常心潔，陳杰，楊文剛，高瑋

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心液化所，北京 100007)

夾點(diǎn)技術(shù)在LNG分餾換熱能量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用

常心潔，陳杰，楊文剛，高瑋

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心液化所，北京 100007)

在天然氣液化技術(shù)工程化研究中，LNG分餾工藝較復(fù)雜，且設(shè)備種類(lèi)較多，存在熱量利用不充分，公用工程消耗量大的問(wèn)題，為了節(jié)約能源需要對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。先使用HYSYS軟件對(duì)分餾工藝進(jìn)行模擬，得出系統(tǒng)工藝參數(shù)，分析現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)能量消耗，得到最小換熱溫差，再運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)分餾區(qū)換熱網(wǎng)絡(luò)提出了改造方案。通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化，充分利用脫乙烷塔底物流的冷量，將分餾區(qū)熱公用工程消耗量降低了15%，冷公用工程消耗量降低了8%，使用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)工藝和設(shè)備參數(shù)優(yōu)化的研究得到了良好的節(jié)能效果。

LNG；夾點(diǎn)技術(shù)；液化；分餾；能量?jī)?yōu)化;最小溫差；換熱

在大型天然氣液化技術(shù)工程化研究中，工藝包括預(yù)處理、分餾、LPG (Liquefied Petroleum Gas)儲(chǔ)運(yùn)、液化和LNG (Liquefied Natural Gas)儲(chǔ)運(yùn)等單元，其公用工程消耗包括電力、海水、淡水、蒸汽、燃料氣、儀表空氣、氮?dú)?、制冷劑和?rùn)滑油等[1]。由于分餾單元的設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量最多，在大型天然氣液化工廠中其公用工程消耗量也較大，除壓縮機(jī)和泵的電力消耗外，以脫重?zé)N塔底再沸器的蒸汽和產(chǎn)品冷凝器的海水消耗為主。為了降低天然氣液化裝置的能耗，需要優(yōu)化LNG分餾裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)布局，因此進(jìn)一步降低蒸汽和海水的消耗量就成為了分餾單元的改造目標(biāo)。在過(guò)程節(jié)能的時(shí)代，夾點(diǎn)技術(shù)作為過(guò)程集成方法已經(jīng)成功地在石油化工行業(yè)的煉油分餾工藝和乙烯生產(chǎn)中取得了顯著的節(jié)能效果[2-6]，但用于LNG分餾換熱能量?jī)?yōu)化的研究很少。我國(guó)的天然氣液化廠規(guī)模較小，通過(guò)技術(shù)改造充分挖掘裝置的潛力來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)能力是我國(guó)天然氣工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文將基于夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)LNG分餾裝置進(jìn)行優(yōu)化分析和節(jié)能技術(shù)改造研究。

1 夾點(diǎn)技術(shù)基本原理

隨著過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能時(shí)代的到來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到把系統(tǒng)集成起來(lái)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)優(yōu)化可以降低能耗、減小費(fèi)用和環(huán)境污染[7-8]。上世紀(jì)70年代，Linnhoff和Umeda指出夾點(diǎn)限制了換熱網(wǎng)絡(luò)的熱回收，夾點(diǎn)技術(shù)成為過(guò)程集成方法中最實(shí)用的技術(shù)，并在世界范圍內(nèi)成功地取得了節(jié)能效果[9]。夾點(diǎn)技術(shù)在熱力學(xué)的角度上對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成，分析能量流隨溫度的分布，確定公用工程的等級(jí)和用量，可以解決系統(tǒng)用能的“瓶頸問(wèn)題”，達(dá)到提高生產(chǎn)力、減小設(shè)備投資和節(jié)約用水的目的。

將物流的熱特性用T-H圖(溫-焓圖)表示時(shí)，熱物流(熱端)被冷卻而降溫，冷物流(冷端)被加熱而升溫，物流的熱量用焓差ΔH表示。物流從Ts加熱或冷卻到Tt，若熱容物流Cp可作為常數(shù)，則所傳遞的總熱量為Q=Cp(Tt-Ts)=ΔH。在實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中，多股熱流和多股冷流換熱時(shí)，將多股熱流合并成一根熱復(fù)合曲線，多股冷流合并成一根冷復(fù)合曲線[10]。冷、熱復(fù)合曲線同時(shí)表示在T-H圖上，將冷負(fù)荷曲線平行左移到兩者在某點(diǎn)重合時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部換熱達(dá)到極限，此時(shí)傳熱溫差為零，該點(diǎn)即為夾點(diǎn)。理想的夾點(diǎn)溫差為零時(shí)，需要無(wú)限大的傳熱面積，現(xiàn)實(shí)操作中這是不可能的。因此將冷熱復(fù)合溫焓線上傳熱溫差最小的地方定義為夾點(diǎn)，如圖1所示[11-12]。其中熱復(fù)合曲線為ABCD，冷復(fù)合曲線為EFGH，兩者在H軸上投影的重疊部分ABCEFG為過(guò)程內(nèi)部冷、熱流體的換熱區(qū)，其焓變?nèi)客ㄟ^(guò)換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。冷復(fù)合曲線上端部分GH需用公用工程加熱器來(lái)加熱，GH在H軸上的投影QH,min為該夾點(diǎn)溫差下所需的最小加熱公用工程量；熱復(fù)合曲線下端部分CD需用公用工程冷卻器來(lái)降溫，CD在H軸上的投影QC,min為最小冷卻公用工程量[13-14]。

