楊冬磊 周衛(wèi)軍 駱興龍 張朋崗 李樂(lè)樂(lè) 胡成星 馬亦德 易 馳 梁士佳 熊 悅

(塔里木油田1.油氣運(yùn)銷部;2.產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部, 庫(kù)爾勒 841000)

引 言

為降低天然氣凝液回收裝置能耗、提高回收率及經(jīng)濟(jì)效益,需針對(duì)天然氣凝液回收工藝進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化方法分直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法兩類。其中直接優(yōu)化法中常用的是響應(yīng)面優(yōu)化法和遺傳算法。分析方法是間接優(yōu)化法的一種。采用常規(guī)分析方法來(lái)評(píng)價(jià)流程,可以計(jì)算設(shè)備的損、效率,提出流程的改進(jìn)方向,而在常規(guī)分析方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高級(jí)分析方法能夠明確損產(chǎn)生的原因并量化設(shè)備改進(jìn)潛力。因此,分析方法不僅可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化,也可以對(duì)流程本身進(jìn)行改進(jìn),極大地挖掘了工藝的優(yōu)化潛力。

Mehrpooya 等[1]將已建的乙烷回收裝置的年利潤(rùn)作為優(yōu)化目標(biāo),采用可變種群規(guī)模的遺傳算法(VPGA)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后利潤(rùn)增長(zhǎng)了2.2%?？梢?jiàn)采用遺傳算法能夠優(yōu)化乙烷回收工藝參數(shù),但當(dāng)乙烷回收工藝較為復(fù)雜、單體設(shè)備較多時(shí)內(nèi)嵌算法的Aspen HYSYS 存在難以收斂的問(wèn)題。劉祎飛[2]以降低部分干氣循環(huán)(recycle split vapor process,RSV)乙烷回收工藝能耗、提高乙烷收率為目標(biāo),采用單因素法確定了影響能耗和回收率的4 個(gè)關(guān)鍵工藝,依照模擬數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)方案建立相應(yīng)的響應(yīng)面模型,經(jīng)過(guò)最終優(yōu)化乙烷回收率由90.15% 增至95.03%,裝置能耗降低了9.1%,節(jié)能效果顯著。響應(yīng)曲面優(yōu)化法雖然可以量化工藝參數(shù)間交互作用對(duì)目標(biāo)值的影響程度,但存在試驗(yàn)方案選擇難度大、計(jì)算量大、僅停留在參數(shù)優(yōu)化但未考慮設(shè)備本身改進(jìn)潛力的問(wèn)題。

Yoon 等[3]運(yùn)用Unisim 軟件對(duì)氣相過(guò)冷工藝(GSP)、RSV、冷渣氣回收(CRR)乙烷回收工藝進(jìn)行模擬,并采用常規(guī)分析方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn):①在貧氣條件下,GSP 工藝通過(guò)降低低溫分離器氣相分流比使得總損降低了12%;②在貧氣條件下,RSV 工藝和CRR 工藝通過(guò)提高低溫分離器溫度使得總損均降低了12%,結(jié)果顯示出分析在乙烷回收優(yōu)化設(shè)計(jì)中的巨大優(yōu)勢(shì)。楊雨林等[4]針對(duì)油田伴生氣乙烷回收提出兩種帶不同制冷循環(huán)的高效流程并進(jìn)行能耗分析與分析,結(jié)果顯示在乙烷回收率相同的情況下,帶自冷循環(huán)的流程比帶丙烷制冷的流程能耗降低15.3%,兩種流程的原料氣預(yù)冷冷箱、制冷系統(tǒng)二級(jí)壓縮機(jī)、外輸氣壓縮機(jī)3 種設(shè)備的總損占各自工藝總損量的比例超過(guò)76%?？梢?jiàn)采用常規(guī)分析法優(yōu)化乙烷回收工藝,能夠從設(shè)備本身角度優(yōu)化工藝參數(shù),但無(wú)法量化設(shè)備改進(jìn)潛力。

