李 斐 楊冬磊

1. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710300;

2. 中國石油塔里木油田公司油氣運(yùn)銷部, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

天然氣丙烷回收是指將丙烷及以上重組分以液態(tài)的方式從天然氣中進(jìn)行回收的過程,通過凝液回收既可以提高外輸氣質(zhì)量,也可以提升油田經(jīng)濟(jì)效益。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，DHX工藝能量優(yōu)化常用的方法有正交實(shí)驗(yàn)法[1],多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化法[2],灰色關(guān)聯(lián)分析法[3]常規(guī)、高級(jí)及經(jīng)濟(jì)分析法[4]。其中,高級(jí)及經(jīng)濟(jì)分析法克服了常規(guī)分析方法的不足,明確了不可逆性來源、損分類,同時(shí)計(jì)算了損的成本。

目前，國內(nèi)針對(duì)直接換熱(Direct Heat Exchange,DHX)工藝的研究主要集中在工藝結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化上。陳波等人[5]以丙烷回收率及系統(tǒng)能耗為目標(biāo)函數(shù),通過改變關(guān)鍵參數(shù),研究輕烴回收運(yùn)行模式的可行性;衛(wèi)浪等人[6]在對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,為實(shí)際工藝流程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);肖樂等人[7]對(duì)凝液回收過程的制冷工藝進(jìn)行優(yōu)化,推薦采用丙烷制冷+膨脹機(jī)制冷+脫乙烷塔頂氣冷凝回流的制冷工藝,新工藝顯著提高了丙烷回收率;韓淑怡等人[8]研究了預(yù)冷溫度、膨脹機(jī)出口壓力對(duì)丙烷回收率及能耗的影響,采用單因素分析法優(yōu)化流程;張世堅(jiān)等人[9]通過增設(shè)脫乙烷塔頂回流罐,針對(duì)不同工藝條件對(duì)丙烷回收流程進(jìn)行改進(jìn),為實(shí)際運(yùn)行工況提供理論基礎(chǔ)。

本文針對(duì)某天然氣處理廠DHX工藝進(jìn)行凝液回收模擬,對(duì)各個(gè)設(shè)備及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)、高級(jí)及經(jīng)濟(jì)分析,將損與經(jīng)濟(jì)成本聯(lián)系,為系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)提供明確的方向。

1 研究方法

1.1 原料氣氣質(zhì)

表1 原料氣氣質(zhì)工況表Tab.1 Raw gas quality conditions

1.2 流程描述

某天然氣處理廠DHX工藝丙烷回收流程見圖1。具體流程:干燥原料氣經(jīng)主冷箱LNG-101預(yù)冷到 -45.5 ℃ 進(jìn)入低溫分離器V-101進(jìn)行氣液分離,氣相經(jīng)膨脹機(jī)膨脹端 K-101 降壓至3 450 kPa后進(jìn)入DHX塔T-101底部,液相節(jié)流降壓經(jīng)LNG-101換熱至15 ℃后進(jìn)入脫乙烷塔 T-102 中部。T-101底部液相與原料氣換熱到-18 ℃進(jìn)入T-102頂部。T-102塔頂氣相與T-101塔頂氣相換熱冷凝到-33 ℃進(jìn)入回流罐V-102,V-102氣相經(jīng)過LNG-101再次降溫至-69 ℃進(jìn)入T-101頂部,與膨脹機(jī)氣相進(jìn)行逆流接觸,吸收原料氣中的重?zé)N,提高凝液回收率。T-102 塔底物流進(jìn)入脫丁烷塔T-103進(jìn)行液化石油氣及穩(wěn)定輕烴的分離。

圖1 某天然氣處理廠DHX工藝丙烷回收流程圖Fig.1 DHX propane recovery process of a natural gas processing plant

