透平膨胀制冷法是被广泛应用的天然气轻烃回收方法,在轻烃回收领域处于主流地位。该方法利用透平膨胀机,将气体的压力能转化成机械能,气体降压的同时降温、获得低温冷量,用于冷凝分离天然气中的轻烃。透平膨胀制冷流程中有许多重要的工艺参数,例如轻烃回收压力、原料预冷温度等,共同决定着系统的回收率及能耗水平。在设计或者生产实践中,确定这些参数合适的取值,可以提高轻烃回收率、增加流程效益。但由于流程的能量高度集成,这些参数之间相互制约、影响,为轻烃回收系统的优化带来了困难。同时,工艺流程还存在许多限制条件:要保障CO2的结冰安全裕量、换热器传热温差不能过小等等,这也增加了确定最优参数取值的难度。论文以规模为60×104 Nm3/h的某管道天然气的轻烃回收工程为背景,研究包括下游脱碳工艺的轻烃回收系统的优化问题。首先,论文将系统整体的效益函数作为目标函数,建立优化模型,并基于先分解再综合的求优思路,把总的效益目标函数根据深冷分离工段及脱碳工段分成两个子函数。接着,从原理上深入研究膨胀制冷法回收轻烃过程的内在规律,利用流程仿真技术,揭示重要参数对流程工况的影响,以及参数间的相互作用关系。在上述分析的基础上,综合考虑影响系统的因素以及各种限制条件,提出相应的求解策略,求解优化模型,确定工艺参数的适宜取值。最后,对两个工段进行综合分析,得到最终的系统优化结果。经过优化,30 bar的操作压力下,该轻烃回收系统可以获得最大的流程效益,为8.38万元/小时。论文对透平膨胀制冷过程的深入分析、轻烃回收系统的优化思路、建立的优化模型和求解策略,有助于更加透彻地了解轻烃回收过程的内在规律,从而提高流程的轻烃回收率和效益;同时,也能够为膨胀制冷法回收轻烃的过程设计与生产实践提供理论指导,对促进轻烃回收工业的技术进步有深远的意义。