圖1 冷熱復(fù)合曲線溫-焓圖

夾點(diǎn)將換熱網(wǎng)絡(luò)分成夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下兩部分，夾點(diǎn)之上可以看成是一個(gè)凈熱肼，只有加熱公用工程；夾點(diǎn)之下可以看成是一個(gè)凈熱源，只有冷卻公共工程。如果在夾點(diǎn)之上設(shè)置冷卻器移走部分熱量，則這部分熱量必然要由加熱公用工程額外輸入，結(jié)果加熱和冷卻公用工程量均增加了。同理，如果在夾點(diǎn)之下設(shè)置加熱器，則加熱和冷卻公用工程量也均增加。因此，夾點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)原則為：(1)夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；(2)夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；(3)不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱。

2 LNG分餾換熱流程簡(jiǎn)述

原料氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理單元后進(jìn)入分餾系統(tǒng)，與低溫干氣換熱被冷卻到-48℃，通過(guò)膨脹機(jī)和節(jié)流閥被進(jìn)一步冷卻到-73℃后，進(jìn)入脫甲烷塔。被脫去重?zé)N的干氣從脫甲烷塔頂抽出，與原料氣換熱后，被壓縮機(jī)增壓至7.6 MPa，之后去液化單元。脫去甲烷的液態(tài)烴從脫甲烷塔底抽出，與原料氣換熱后進(jìn)入脫乙烷塔；由脫乙烷塔底出來(lái)的液態(tài)烴進(jìn)入脫丙烷塔；脫丙烷塔頂抽出丙烷產(chǎn)品，塔底抽出的液態(tài)烴進(jìn)入脫丁烷塔，丁烷產(chǎn)品由其塔頂產(chǎn)出，C5+液態(tài)烴由塔底抽出。

其中由脫乙烷塔頂抽出的的富含甲乙烷的氣體進(jìn)入冷箱后被冷卻至62℃左右，進(jìn)入分離器后的氣液兩相分別返回冷箱被原料氣加熱至22℃后，經(jīng)增壓機(jī)加壓后送出分餾裝置。由脫乙烷塔中部14板抽出的富含乙烷的氣體進(jìn)入乙烷產(chǎn)品精餾塔，乙烷產(chǎn)品由塔頂出裝置。

3 能量?jī)?yōu)化分析和換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)

天然氣液化工藝中，分餾單元系統(tǒng)能量分配和利用可分為原料低溫?fù)Q熱部分和產(chǎn)品分餾部分。其中原料低溫?fù)Q熱部分靠冷箱進(jìn)行換熱，冷箱是嚴(yán)格按最優(yōu)能量分配原則進(jìn)行換熱的，其公用工程需求為零，因此該部分的能量利用是最優(yōu)化的。本文研究產(chǎn)品分餾部分的能量?jī)?yōu)化和換熱網(wǎng)絡(luò)。

3.1 原換熱網(wǎng)絡(luò)分析

以產(chǎn)品分餾部分裝置為研究對(duì)象，運(yùn)行過(guò)程中重?zé)N產(chǎn)品需要用海水冷凝器進(jìn)行冷卻，脫重?zé)N塔底需要再沸器進(jìn)行加熱，脫重?zé)N后的氣體進(jìn)入液化單元進(jìn)行液化。運(yùn)用HYSYS軟件對(duì)分餾工藝進(jìn)行模擬，得出系統(tǒng)工藝參數(shù)，將消耗公用工程的換熱器物流參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，分餾單元有7股熱物流和3股冷物流。

表1產(chǎn)品分餾區(qū)換熱物流基本參數(shù)

