衛(wèi) 浪，蒲紅宇*，向 輝，吳 昊

（1. 西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京分公司，北京 100101）

天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 17820-2018）規(guī)定，二類天然氣總硫（以硫計(jì)）不能超過(guò)100mg/m3，H2S含量不能超過(guò)20mg/m3，因此需要對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理。天然氣脫硫過(guò)程MDEA循環(huán)量大， 能耗高， 工藝復(fù)雜，通過(guò)研究影響能耗的主要參數(shù)，可達(dá)到降低能耗的目的[1,2]。 采用HYSYS 軟件對(duì)天然氣脫硫過(guò)程的吸收和再生過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)其過(guò)程參數(shù)進(jìn)行分析，利用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)優(yōu)選工藝參數(shù)。 回歸正交設(shè)計(jì)是指試驗(yàn)方案的結(jié)構(gòu)矩陣具有正交性的回歸設(shè)計(jì)， 是在正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，可建立方程，選擇最佳的方案[3]。

1 天然氣脫硫工藝

1.1 工藝流程

圖1為典型的胺法處理工藝流程。 原料氣進(jìn)入原料氣過(guò)濾分離器，在過(guò)濾分離器中脫除所夾帶的水或者烴類液體。 氣體從胺吸收塔底部進(jìn)入，同由上向下的醇胺溶液逆流接觸。 凈化氣從塔頂流出，富含H2S的富胺從吸收塔塔底流出，并流入閃蒸罐，通過(guò)閃蒸可除去大部分溶解的烴類氣體或夾帶的天然氣凝液。 再經(jīng)貧富液換熱器預(yù)熱后進(jìn)入再生塔， 利用重沸器的熱量實(shí)現(xiàn)胺和酸性氣體的分離。酸性氣體從塔頂流出，貧胺則從塔底排出。 貧胺經(jīng)過(guò)空冷器冷卻，再由泵將低溫貧胺的壓力提升至吸收塔壓力，低溫貧胺流入吸收塔的頂部，胺液沿吸收塔向下流動(dòng)，同時(shí)完成對(duì)酸性氣體的吸收。

圖1 醇胺法脫硫工藝流程

1.2 HYSYS模型的建立

國(guó)內(nèi)某日處理200萬(wàn)m3天然氣的天然氣凈化裝置， 其原料氣氣質(zhì)組成如表1所示。 原料氣壓力為7.5MPa，溫度為25℃。

表1 天然氣氣質(zhì)組成

MDEA法吸收酸氣是氣相的H2S傳質(zhì)進(jìn)入液相與醇胺發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程，其熱力學(xué)本質(zhì)是酸氣的氣液相平衡。 在模擬過(guò)程中，熱力學(xué)模型決定了最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。 根據(jù)天然氣脫硫的有關(guān)工藝特點(diǎn)，選擇Amines Property Package 模型[4]。 基于上述工藝流程， 應(yīng)用HYSYS 流程模擬軟件建立脫硫裝置工藝模型，模擬流程如圖2所示。 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，輸入原料氣成分、處理量，胺液循環(huán)量等相關(guān)工藝參數(shù)，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使凈化氣中H2S含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 天然氣脫硫HYSYS模型

2 能耗影響分析

2.1 MDEA富液進(jìn)塔溫度對(duì)重沸器能耗的影響

經(jīng)過(guò)閃蒸之后的MDEA富液通過(guò)換熱器換熱后從塔頂進(jìn)入再生塔，再生塔獲得熱量。MDEA富液進(jìn)入再生塔的溫度越高，其吸收的熱量越少，重沸器消耗的熱量越少[5]。 隨著富胺溶液溫度的升高，貧胺溶液酸氣負(fù)荷降低， 凈化氣中H2S含量就會(huì)增加[3]。從圖3可以看出， 當(dāng)富液進(jìn)塔溫度從60℃增加到102℃時(shí)，負(fù)荷大約下降了3200kW，而H2S含量大約增加了8mg/m3。