馬國(guó)光等[5]采用高級(jí)方法對(duì)大連液化天然氣(LNG)接收站進(jìn)行研究,得出各設(shè)備的4 類損分布情況及產(chǎn)生原因并提出優(yōu)化方案,結(jié)果顯示所有壓縮機(jī)以及部分換熱器的可避免的內(nèi)源性損占比最大,優(yōu)化后裝置能耗降低了6.6%,能量利用率提高了28.891%,高級(jí)分析法在天然氣液化工藝參數(shù)優(yōu)化上得到成功應(yīng)用。鑒于高級(jí)分析法在乙烷回收工藝中應(yīng)用較少的現(xiàn)狀,本文采用高級(jí)分析法對(duì)RSV 工藝進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)量化乙烷回收工藝中各關(guān)鍵設(shè)備間損的影響程度及自身的改進(jìn)潛力,提出優(yōu)化帶閃蒸的部分干氣再循環(huán)(recycle split vapor with liquid flashing process,RWLF)工藝,為乙烷回收工藝優(yōu)化提供一種新方向。

1 RSV 乙烷回收流程

RSV 工藝以氣相過(guò)冷工藝為基礎(chǔ),將部分外輸干氣(物流④,見(jiàn)圖1,下同)取代低溫分離器氣相作為塔頂回流,再經(jīng)過(guò)冷冷箱降溫后節(jié)流閃蒸進(jìn)入塔頂部,部分低溫分離器氣相(物流⑤)經(jīng)過(guò)冷冷箱降溫后節(jié)流閃蒸進(jìn)入塔上部。RSV 工藝的Aspen HYSYS 模型見(jiàn)圖1。

圖1 RSV 工藝HYSYS 模型圖Fig.1 HYSYS model diagram of the RSV process

RSV 工藝具有如下特點(diǎn):①外輸干氣中甲烷含量高,將其作為塔頂回流提升了對(duì)塔上部氣相的精餾作用;②對(duì)原料氣氣質(zhì)及處理量適應(yīng)性強(qiáng),僅通過(guò)調(diào)節(jié)外輸氣回流比就可維持較高的乙烷回收率,但會(huì)引起主體裝置能耗的增加;③易于改造,取消外輸干氣回流就可轉(zhuǎn)換為氣相過(guò)冷工藝。

2 能耗及常規(guī)分析

本文參照常用的氣質(zhì)貧富劃分標(biāo)準(zhǔn),即規(guī)定GPM 值大于2.5 是富氣,GPM 值小于等于2.5 是貧氣[6-7],其中GPM 值是指每千標(biāo)準(zhǔn)立方英尺氣體(15.5 ℃,101.325 kPa)中可回收的液烴體積(以加侖計(jì)),可用來(lái)衡量天然氣氣質(zhì)的貧富。本文選取的典型富氣氣質(zhì)組分見(jiàn)表1。使用Aspen HYSYS 軟件對(duì)乙烷回收工藝進(jìn)行模擬分析,流程采用丙烷制冷與膨脹機(jī)聯(lián)合制冷工藝,氣液平衡模型選用Peng-Robinson方程,模擬過(guò)程中基礎(chǔ)參數(shù)具體如下:脫甲烷、乙烷塔壓差均取50 kPa,理論塔板數(shù)分別取23、24,膨脹機(jī)等熵效率及壓縮機(jī)絕熱效率分別取85%、75%;采用兩級(jí)丙烷制冷對(duì)原料氣和脫乙烷塔頂氣供冷,其中原料氣預(yù)冷所需的溫位為-37.28 ℃及-14.12 ℃兩個(gè)低溫位,所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力分別為125 kPa、300 kPa。原料氣GPM 為6.21,壓力6 MPa,溫度45 ℃,處理規(guī)模500×104m3/d,外輸干氣壓力與溫度分別為6.2 MPa、40 ℃。

表1 原料氣組成Table 1 Composition of the feed gas

控制指標(biāo)如下:冷箱夾點(diǎn)大于等于3.5,乙烷產(chǎn)品中甲烷組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%。RSV 工藝總壓縮功耗見(jiàn)表2。

由表2 可知,當(dāng)原料氣氣質(zhì)較富時(shí),原料氣冷凝率過(guò)高使得膨脹機(jī)進(jìn)氣量降低,膨脹制冷量減少,導(dǎo)致丙烷制冷功率的增加;同時(shí),還引起甲烷組分過(guò)度冷凝,導(dǎo)致脫甲烷塔第二股進(jìn)料(物流⑤)甲烷含量較低(摩爾分?jǐn)?shù)71.5%),影響了該股進(jìn)料的氣化制冷效果,需要增加外輸干氣回流比來(lái)保證較高的乙烷回收率,從而使得外輸壓縮機(jī)功耗及總壓縮功耗過(guò)高。

表2 RSV 乙烷回收工藝模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of the RSV ethane recovery process

