李浩玉 羅亮 胡朋偉 張君琴 黃靖珊 楊銅林

1.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田開發(fā)分公司 2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 3.中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司 4.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院

氦氣是位于元素周期表第2位的單原子稀有氣體,在標(biāo)準(zhǔn)條件下,具有目前已知元素中最低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)、極強(qiáng)的擴(kuò)散性、良好的熱傳導(dǎo)性、難溶于水等特點(diǎn)[1],在航空航天、低溫超導(dǎo)等領(lǐng)域均有重要作用[2-5]。目前,國內(nèi)每年約95%的氦氣依賴進(jìn)口[6-7]。低溫冷凝法是當(dāng)前從天然氣中提取氦氣的主要方法,但從天然氣中單獨(dú)提氦在一定程度上會(huì)導(dǎo)致效益低下。LNG生產(chǎn)與提氦工藝在天然氣預(yù)處理、制冷循環(huán)等工藝方面均有深冷單元,且裝置設(shè)備類似,同時(shí)LNG中閃蒸氣可極大程度地提濃粗氦氣,降低氦氣提濃設(shè)備費(fèi)用及能量損耗[8-9]。因此,用低溫法在天然氣提氦的同時(shí)聯(lián)產(chǎn)LNG,能有效降低能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝流程

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基于我國低含氦天然氣現(xiàn)狀,選取經(jīng)過預(yù)處理后的天然氣作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),原料氣壓力為4 500 kPa,溫度為40 ℃,流量為30.0×104m3/d,原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成% 組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)H20.001 1C30.019 9He0.250 0iC40.044 3N29.000 0nC40.004 0C190.449 8iC50.000 8C20.229 8nC50.000 3

1.2 新工藝流程概述

在天然氣提氦工藝可與天然氣液化、脫氮等低溫工藝相互集成以提高熱集成度的大背景下,低溫法是目前采用最廣泛的提氦方法,在現(xiàn)有低溫工藝流程中,多級(jí)閃蒸法流程簡單,存在氦氣回收率較低的問題;低溫精餾提氦法氦氣回收率高,但存在熱集成度低、能耗高等問題。針對(duì)深冷提氦工藝高能耗等現(xiàn)狀,本研究參考現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)及專利中的提氦流程和工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[10-11],提出了一種新型天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝。該新工藝的創(chuàng)新思路是設(shè)置低溫低壓閃蒸罐分離氦氣,分離氣液相分別經(jīng)高壓提氦塔和低壓脫氮塔實(shí)現(xiàn)氮?dú)夂秃?、甲烷和氮?dú)獾幕痉蛛x。外輸富氮產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮后部分回流冷卻、節(jié)流膨脹為脫氮塔和提氦塔塔頂提供冷量,同時(shí)可生產(chǎn)粗氦提純及精氦液化等部分所需的液氮,該新型工藝已獲國家發(fā)明專利授權(quán)[12]。

新型天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝流程見圖1。由圖1可知,原料氣經(jīng)液化冷箱(E-101)降溫節(jié)流后進(jìn)入閃蒸罐(V-101)分離,分離氣相經(jīng)提氦冷箱(E-102)冷凝節(jié)流后作為提氦塔(T-102)中部進(jìn)料;液相進(jìn)入脫氮塔(T-101)脫氮。脫氮塔和提氦塔塔底汽提熱源采用由部分塔底出料物流復(fù)熱后返至塔器塔底的方式獲得,提氦塔和脫氮塔兩塔塔底采用流量控制代替溫度控制,解決了兩塔塔底因溫度控制變化敏感引起的塔運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。提氦塔塔底部分出料經(jīng)節(jié)流后為提氦冷箱提供冷量,復(fù)熱后進(jìn)入液化冷箱冷凝至-150 ℃左右進(jìn)入脫氮塔。該工藝采用混合制冷劑制冷循環(huán)和開式高純氮?dú)庵评溲h(huán),混合制冷劑制冷循環(huán)為主冷箱提供高壓氣相和中壓液相兩股制冷劑;高純氮?dú)庵评溲h(huán)為脫氮塔和提氦塔塔頂提供低溫位的冷量,同時(shí)生產(chǎn)部分高純氮?dú)夂鸵旱?/p>

