基于HY石油天然氣標(biāo)準(zhǔn)S和公共安全標(biāo)準(zhǔn)的天然氣凈化裝置用能優(yōu)化

摘 要

摘要：為了降低含硫天然氣處理過程中的能量消耗和操作成本，應(yīng)用工業(yè)流程模擬軟件HYSYS建立了含硫天然氣凈化裝置工藝模型，并基于數(shù)據(jù)對象接口(Automation)技術(shù)開發(fā)了HYSYS與矩陣
摘要：為了降低含硫天然氣處理過程中的能量消耗和操作成本，應(yīng)用工業(yè)流程模擬軟件HYSYS建立了含硫天然氣凈化裝置工藝模型，并基于數(shù)據(jù)對象接口(Automation)技術(shù)開發(fā)了HYSYS與矩陣數(shù)值分析軟件Matlab之間的接口程序，將HYSYS工藝模型作為適值函數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)并入遺傳算法(GA)中，從而建立了基于HYSYS模擬和遺傳算法的天然氣凈化裝置用能優(yōu)化模型。應(yīng)用此優(yōu)化模型對川渝地區(qū)某50×104m3/d天然氣凈化裝置的用能進(jìn)行了操作參
數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明：在保證凈化氣產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，凈化裝置的用能降低了12.8%，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。該方法通用性強(qiáng)，可用于其他過程系統(tǒng)的操作參數(shù)優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：含硫天然氣；凈化裝置；用能優(yōu)化HYSYS模擬；遺傳算法；決策變量；最優(yōu)操作；操作參數(shù)
    含硫天然氣在我國天然氣開采量中所占比重逐年增加[1]。含硫天然氣必須經(jīng)過凈化裝置脫除天然氣中的硫化氫(H2S)和過量的二氧化碳(C02)氣體才能供下游用戶使用，而含硫天然氣中較高的H2S含量會(huì)使天然氣凈化裝置溶液循環(huán)量增大、工藝流程更加復(fù)雜、能源消耗量增大、開采成本增大[2～4]。因此，如何通過系統(tǒng)模擬與分析方法來確定天然氣凈化裝置的最優(yōu)操作條件，以降低天然氣處理過程的能量消耗和操作成本，提高石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力，成為目前企業(yè)迫切需要解決的問題[5～6]。為了充分利用凈化裝置在線測量數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化裝置操作參數(shù)、降低凈化裝置的運(yùn)行成本和能耗，需要建立嚴(yán)格的工藝過程模擬模型，并在此基礎(chǔ)上，建立以裝置運(yùn)行能耗為目標(biāo)的優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型具有規(guī)模大、非凸非線性、多峰等特點(diǎn)[7]，應(yīng)用傳統(tǒng)優(yōu)化方法求解困難。
    遺傳算法(genetic algorithm，GA)是一種應(yīng)用最廣泛的智能優(yōu)化算法[8]，具有思路簡單、實(shí)現(xiàn)方便、應(yīng)用效果明顯的特點(diǎn)，其并行性和全局搜索特點(diǎn)非常適合用于大規(guī)模、非線性的優(yōu)化模型[9～10]。筆者依據(jù)川渝地區(qū)某含硫天然氣處理裝置操作數(shù)據(jù)，利用工業(yè)流程模擬軟件HYSYS建立含硫天然氣凈化裝置工藝模型，并基于數(shù)據(jù)對象接口技術(shù)(Automation)，開發(fā)了HYSYS與矩陣數(shù)值分析軟件Matlab之間的接口程序，實(shí)現(xiàn)了HYSYS與Matlab之間數(shù)據(jù)的雙向傳遞；應(yīng)用Matlab編寫遺傳算法優(yōu)化程序，以凈化裝置的用能作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，通過接口程序調(diào)用HYSYS工藝模型計(jì)算每個(gè)遺傳個(gè)體的適應(yīng)度值。優(yōu)化結(jié)果表明，這種結(jié)合流程模擬軟件和遺傳算法的操作參數(shù)優(yōu)化方法對降低凈化裝置運(yùn)行能耗十分有效。
1 含硫天然氣凈化裝置HYSYS工藝模型
1.1 含硫天然氣凈化工藝流程簡述
川渝地區(qū)某50×104m3/d天然氣凈化裝置采用典型的甲基二乙醇胺(MDEA)溶液吸收法脫除原料氣中的酸氣(主要為H2S和C02)成分，用三甘醇(TEG)溶液吸收法脫除水分，降低天然氣的露點(diǎn)。原料氣的組成為：CH4體積分?jǐn)?shù)為95.100%，C2H6體積分?jǐn)?shù)為2.122%，C3H8體積分?jǐn)?shù)為0.431%，C4H10體積分?jǐn)?shù)為0.123%，C5H12體積分?jǐn)?shù)為0.032%，C02體積分?jǐn)?shù)為0.180%，H2S體積分?jǐn)?shù)為1.900%，N2體積分?jǐn)?shù)為0.112%，H2O為飽和狀態(tài)。圖1為該天然氣凈化裝置的工藝流程簡圖。表1為該天然氣凈化裝置的主要操作參數(shù)及干氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
 