1.3 模擬說明

利用Aspen HYSYS軟件對(duì)DHX工藝進(jìn)行仿真模擬,物性方法選擇PR狀態(tài)方程,關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)取值分別為:壓縮機(jī)絕熱效率75%，膨脹機(jī)等熵效率85%，換熱器最小換熱溫差大于3.5 ℃，原料氣壓力5.9 MPa,溫度25 ℃,流量1 500×104m3/d,外輸壓力6.28 MPa，外輸干氣溫度35 ℃。

表2 某天然氣處理廠基本情況表Tab.2 Basic information of a natural gas processing plant

表3 集成過程分析參數(shù)表Tab.3 Integrated process analysis parameters

1.4 常規(guī)分析

E=m[(hi-h0)-T0(si-s0)]

(1)

ED=EF-EP

(2)

表4 設(shè)備損計(jì)算方程表Tab.4 Exergy loss calculation equation of equipment

表4 設(shè)備損計(jì)算方程表Tab.4 Exergy loss calculation equation of equipment

設(shè)備損方程LNG-101E㊣D,LNG-101?=E8-E9+E6-E10+E4-E11+E1-E2+E12-E14+E16-E17K-101E㊣D,K-101?=E3-E5-W㊣K-101?K-102E㊣D,K-102?=W㊣K-102?-E27+E9K-103E㊣D,K-103?=W㊣K-103?-E28+E27T-101E㊣D,T-101?=E5+E30-E7-E31T-102E㊣D,T-102?=E10+E11+E15+Q㊣red?(1-T0/T㊣red?)-E12-E13T-103E㊣D,T-103?=E18+E25+Q㊣red?(1-T0/T㊣red?)-E19-E20AC-101E㊣D,AC-101?=E28-E29+W㊣air?-E㊣air-out?+E㊣air-out?AC-102E㊣D,AC-102?=E19-E21+W㊣air?-E㊣air-out?+E㊣air-out?

1.5 高級(jí)分析及經(jīng)濟(jì)分析

DHX工藝中關(guān)鍵單體設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)值如下:LNG-101傳熱面積為80 m2,AC-101、AC-102傳熱面積均為200 m2,K-101、K-102、K-103功率均為250 kW,T-101體積為0.1 m3,T-102、T-103重量均為8 t。

CE=CE-ZK

(3)

C=C-ZK

(4)

CD,K=CED,K

(5)

IE=IB(QE/QB)M

(6)

表5 集成過程設(shè)備具體指標(biāo)表Tab.5 Specific specifications for integrated process equipment

考慮到材料、壓力、溫度等因素對(duì)設(shè)備投資成本的影響,將式(6)修改成式(7)的形式[20]。文獻(xiàn)報(bào)道中公開的設(shè)備價(jià)格往往跟年代相關(guān),利用成本指數(shù)可以將其轉(zhuǎn)換到一個(gè)相同的基礎(chǔ)上,根據(jù)2015年的報(bào)道可知化工廠經(jīng)濟(jì)成本指數(shù)為556.8,而2019年為603.1,式(8)顯示了經(jīng)濟(jì)成本從2015年到2019的轉(zhuǎn)換[21]。

資本回收系數(shù)利用式(9)進(jìn)行計(jì)算。綜合上述分析結(jié)果,設(shè)備K的單位投資成本計(jì)算公式見式(10)。

IR=IErMrPrT

(7)

(8)

(9)

ZKrPrT

(10)

1.6 分析評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 常規(guī)及經(jīng)濟(jì)分析

表6 常規(guī)及經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表Tab.6 Results of conventional exergy and exergy economic analysis

表6 常規(guī)及經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表Tab.6 Results of conventional exergy and exergy economic analysis

