作用中只有AB 变量对模型响应值非常显著，其余交互项均不显著。表 4C3收率方差分析结果Tab.4 Results of C3yield variance方差来源模型ABCDABACADBCBDCDA2B2C2D2残差总和平方和54.460 044.310 03.

24、460 01.250 01.070 01.000 00.000 10.002 50.000 10.000 20.000 95.290 00.021 80.000 70.000 10.204 556.610 9自由度14111111111111111428均方3.890 044.310 03.460 01.250 01.070 01.000 00.000 10.002 50.000 10.000 20.000 95.290 00.021 80.000 70.000 10.014 62.021 8F值266.360 01 235.130 0124.350 08.570 012.570 068.47

25、0 00.006 80.171 20.001 70.015 40.061 6362.160 01.490 00.051 30.004 7P值0.000 10.000 10.004 60.021 40.013 50.000 10.935 20.685 30.967 60.903 00.807 50.000 10.241 80.824 00.946 4显著水平非常显著非常显著非常显著显著显著非常显著非常显著3.2多目标函数优化响应面设计得到的多元二次方程如下：=78.68-1.77A-15.07B+0.001C-0.019D-0.5AB-0.01AC-0.00067AD-0.13BC+0.005B

26、D-0.02CD-0.04A2-1.45B2+1.07C2+0.01D2（3）Q=226.01-173.09A-765.65B+469.82C+14.90D+9.98AB+8.48AC+0.017AD-29.62BC-0.54BD-5.01CD-1.65A2+236.49B2+240.60C2-0.014D2（4）理论上通过对二次方程进行求导，联立方程组即可得到最优工艺参数，但从之前的单因素结果可知，C3收率和综合能耗Q大多呈正相关，少数呈50管理实践/Management&Practice石油石化节能与计量 https:/负相关，即两者具有非线性，多个目标函数间是相互冲突的，决策变量的优化结

27、果无法保证全局最优。在 此，采 用 粒 子 群 算 法 求 取 非 支 配 解，即Pareto 前沿解集，得到一组折中解。Pareto 前沿最优解集见表 5，最优解 1 是在保持与原有能耗相近的情况下进行的优化，C3收率提高了 1.78 个百分点，最优解 2是在保持与原有 C3收率相近的情况下进行的优化，综合能耗减少了 109 kW。在实际生产中，可根据不同的需求，选取最优工艺参数进行调节。表 5Pareto前沿最优解集Tab.5 Pareto frontier optimal solution参数低温分离器温度/膨胀机出口压力/MPaDHX塔塔顶回流压力/MPaDHX塔塔顶进料循环量/(kg

28、molh-1)C3收率/%综合能耗/kW优化前-30.01.81.717595.014 236最优解 1-39.01.81.618096.794 235最优解 2-31.92.11.517095.004 1274结论1）采用 Hysys 软件建立了 DHX 轻烃回收工艺流程模型，通过单因素影响分析，确定影响 C3收率和综合能耗的影响因素和取值范围。2）通过响应面实验设计，建立了响应值的多元二次回归方程，通过方差分析，确定影响 C3收率和综合能耗的单因素从强至弱依次为低温分离器温度、膨胀机出口压力、DHX 塔塔顶进料循环量和DHX塔塔顶回流压力；交互作用中只有低温分离器温度和膨胀机出口压力对响应

29、值影响显著，其余交互项均不显著。3）通过粒子群算法求取 Pareto 前沿解集，当优化前后的综合能耗相近时，C3收率可提高 1.78个百分点，当优化前后的 C3收率相近时，综合能耗可减少 109 kW。参考文献：1 汪寿琴天然气生产现状及潜力分析J石油石化节能，2023，13（2）：46-50WANG ShouqinNatural gas production status and potentialanalysisJEnergy Conservation in Petroleum&Petrochem-ical Industry，2023，13（2）：46-502 焦晓明，何国珍，李沛东，等南

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31、 the measures to treatmentcapacity and yield of lighter hydrocarbons recovery deep-cooling deviceJ Plant Maintenance Engineering，2022（7）：142-1444 邹浪，李宝强，殷珠辉，等DHX 工艺轻烃合格率低问题分析及工艺优化J石油与天然气化工，2022，51（4）：58-63ZOU Lang，LI Baoqiang，YIN Zhuhui，et alAnalysis andprocess optimization of low qualified rate of

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