1.2 HYSYS工藝模型
   基于該天然氣凈化裝置的工藝流程，應(yīng)用HYSYS流程模擬軟件建立脫硫、脫水裝置的工藝模型。圖2為應(yīng)用HYSYS建立的MDEA法脫硫和TEG法脫水裝置工藝模型圖。

   在流程模擬中，針對醇胺溶液酸氣脫除工藝的特點(diǎn)選擇了醇胺物性包(Amines Property Package)模型[11]，該模型包括了Kent-Eisenberg模型[12]和Li-Mather模型[13]，Li-Mather模型是基于嚴(yán)格熱力學(xué)機(jī)理的模型，而Kent-Eisenberg則屬于半經(jīng)驗(yàn)化熱力學(xué)模型。筆者選用了更為嚴(yán)格的Li-Mather模型作為MDEA溶液吸收酸氣過程的熱力學(xué)模型。而TEG脫水工藝過程的熱力學(xué)模型則選用了TST(Twu-Sire-Tassone)模型[14]，該模型可以精確地模擬TEG-水體系的氣液相平衡。
1.3 HYSYS模型驗(yàn)證
    依據(jù)該含硫天然氣凈化裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將原料氣及MDEA吸收溶液的參數(shù)輸入凈化裝置工藝模型，調(diào)整模型參數(shù)，使輸出干氣氣質(zhì)達(dá)到凈化氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。表2為某含硫天然氣凈化裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比表，據(jù)此來驗(yàn)證所建立的凈化裝置模型的準(zhǔn)確性。

    由表2可知，通過HYSYS所建立的凈化裝置模型可以很好地模擬實(shí)際運(yùn)行裝置的過程參數(shù)，這為下一步凈化裝置的用能優(yōu)化奠定了可靠的基礎(chǔ)。
2 含硫天然氣凈化裝置用能優(yōu)化模型
    通過對含硫天然氣凈化裝置的分析，本文以凈化裝置用能最小化為優(yōu)化目標(biāo)。選擇對凈化裝置用能有明顯影響的醇胺吸收劑循環(huán)量[x(1)]、醇胺吸收劑濃度[x(2)]、醇胺吸收劑再生塔塔頂回流率[x(3)]、TEG脫水溶劑循環(huán)量[x(4)]、TEG再生器汽提氣用量[x(5)]和TE再生器重沸器溫度[x(6)]作為決策變量。含硫天然氣凈化裝置用能優(yōu)化模型描述如下：
    minenergy(x)=[E1(x)+E2(x)+E3(x)+E4(x)+E5(x)]/Q(x)    (1)
式中energy為凈化裝置單位能耗值，MJ/104m3；E1、E2、E3、E4和E5分別為醇胺溶液再生塔重沸器加熱量、醇胺溶液循環(huán)泵用能、TEG再生器重沸器加熱量、TEG溶液循環(huán)泵用能和汽提氣用量按發(fā)熱值折算的熱量；Q為凈化裝置輸出凈化氣的流量。