2 新工藝流程特性及適應(yīng)性分析

2.1 特性分析

新工藝流程采用開式高純氮?dú)庵评溲h(huán)分別為脫氮塔和提氦塔塔頂提供低溫位的冷量,且副產(chǎn)液氮。氮?dú)庵评溲h(huán)制冷劑中氮?dú)饧兌?摩爾分?jǐn)?shù),下同)、制冷劑循環(huán)量等不僅影響氦氣回收率及粗氦純度(摩爾分?jǐn)?shù),下同),還影響裝置能耗及冷箱夾點(diǎn)等關(guān)鍵工藝指標(biāo),同時(shí)高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量又與外輸?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品純度相互影響,因此,需對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)品純度、氦氣產(chǎn)品純度、液氮生產(chǎn)量進(jìn)行特性分析。

2.1.1閃蒸罐節(jié)流前溫度及節(jié)流壓力

新工藝設(shè)置低溫低壓閃蒸罐對(duì)含氦原料氣進(jìn)行閃蒸濃縮,選取閃蒸罐節(jié)流前溫度區(qū)間為-156～-144 ℃,節(jié)流壓力區(qū)間為200～450 kPa,控制閃蒸罐液相中氦流量不大于0.1 kg/h時(shí),研究閃蒸罐氣相流量、氦氣純度及液相中氦損失量變化規(guī)律。閃蒸罐節(jié)流前溫度及節(jié)流壓力對(duì)新工藝的影響見圖2。由圖2可知,在低溫端閃蒸節(jié)流前溫度對(duì)閃蒸罐液相氦損失量影響較大,同時(shí)閃蒸節(jié)流前溫度越低,節(jié)流壓力越高,閃蒸罐氣相流量越小,氦氣組成濃縮比越大。因此,控制閃蒸罐液相中氦流量不大于0.1 kg/h,選取閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,壓力為350 kPa。

2.1.2提氦塔塔板數(shù)

為設(shè)置合理高效的提氦塔塔板數(shù),選取總塔板數(shù)為6～20塊,以2塊塔板為步長,研究塔板數(shù)對(duì)工藝各參數(shù)的影響。提氦塔不同總塔板數(shù)對(duì)應(yīng)各塔板溫度的變化見圖3,提氦塔總塔板數(shù)對(duì)粗氦產(chǎn)品的影響見圖4。由圖3、圖4可知:當(dāng)總塔板數(shù)大于14塊時(shí),提氦塔的塔板溫度在-157～-135 ℃出現(xiàn)連續(xù)的基本等溫塔板,粗氦產(chǎn)品量、氦回收率及粗氦純度變化不明顯,且造成無用塔板數(shù)增加;當(dāng)總塔板數(shù)小于14塊時(shí),提氦塔塔板溫度變化明顯,氦回收率降低明顯。根據(jù)各曲線變化趨勢(shì)確定提氦塔塔板數(shù)宜選取10～14塊,本研究選取12塊。

2.1.3提氦塔壓力

提氦塔壓力不僅影響閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率,也影響氦回收率及粗氦純度,經(jīng)過初步模擬,選取提氦塔壓力為2.0～3.6 MPa。不同提氦塔壓力下提氦塔塔頂冷凝溫度對(duì)氦回收率及粗氦純度的影響見圖5。由圖5可知,隨著提氦塔壓力的增加,粗氦純度提高,這是因?yàn)樘岷に毫υ礁?原料氣更易冷凝,粗氦中氮?dú)饨M分就越少,但是粗氦產(chǎn)品量隨之減少、閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率增加、壓縮機(jī)總軸功率增加。同時(shí),提氦塔壓力及提氦塔塔頂冷凝溫度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)粗氦純度及氦回收率有極大的影響,提氦塔壓力越高、提氦塔塔頂冷凝溫度越低,粗氦純度越高,可調(diào)節(jié)此兩者的相對(duì)大小,從而得到所需要的粗氦純度及氦回收率。為保證粗氦純度大于70%和較高的氦氣回收率,故優(yōu)選提氦塔壓力為3.2 MPa,所需閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW。

2.1.4脫氮塔塔板數(shù)