圖3 MDEA富液進(jìn)塔溫度對(duì)重沸器能耗的影響

2.2 MDEA循環(huán)量對(duì)重沸器能耗的影響

MDEA循環(huán)量的大小不僅影響天然氣的凈化度，而且影響再生塔的能耗[6]。 隨著MDEA循環(huán)量的增加，重沸器的能耗逐漸增加。 H2S含量隨著MDEA循環(huán)量的增加，呈現(xiàn)出先減小，后上升的趨勢(shì)。 這是由于在原料氣進(jìn)氣量一定時(shí)， 初始胺液中MDEA量不足，吸收效果較差，導(dǎo)致凈化氣中H2S含量較高，隨著MDEA循環(huán)量逐漸增加，吸收效果較好，凈化氣中H2S含量逐漸減少，而隨著MDEA循環(huán)量的繼續(xù)增加會(huì)抑制吸收效果，導(dǎo)致凈化氣中H2S含量上升。 由圖4可以看出， 當(dāng)循環(huán)量從55m3/h增加到85m3/h時(shí)，重沸器負(fù)荷大約增加1500kW， 而H2S 含量先從8.5mg/m3降至5.3mg/m3，再增加到7.1mg/m3。

圖4 MDEA循環(huán)量對(duì)重沸器能耗的影響

2.3 回流比對(duì)重沸器能耗的影響

離開再生塔的酸氣中的水與解吸的酸氣的物質(zhì)的量之比為回流比[7]。 重沸器的熱負(fù)荷主要由回流的水蒸氣量決定。 回流比越大，貧液再生質(zhì)量就越高，凈化氣中H2S含量也隨之降低，相應(yīng)的重沸器的熱負(fù)荷也會(huì)增加。由圖5可以看出，當(dāng)回流比從1.4增加到2.1時(shí)， 重沸器負(fù)荷大約增加了1160kW。 而H2S的含量大約降低了2.5mg/m3。

圖5 回流比對(duì)重沸器能耗的影響

由以上分析可知：MDEA富液進(jìn)塔溫度、MDEA循環(huán)量、 回流比三個(gè)因素在保證H2S含量符合有關(guān)規(guī)定的情況下對(duì)能耗的影響十分顯著，可以作為試驗(yàn)因素構(gòu)建回歸方程。 且可以確定MDEA富液進(jìn)塔溫度在60～102℃，MDEA循環(huán)量在55～85m3/h， 回流比在1.4～2.1時(shí)， 天然氣中H2S的含量均可滿足規(guī)定值（≤20mg/m3），并為后續(xù)試驗(yàn)參數(shù)的取值范圍提供依據(jù)。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

二次回歸正交試驗(yàn)組合設(shè)計(jì)是利用正交表來(lái)安排與分析多因素實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法，由試驗(yàn)因素的全部組合中挑取有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)這部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析來(lái)了解全面試驗(yàn)的情況。 其基本步驟包括因素水平編碼、確定正交組合設(shè)計(jì)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、建立回歸方程、回歸方程的顯著性檢驗(yàn)、失擬性檢驗(yàn)、回歸方程的回代及最優(yōu)試驗(yàn)方案的確定。 通過(guò)上述HYSYS對(duì)系統(tǒng)能耗的分析，依據(jù)二次回歸正交試驗(yàn)可確定流程的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。

3.1 二次回歸方程模型

二次回歸正交設(shè)計(jì)是指回歸模型中包括常數(shù)項(xiàng)、線性項(xiàng)、線性交互作用項(xiàng)及二次項(xiàng)的回歸正交設(shè)計(jì)，回歸模型一般為[8]：

3.2 試驗(yàn)因素的編碼

編碼是將各個(gè)試驗(yàn)因素xj的各水平進(jìn)行線性變換，得到規(guī)范變量zj。線性變換表達(dá)式如式（2）。由上分析結(jié)論確定的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的范圍，經(jīng)過(guò)編碼公式計(jì)算后可以得到如表2所示的水平編碼表。

表2 水平編碼表

表3 回歸正交組合設(shè)計(jì)表

3.3 確定合適的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)

首先根據(jù)因素?cái)?shù)m選擇正交表進(jìn)行變換， 明確二水平試驗(yàn)方案，二水平實(shí)驗(yàn)次數(shù)和星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)就能確定下來(lái)。 本次試驗(yàn)包括二水平試驗(yàn)次數(shù)mc=8、星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)為2m=6，實(shí)驗(yàn)次數(shù)一共14次。 然后用Excel工具對(duì)二次項(xiàng)進(jìn)行中心化處理之后就可以得到具有正交性的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)編碼表。三元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.4 建立回歸方程及數(shù)據(jù)分析