設(shè)備號(hào) 用途公用工程介質(zhì)起始溫度/℃目標(biāo)溫度/℃焓差(熱負(fù)荷)/kJ·h-1熱容流率/kW·℃-1熱物流EA-1分餾后冷卻空氣104504．97×107255．7EA-2分餾后冷卻空氣72．8500．16×10719．3EA-3脫丙烷塔頂丙烷產(chǎn)品預(yù)冷空氣58552．43×1072250．0EA-4脫丁烷塔頂丁烷產(chǎn)品預(yù)冷空氣63．6591．01×107561．1E-7丙烷冷卻器海水56．5400．92×10615．0E-9丁烷冷卻器海水61．7350．91×1069．36E-10輕油冷卻器海水134401．97×1065．82冷物流E-5脫乙烷塔再沸器蒸汽83．891．31．56×107619．0E-6脫丙烷塔再沸器蒸汽118．2126．32．69×107934．0E-8脫丁烷塔再沸器蒸汽124．3132．17．56×106262．5

運(yùn)用夾點(diǎn)分析法在溫-焓線上繪制冷熱復(fù)合曲線，如圖2所示。將圖2中冷熱復(fù)合曲線疊加后的總組合曲線如圖3所示。從圖2可知，天然氣液化分餾單元冷熱復(fù)合T-H曲線的最小傳熱溫差為15℃，換熱網(wǎng)絡(luò)熱物流夾點(diǎn)溫度為98.8℃，冷物流夾點(diǎn)溫度為83.8℃。由表1可知，穿越熱物流夾點(diǎn)98.8℃之上的冷卻器有EA-1和E-10，但沒(méi)有穿越冷物流夾點(diǎn)83.8℃以下的加熱器，運(yùn)用夾點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)原則分析，夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器，因此若能減小跨越夾點(diǎn)98.8℃的傳熱，即增加熱量的回收，將會(huì)降低相應(yīng)的冷卻和加熱公用工程消耗量。

圖2 原流程冷熱復(fù)合T-H線

圖3 原流程換熱網(wǎng)絡(luò)總組合曲線

由表1可知，分餾單元所需公用工程加熱量為5.01×107kJ/h，由蒸汽提供；所需的公用工程冷卻量為8.95×107kJ/h，由空氣和海水提供。由圖3可知，理論熱公用工程最低值為4.36×107kJ/h，理論冷公用工程最低值為8.31×107kJ/h。冷熱公用工程都有6.5×106kJ/h 的節(jié)能目標(biāo)，相對(duì)于熱公用工程有15%的節(jié)能空間，相對(duì)于冷公用工程有8%的節(jié)能空間。

3.2 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和改造

根據(jù)上述分析可知，原換熱網(wǎng)絡(luò)中的不合理之處為：有兩臺(tái)換熱器存在穿越夾點(diǎn)換熱，用來(lái)冷卻分餾處理后氣體的冷卻器和輕油冷卻器出現(xiàn)在夾點(diǎn)之上，所需的冷量由空氣和海水提供，卻沒(méi)有合理利用分餾系統(tǒng)內(nèi)部的冷量，這樣既增加了冷卻公用工程量，又增加了加熱公用工程量，使冷熱公用工程設(shè)備的投資都增加了。為了節(jié)省公用工程消耗量和節(jié)省公用工程設(shè)備投資，充分利用分餾系統(tǒng)內(nèi)部的熱量和冷量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造后的換熱流程，嚴(yán)格按夾點(diǎn)換熱理論改造后的換熱流程如圖4所示。

表2改造后產(chǎn)品分餾區(qū)換熱物流基本參數(shù)

設(shè)備號(hào)用途公用工程介質(zhì)起始溫度/℃目標(biāo)溫度/℃焓差(熱負(fù)荷)/kJ·h-1熱容流率/kW·℃-1熱物流EA-1分餾后冷卻空氣98．8504．4×107250．5E-10輕油冷卻器海水98．8401．18×1066．72冷物流E-5脫乙烷塔再沸器蒸汽86．691．39．08×106560．5新增加E-11充分利用在系統(tǒng)內(nèi)部10498．85．7×106304．5E-12夾點(diǎn)之上的熱量與脫乙烷塔底物流換熱13498．80．79×1066．23