設(shè)備燃料值/kW產(chǎn)品值/kW損/kW燃料成本/(美元·GJ-1)產(chǎn)品成本/(美元·GJ-1)損成本/(美元·GJ-1)投資成本/(美元·GJ-1)效率損率經(jīng)濟(jì)系數(shù)總成本/(美元·GJ-1)LNG-1014 768.203 109.731 658.47106.17165.34289.7453.3665.23%18.43%15.55%343.1K-1014 015.012 703.281 311.7312.4119.3158.598.5867.33%14.58%12.77%67.17K-1022 703.282 070.75632.5319.3629.4144.0730.8876.60%7.03%41.20%74.95K-10310 836.288 771.222 065.0619.3225.72143.6258.4980.94%22.95%28.94%202.11T-10135 052.9534 388.06664.8917.6117.9642.151.4398.10%7.39%3.28%43.58T-1026 574.635 372.121 202.5118.9523.8682.0212.9881.71%13.36%13.66%95.00T-1032 527.431 852.01675.4219.2826.3146.887.8473.28%7.51%14.33%54.72AC-1011 122.50556.34566.1620.3350.1441.4418.2649.56%6.29%30.59%59.70AC-102439.13217.68221.4625.9486.7020.6826.9449.57%2.46%56.58%47.62

2.2 高級(jí)及經(jīng)濟(jì)分析

表7 高級(jí)分析結(jié)果表Tab.7 Advanced exergy analysis results

表7 高級(jí)分析結(jié)果表Tab.7 Advanced exergy analysis results

設(shè)備內(nèi)源損/kW外源損/kW產(chǎn)品值/kW不可避免損與產(chǎn)品比值不可避免損/kW可避免損/kW內(nèi)源產(chǎn)品損/kW不可避免內(nèi)源損/kW不可避免外源損/kW可避免內(nèi)源損/kW可避免外源損/kWLNG-1011 237.83420.643 109.720.308 6941.71718.762 266.01710.35231.36527.48191.28K-1011 250.2261.512 703.280.083 3225.271 086.462 576.59214.7110.561 035.5150.95K-102280.69351.842 070.750.047 899.04533.5918.8443.9455.09236.75296.75K-1031 373.39691.678 771.230.040 3353.831 711.235 832.22235.27118.561 138.12573.11T-101525.58139.3134 388.060.014 9512.77152.1227 136.53404.64108.13120.9431.18T-102860.66341.855 372.120.219 31 178.2024.303 844.97843.27334.9317.386.92T-103574.22101.201 852.010.310 7575.34100.091 574.00488.9786.3685.2514.84AC-101143.48422.68556.340.182 6101.58464.58140.9825.7475.84117.74346.84AC-102199.7221.74217.670.903 7196.7124.75196.31177.4119.3022.312.44

表8 組件損成本率表Tab.8 Exergy loss cost rate of components

表8 組件損成本率表Tab.8 Exergy loss cost rate of components

設(shè)備損成本/(美元·h-1)內(nèi)源成本/(美元·h-1)外源成本/(美元·h-1)不可避免成本/(美元·h-1)可避免成本/(美元·h-1)不可避免內(nèi)源成本/(美元·h-1)不可避免外源成本/(美元·h-1)可避免內(nèi)源成本/(美元·h-1)可避免外源成本/(美元·h-1)LNG-101289.74197.792.05153.92135.82105.9248.0091.7944.04K-10158.5955.842.7510.0648.539.590.4746.252.28K-10244.0719.5624.526.9037.173.063.8416.5020.68K-103143.6295.5248.1024.61119.0116.368.2579.1639.86T-10142.1533.328.8332.509.6425.656.857.671.98T-10282.0258.7123.3280.371.6657.5222.851.190.47T-10346.8839.857.0239.936.9533.945.995.921.03AC-10141.4410.5030.947.4434.001.885.558.6225.39AC-10220.6818.652.0318.372.3116.561.802.080.23

組件投資成本率見表9。由表9分析可知:大部分設(shè)備的不可避免內(nèi)源成本最高,這意味著不可避免的成本主要來源于設(shè)備自身；冷箱、壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)組、空冷器的投資成本率較高,關(guān)注這些設(shè)備能夠有效降低系統(tǒng)的投資成本；設(shè)備的內(nèi)源投資成本占總投資成本的65.40%,可避免的投資成本為總額的25.77%,表明在優(yōu)化工藝設(shè)備的投資成本方面非常困難。