表3 各設(shè)備損及效率計(jì)算公式Table 3 Calculation formulae for exergy loss and efficiency of each equipment item

表3 各設(shè)備損及效率計(jì)算公式Table 3 Calculation formulae for exergy loss and efficiency of each equipment item

Ix—設(shè)備x 的損,kW;ηx—設(shè)備x 的效率,%;Ex—物流;kW;—物流流量,kg/h;ex—物流比,kJ/kg;—物流溫度,kW;—物流壓力,kW;eax—空氣物流,kW;WAC—空冷器電機(jī)功率,kW;Wx—功率,kW;Q—重沸器熱功率,kW;h—質(zhì)量焓,kJ/kg;Tref—重沸器溫度,℃;Itot—系統(tǒng)總損,kW;ExQin—系統(tǒng)輸入熱,kW;Win—系統(tǒng)輸入功,kW;下標(biāo)i、o 表示輸入或輸出;下標(biāo)top、bott、feed 表示塔頂、塔底或進(jìn)塔;下標(biāo)enter side stream、output side stream 表示進(jìn)塔或出塔側(cè)線抽出。

節(jié)流閥 IVLV =Exi -Exo = ∑(m··e)i - ∑(m··e)o ηVLV =eΔT o -eΔTi eΔP i -eΔP o換熱器 ILNG =Exi -Exo = ∑(m··e)i - ∑(m··e)o ηLNG {■=1 - ∑(m··Δe)∑(m··Δh■■- ∑(m··Δe)∑(m··Δh) }■■■■)■■■■■h■■■■c空冷器 IAC =Exi -Exo = ∑(m··e)i +eai +WAC - ∑(m··e)o -eao ηAC = ex∑(m··e)i -∑(m··e)o + W AC膨脹機(jī) IK =Exi -Exo = ∑(m··e)i -Wo - ∑(m··e)o ηK = Wo∑(m··e)i -∑(m··e)o壓縮機(jī) IC =Exi -Exo = ∑(m··e)i +Wi - ∑(m··e)o ηC = ∑(m··e)i -∑(m··e)o W i塔器IT-201、T-301 =Exi -Exo Exi = (Q 1 - To T ref )+ ∑(Exfead +Exenter side stresm)Exo = ∑(Exbott +Extop +Exoutput side stresm)ηT-201、T-301 = Wmin I+W min Wmin = ∑(Exfead -Exbott -Extop)IT-202 =Exi -Exo = ∑(m··e)i - ∑(m··e)o ηT-202 =Exo Ex i= ∑(m··e)o∑(m··e)i系統(tǒng) Itot =IVLV +ILNG +IAC +IK +IC +IT-201 +IT-301 +IT-202 ηtot =1 - Itot∑ExQin +∑W in

表4 RSV 工藝各設(shè)備損及效率計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of exergy loss and efficiency of each equipment item in the RSV process

設(shè)備images/BZ_55_516_2252_548_2285.png損/kW images/BZ_55_721_2252_753_2285.png效率/%設(shè)備images/BZ_55_1184_2252_1216_2285.png損/kW images/BZ_55_1389_2252_1421_2285.png效率/%設(shè)備images/BZ_55_1820_2252_1852_2285.png損/kW images/BZ_55_2058_2252_2090_2285.png效率/%LNG-201 1 074.7 94.9 LNG-202 405.5 92.1 LNG-203 33.9 93.8 K-201 256.9 79.3 K-202 225.2 76.8 K-203 1 221.9 80.1 K-401 144.9 72.3 VLV-201 133.2 58.7 VLV-202 145.7 31.1 VLV-203 323.9 45.2 VLV-204 3.8 9.3 VLV-301 27.5 21.2 VLV-401 253.8 42.4 VLV-402 37.2 73.8 E-401 37.4 95.7 AC-201 1 197.9 10.3 AC-401 405.5 58.3 T-201 978.2 65.8 T-301 2 807.2 9.1總計(jì)10 524.9 19.8 K-402 750.1 78.0 E-201 60.5 93.1

3.1 內(nèi)外源損模型

圖2 RSV 工藝關(guān)鍵設(shè)備的損占比Fig.2 Exergy loss ratio of key equipment in the RSV process