圖4 優(yōu)化和改造后的流程

由圖4可知，脫乙烷塔底物流分為兩路，分流比0.88，占0.88的流股去E-11和分餾處理后氣體換熱至86.6℃，占0.12的流股去E-12和脫丁烷塔底的輕油產(chǎn)品換熱至86.6℃，加熱至86.6℃的兩股物流混合后進(jìn)入換熱器E-5，被蒸汽加熱至91.3℃返回脫乙烷塔。被冷卻至98.8℃的分餾處理后氣體進(jìn)入空冷器EA-1繼續(xù)冷卻至50℃，被冷卻至98.8℃的輕油進(jìn)入E-10被海水冷卻至40℃出裝置。改造后的流程無(wú)跨夾點(diǎn)傳熱現(xiàn)象，進(jìn)入EA-1的氣體和進(jìn)入E-10的輕油溫度降低至98.8℃，保證了夾點(diǎn)之上不存在公用工程冷卻器。但優(yōu)化后的分餾系統(tǒng)增加了換熱器設(shè)備E-11和E-12，通過(guò)這兩臺(tái)換熱器實(shí)現(xiàn)分餾系統(tǒng)內(nèi)部熱量的交換。改造后的換熱器物流參數(shù)見(jiàn)表2，表中只列出有熱負(fù)荷變化的幾個(gè)換熱器。

結(jié)合表1和表2可知，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有夾點(diǎn)之上的冷卻器，也沒(méi)有夾點(diǎn)之下的加熱器，分餾區(qū)換熱流程改造后的冷熱負(fù)荷都降低了6.5×106kJ/h，節(jié)省了15%的熱公用工程量和8%的冷公用工程量，減少了蒸汽和海水的費(fèi)用。流程改造后新增了兩個(gè)換熱器，增加了設(shè)備投資。

本文在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，是嚴(yán)格按夾點(diǎn)換熱理論進(jìn)行的改造，而在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮公用工程和換熱器設(shè)備的價(jià)格、換熱工質(zhì)、傳熱系數(shù)和操作彈性等因素的影響，確定最優(yōu)的夾點(diǎn)溫差。夾點(diǎn)溫差越小，熱回收量越高，需要的加熱和冷卻公用工程量就越少，運(yùn)行所需的能量費(fèi)用越少。但夾點(diǎn)溫差取的越小，整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)各處的傳熱溫差均相應(yīng)減小，就增加了換熱面積，會(huì)造成設(shè)備投資費(fèi)用的增加[1]。當(dāng)換熱器的材料價(jià)格較高而能源價(jià)格較低時(shí)，可以選擇較高的夾點(diǎn)溫差來(lái)減少換熱面積；當(dāng)能源價(jià)格較高時(shí)，則選擇較低的夾點(diǎn)溫差，這樣可以減少公用工程需求量。

4 結(jié)論

應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)的設(shè)計(jì)原則作為理論依據(jù)，并借助HYSYS軟件對(duì)分餾工藝的模擬計(jì)算，對(duì)天然氣液化過(guò)程中的分餾工藝進(jìn)行節(jié)能改造。通過(guò)增加兩臺(tái)換熱設(shè)備，將脫乙烷塔底物流分為兩路分別來(lái)冷卻分餾處理后氣體和脫丁烷塔底輕油產(chǎn)品，保證了夾點(diǎn)之上不存在公用工程冷卻器。改造后的流程冷熱負(fù)荷都降低了6.5×106kJ/h，節(jié)省了15%的熱公用工程量和8%的冷公用工程量，減少了蒸汽和海水的費(fèi)用。利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)LNG分餾換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化改造可以為社會(huì)的節(jié)能減排做出極大的貢獻(xiàn)。

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ApplicationofPinchPointTechnologyinEnergyOptimizationofLNGFractionationProcessHeatTransfer

CHANGXin-jie，CHENJie，YANGWen-gang，GAOWei

(LiquefactionTechnologyOfficeofResearchandDevelopmentCenter，CNOOCGasandPowerGroup，Beijing100007，China)

In the engineering research of the nature gas liquefaction technology, not only the fractionation process and device is complicated, but also the consumption of utilities is very large and heat utilization is inadequate. In order to save energy, the heat transfer network should be improved. Firstly the fractionation process was simulated and the process parameters were calculated by HYSYS software, then the energy consumption network was analyzed and the minimum heat transfer temperature difference was found out, finally the optimization and improvement method was presented by pinch point technology in the fractionation process heat transfer network. The cold energy of deethanizer column bottom was used adequately by improvement and optimization, and the consumption capacity of heating utilities decreased 15%, and the cooling utilities decreased 8%. According to the design principles and the criteria of pinch technology, good effect of energy saving was obtained by the optimization research to the fractionation process and device parameters.

LNG;pinch point technology;liquefaction;fractionation;energy optimization;minimum temperature difference;heat transfer

2014-02-17修訂稿日期2014-05-14

常心潔(1984～)，女，博士,工程師，主要從事天然氣凈化與液化技術(shù)研究工作。

TE645

A

1002-6339 (2014) 06-0561-04