    圖3為基于HYSYS模擬和遺傳算法的天然氣凈化裝置用能優(yōu)化框架圖。本文采用的遺傳算法參數(shù)為：種群規(guī)模為10，終止遺傳代數(shù)為60，交叉因子為0.6，變異因子為0.3。種群中每個(gè)個(gè)體的基因(決策變量)通過HYSYS與Matlab的接口傳遞給HYSYS，當(dāng)HYSYS計(jì)算收斂后通過接口傳遞回Matlab。Matlab讀取HYSYS工藝模型中凈化氣的組分信息判斷凈化氣是否滿足商品氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如滿足商品氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則讀取HYSYS模型中各用能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)按式(1)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))，否則，將罰值(極大值)賦予該個(gè)體的適應(yīng)度值，以便在進(jìn)化過程中淘汰該個(gè)體。在這個(gè)優(yōu)化框架中，HYSYS工藝模型運(yùn)算的收斂性是整個(gè)流程順利運(yùn)行的關(guān)鍵。如果某個(gè)遺傳個(gè)體的基因(一組決策變量)不能使HYSYS工藝模型收斂，則整個(gè)優(yōu)化程序?qū)?huì)終止。因此，應(yīng)控制各決策變量的范圍，使其不超出HYSYS工藝模型的運(yùn)算收斂范圍。
3 結(jié)果與討論
    各決策變量的變化范圍為：x(1)為240.00～350.00kmol/h；x(2)為40%～50%；x(3)為0.3～1.5；x(4)為8.00～15.00kmol/h；x(5)為0.15～5.00kmol/h；x(6)為180～205℃。表3為各決策變量及凈化裝置單位能耗值優(yōu)化前后對比表。分別在10、20和30個(gè)種群規(guī)模下運(yùn)行優(yōu)化程序，其進(jìn)化結(jié)果圖如圖4所示。
 

    由圖4可知，遺傳算法中的種群個(gè)數(shù)對收斂速度有明顯影響，種群個(gè)數(shù)越多，收斂速度越快，但基本都收斂于同一點(diǎn)附近，取各點(diǎn)平均值為最終優(yōu)化結(jié)果。每次運(yùn)行遺傳算法所得到的結(jié)果都有差別，這是由于遺傳算法的隨機(jī)性及決策變量操作空間的非凸非線性造成的。
    由表3可知，在優(yōu)化后的操作參數(shù)下運(yùn)行，凈化裝置單位能耗比優(yōu)化前降低了12.8%，MDEA吸收劑的循環(huán)量比優(yōu)化前有明顯的降低，而其濃度有所升高。較高濃度的MDEA溶液可以吸收更多的酸性氣體[15]，從而降低吸收劑的循環(huán)量和再生塔的能耗。再生塔塔頂回流率控制再生貧胺液中H2S的負(fù)荷，從而影響MDEA溶液的需求量[16]。在脫水裝置中，汽提氣的用量增加了，但再生器重沸器的溫度明顯降低。再生器重沸器的溫度降低會(huì)減少熱量需求，而汽提氣的增加則會(huì)增加所需燃料氣的能耗。優(yōu)化算法通過協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，使凈化裝置總能耗達(dá)到最低。
4 結(jié)束語
    本文基于流程模擬軟件HYSYS和遺傳算法(GA)建立了天然氣凈化裝置用能優(yōu)化模型，該模型可以優(yōu)化凈化裝置的操作參數(shù)，降低凈化裝置的運(yùn)行能耗。首先，應(yīng)用HYSYS流程模擬軟件建立凈化裝置的工藝模型，然后將HYSYS工藝模型作為適值函數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)并入遺傳算法中。應(yīng)用此優(yōu)化模型對川渝地區(qū)某50×104m3/d天然氣凈化裝置用能進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，通過優(yōu)化凈化裝置操作條件，可以使凈化裝置單耗下降12.8%，大大提高了凈化裝置的產(chǎn)品收益。該方法通用性強(qiáng)，可用于其他過程系統(tǒng)的操作參數(shù)優(yōu)化。
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(本文作者：李奇 姬忠禮 段西歡 馬利敏 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院)