表9 組件投資成本率表Tab.9 Component investment cost rate

表10 常規(guī)及高級(jí)分析性能指標(biāo)表Tab.10 General and advanced exergy analysis performance indicators

表10 常規(guī)及高級(jí)分析性能指標(biāo)表Tab.10 General and advanced exergy analysis performance indicators

設(shè)備效率損率經(jīng)濟(jì)系數(shù)總成本/(美元·GJ-1)修正后的效率值高級(jí)損率可避免內(nèi)源經(jīng)濟(jì)系數(shù)可避免內(nèi)源總成本/(美元·GJ-1)LNG-10165.23%18.43%15.55%343.181.21%2.93%11.23%102.89K-10167.33%14.58%12.77%67.1771.33%11.51%4.07%48.21K-10276.60%7.03%41.20%74.9579.51%2.63%11.96%18.74K-10380.94%22.95%28.94%202.1183.68%12.65%11.13%89.07T-10198.10%7.39%3.28%43.5899.56%1.34%3.77%7.97T-10281.71%13.36%13.66%95.0099.55%0.19%67.56%3.67T-10373.28%7.51%14.33%54.7294.87%0.95%23.13%7.70AC-10149.56%6.29%30.59%59.7054.49%1.31%12.58%9.86AC-10249.57%2.46%56.58%47.6289.79%0.25%75.73%8.58

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

調(diào)節(jié)流程預(yù)冷溫度和膨脹機(jī)出口壓力發(fā)現(xiàn)原料氣預(yù)冷溫度(物流②)及K-101出口壓力對(duì)LNG-101的換熱情況影響最大,故優(yōu)化預(yù)冷溫度及膨脹機(jī)出口壓力能極大地改善LNG-101的用能情況。

a)預(yù)冷溫度對(duì)損成本及總成本的影響a)Influence of pre-cooling temperature on exergy loss cost and total cost

b)預(yù)冷溫度對(duì)總壓縮功耗的影響b)Influence of pre-cooling temperature on total compression power consumption

膨脹機(jī)出口壓力變化對(duì)LNG-101的影響見圖3。當(dāng)出口壓力降低時(shí),總成本及損成本都呈下降趨勢,設(shè)備投資成本增加。膨脹機(jī)出口壓力對(duì)系統(tǒng)壓縮功耗影響極大,壓力平均每減小0.1 MPa,壓縮功耗增加578.75 kW。當(dāng)壓力升高到3 550 kPa時(shí),雖然總成本增加了15.09美元/h,壓縮功耗卻減少了765 kW,綜合計(jì)算成本發(fā)現(xiàn),費(fèi)用減少了43.76美元/h;當(dāng)壓力減低到3 350 kPa時(shí),總成本減少了9.63美元/h,而壓縮機(jī)耗電費(fèi)用增加了42.31美元/h,總費(fèi)用增加了32.68美元/h。在膨脹機(jī)出口壓力對(duì)總成本及總壓縮功耗影響規(guī)律相同的條件下,總壓縮功耗更敏感。因此在保證整體收益最大,而非設(shè)備成本較小的情況下(丙烷回收率大于95%),膨脹機(jī)出口壓力宜保持在3 550 kPa左右。

綜合上述分析可知,改變膨脹機(jī)出口壓力能夠顯著影響LNG-101的用能情況。

a)膨脹機(jī)出口壓力對(duì)損成本及總成本的影響a)Influence of expander outlet pressure on exergy loss cost and total cost

b)膨脹機(jī)出口壓力對(duì)總壓縮功耗的影響b)Influence of expander outlet pressure on total compression power consumption

3 結(jié)論

4)根據(jù)分析結(jié)果,采用不同策略對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。T-102和AC-102推薦采用整體工藝的優(yōu)化策略,而對(duì)于大多數(shù)設(shè)備推薦采用優(yōu)化設(shè)備自身效率、采用高效設(shè)備以及改善其它設(shè)備效率的策略。