3.2 不可避免和可避免損模型

即使應(yīng)用最新技術(shù),由于原材料、鍛造工藝、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)成本等原因所造成的仍不能減少的設(shè)備損稱為不可避免損(),剩余部分稱為可避免損()[13-14],具體關(guān)系見(jiàn)式(4)。其中當(dāng)研究對(duì)象在不可避免狀態(tài)條件下運(yùn)行時(shí),其損最小且效率最大,在此工況條件下得出研究對(duì)象損(ED,k)與產(chǎn)品(EP,k)的比值(ED,k/EP,k)UN。在計(jì)算設(shè)備過(guò)程中,設(shè)備的不可逆假設(shè)狀態(tài)見(jiàn)表5。RSV 工藝各設(shè)備內(nèi)源損求解圖及各類損占比分別見(jiàn)圖3(a)、(b)。

表5 兩種狀態(tài)下各設(shè)備的參數(shù)規(guī)格Table 5 Parameter specifications of each device in two states

由圖3 可看出:

圖3 RSV 流程關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)源求解圖及各類損占比Fig.3 Solving diagram of internal sources of key equipment in the RSV process and the loss ratio of various types of key equipment

4 基于高級(jí)分析的流程改進(jìn)

4.1 改進(jìn)工藝的提出

基于改變氣源與多級(jí)分離的方法提出帶閃蒸的部分干氣再循環(huán)工藝,其HYSYS 模型圖如圖4 所示。RWLF 改進(jìn)工藝具有以下特點(diǎn):①采用兩級(jí)分離的方法,將低溫分離器液相節(jié)流降溫后再送入原料氣預(yù)冷冷箱換熱升溫,充分利用節(jié)流后低溫分離器液相的冷量,提高了系統(tǒng)的熱集成度;②通過(guò)閃蒸罐有效分離出CO2、C2H6及以上重組分,脫甲烷塔頂部CO2含量顯著降低,有效提高了脫甲烷塔CO2的凍堵裕量;③高含CH4的閃蒸罐氣相混入部分液相(物流⑤)進(jìn)入脫甲烷塔上部,乙烷回收率顯著增加。

4.2 改進(jìn)工藝的能耗及分析

運(yùn)用HYSYS 軟件對(duì)RWLF 工藝進(jìn)行模擬,得出在相同氣質(zhì)工況條件下改進(jìn)流程的能耗、常規(guī)及高級(jí)分析結(jié)果,具體如表6、7 和圖5、6 所示。

對(duì)表6 ～7、圖5 ～6 進(jìn)行分析可得出:

圖4 RWLF 工藝HYSYS 模型圖Fig.4 HYSYS model diagram of the RWLF process

表6 RWLF 乙烷回收工藝模擬結(jié)果Table 6 Simulation results of the RWLF ethane recovery process

表7 RWLF 工藝各設(shè)備的損及效率計(jì)算結(jié)果Table 7 RWLF process exergy loss and exergy efficiency calculation results

表7 RWLF 工藝各設(shè)備的損及效率計(jì)算結(jié)果Table 7 RWLF process exergy loss and exergy efficiency calculation results

設(shè)備images/BZ_59_541_562_573_594.png損/kW images/BZ_59_730_562_762_594.png效率/%設(shè)備images/BZ_59_1209_562_1241_594.png損/kW images/BZ_59_1398_562_1430_594.png效率/%設(shè)備images/BZ_59_1878_562_1910_594.png損/kW images/BZ_59_2067_562_2099_594.png效率/%LNG-201 915.8 95.7 LNG-202 314.1 94.1 LNG-203 35.3 93.4 K-201 244.7 79.8 K-202 210.7 76.9 K-203 1 093.2 80.7 K-401 131.1 72.8 VLV-201 94.1 58.9 VLV-202 74.8 42.3 VLV-203 151.8 45.6 VLV-204 3.9 9.3 VLV-205 128.8 54.8 VLV-301 23.6 21.6 VLV-401 254.8 42.3 E-201 62.8 93.1 E-401 38.2 95.7 AC-201 1 090.2 9.5 AC-401 301.8 59.2 T-201 872.4 67.9 T-301 2 711.3 10.1總計(jì)9 541.2 24.4 K-402 755.3 78.2 VLV-402 32.5 73.8

圖5 RWLF 關(guān)鍵設(shè)備的損占比Fig.5 Exergy loss ratio of key equipment in RWLF process

圖6 RWLF 流程關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)源求解圖和關(guān)鍵設(shè)備的各類損占比Fig.6 Solving diagram of internal sources of key equipment in the RWLF process and the loss ratio of various types of key equipment

5 結(jié)論