要確定回歸方程，就需要確定回歸系數(shù)。 利用Excel分析工具庫(kù)中的“回歸”工具進(jìn)行分析，可達(dá)到求出回歸系數(shù)的目的。利用Excel對(duì)本次正交組合設(shè)計(jì)分析可得到下表數(shù)據(jù)。

表4 回歸統(tǒng)計(jì)表

表4中：Multiple R是對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)；R Square為相關(guān)系數(shù)的平方，或稱擬合優(yōu)度，相關(guān)系數(shù)的平方是回歸平方和在總平方和中所占的比重[9]，代表回歸方程的失擬性。 顯然這個(gè)數(shù)值越大，擬合的效果也就越好，失擬越不顯著。

表5 方差分析表

表6 回歸參數(shù)表

由表5、表6分析可得出回歸系數(shù)值和其顯著性如表7所示。

表7 回歸系數(shù)及其顯著性表

由以上分析可知：

（1）求出了3.1中所提到的回歸模型中的回歸系數(shù)， 并可以根據(jù)表7判斷出三個(gè)因素對(duì)重沸器能耗影響的顯著性為：MDEA富液進(jìn)塔溫度＞MDEA循環(huán)量＞回流比。

（2）本次擬合的R Square=0.9997356，失擬性極不顯著，回歸方程能夠很好的體現(xiàn)所選三個(gè)因素與重沸器能耗的關(guān)系。

（3）本次擬合的P值遠(yuǎn)小于0.01，故本次擬合的置信度達(dá)到99.99%以上。 此次所建立的回歸方程非常顯著，回歸模型與實(shí)際情況擬合得好，并可以得出回歸系數(shù)顯著的回歸方程如下：

3.5 最優(yōu)值的求解

利用Excel的規(guī)劃求解工具可以預(yù)測(cè)較優(yōu)的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果， 得出當(dāng)z1=1.136，z2=-1.136，z3=-1.136 時(shí)，該方程有最小值。 其它優(yōu)化結(jié)果前后對(duì)比如表8所示。

表8 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)應(yīng)表

通過(guò)表8可知： 與優(yōu)化前相比，MDEA富液進(jìn)塔溫度上升了17℃，MDEA循環(huán)量降低了5m3/h，回流比降低了0.1，重沸器負(fù)荷降低了1918kW， H2S的含量大約上升了7mg/m3， 也滿足天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB17820-2018）規(guī)定。

3.6 回歸方程的回代

根據(jù)表1與式（2）可得:

把這三個(gè)式子代入式（3）可得：

式（4）可以直接反應(yīng)出MDEA富液進(jìn)塔溫度、MDEA貧液循環(huán)量、回流比與重沸器能耗的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)重沸器能耗最小時(shí)，富液進(jìn)塔溫度x1為102℃，MDEA循環(huán)量x2為55m3/h，回流比x3為1.4。

4 結(jié)論

（1）由Excel分析結(jié)果表明回歸方程的擬合性較好，回歸模型與實(shí)際情況相符。 并根據(jù)P值的大小可以看出三個(gè)參數(shù)對(duì)能耗影響的程度：MDEA富液進(jìn)塔溫度＞MDEA循環(huán)量＞回流比。

（2）得出重沸器能耗與MDEA富液進(jìn)塔溫度x1、MDEA貧液循環(huán)量x2和回流比之x3間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系式（式(4)）。 根據(jù)R值和P值分析表明回歸方程顯著。 根據(jù)回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行工況非常相似，也說(shuō)明二次回歸正交組合實(shí)驗(yàn)應(yīng)用是合理成功的。

(3) 通過(guò)Excel規(guī)劃求解出最后最優(yōu)值，對(duì)應(yīng)的MDEA富液進(jìn)塔溫度為102℃，MDEA循環(huán)量為55m3/h，回流比為1.4，重沸器能耗降低32.5%，對(duì)天然氣脫硫脫碳流程的參數(shù)優(yōu)選具有一定的參考價(jià)值。