對(duì)脫氮塔總塔板數(shù)為6～20塊的8組工況進(jìn)行了研究,脫氮塔塔板數(shù)對(duì)產(chǎn)品氣參數(shù)的影響見圖6,脫氮塔不同總塔板數(shù)對(duì)應(yīng)塔板溫度的變化見圖7。由圖6、圖7可知,在保證LNG產(chǎn)品中氮?dú)饧兌葹?.90%的前提條件下,LNG產(chǎn)品量和脫氮塔塔頂?shù)獨(dú)夂侩S脫氮塔總塔板數(shù)增加逐漸增加并趨于平緩,當(dāng)脫氮塔總塔板數(shù)低于10塊時(shí),LNG產(chǎn)品量和脫氮塔塔頂?shù)獨(dú)夂繙p少明顯,造成脫氮塔塔底復(fù)熱汽提量增加,脫氮塔運(yùn)行負(fù)荷增加。結(jié)合不同脫氮塔總塔板數(shù)中各塔板溫度變化趨勢(shì)(塔板溫度為-155 ℃存在多余無效塔板),綜合根據(jù)脫氮塔塔板溫度變化及LNG和脫氮塔塔頂產(chǎn)品指標(biāo),脫氮塔總塔板數(shù)宜控制在10～14塊,本研究取12塊。

2.1.5開式高純氮?dú)庵评溲h(huán)

開式高純氮?dú)庵评溲h(huán)中高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量與外輸?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品純度相互影響,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)制冷劑循環(huán)量來生產(chǎn)不同純度的氮?dú)猱a(chǎn)品。脫氮塔塔頂制冷劑循環(huán)量對(duì)壓縮機(jī)總軸功率及氮?dú)猱a(chǎn)品純度的影響見圖8。由圖8可知,當(dāng)制冷劑循環(huán)量小于95 kmol/h時(shí),氮?dú)猱a(chǎn)品純度隨制冷劑循環(huán)量增加而顯著增加,最高可達(dá)99.86%,滿足工業(yè)氮?dú)赓|(zhì)量要求(φ(N2)≥ 99.2%),可作其他工業(yè)用途[13]。隨制冷劑循環(huán)量增加,氮?dú)猱a(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)甚至可達(dá)到99.9%,但同時(shí)導(dǎo)致工藝裝置壓縮機(jī)總軸功率逐漸增加。

該新型工藝可根據(jù)工藝生產(chǎn)需求和液氮生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性選擇是否自產(chǎn)液氮產(chǎn)品,新型工藝生產(chǎn)的液氮產(chǎn)品可應(yīng)用于粗氦精制、精氦液化等工藝裝置中。液氮生產(chǎn)量對(duì)壓縮機(jī)總軸功率及高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量的影響見圖9。由圖9可知,壓縮機(jī)總軸功率和高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量隨液氮生產(chǎn)量的增加呈增加趨勢(shì),生產(chǎn)1.0 m3/h的液氮平均大約需增加150 kW的壓縮機(jī)軸功率。在未生產(chǎn)液氮產(chǎn)品的工況下,高純氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率為236 kW。

綜上所述,根據(jù)工藝流程特性分析,新型工藝流程主體工藝優(yōu)化參數(shù)如下:閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,節(jié)流壓力為350 kPa,提氦塔壓力為3 200 kPa,脫氮塔和提氦塔塔板數(shù)均為12塊,此時(shí)閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW,高純氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率為236 kW。

2.2 適應(yīng)性分析

2.2.1原料氣氮?dú)饧兌茸兓瘜?duì)流程的適應(yīng)性

利用原料氣中氮?dú)饧兌确謩e為4%、9%、15%、20%和25%的含氦原料氣(本研究所用氣質(zhì)對(duì)表1中氮?dú)夂图淄楹窟M(jìn)行調(diào)整,其余組分含量不變)來研究改進(jìn)工藝流程的氮?dú)膺m應(yīng)性。壓力在2～5 MPa 范圍內(nèi),不同氮?dú)饧兌仍蠚鈿庖汗泊鎱^(qū)間和面積存在差異,由于天然氣中甲烷摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上,因此,當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌仍礁?原料氣氣液共存區(qū)間和面積越大,氮?dú)饧兌炔煌瑢?dǎo)致提氦塔塔頂高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量、塔底汽提氣進(jìn)料溫度等參數(shù)有所差異,進(jìn)而造成裝置壓縮機(jī)軸功率不同。氮?dú)夂图淄槔淠匦源嬖诓町?氮?dú)饧兌仍礁?甲烷組分含量越低,不同氮?dú)饧兌鹊脑蠚鈖-t相態(tài)圖見圖10。

根據(jù)不同氮?dú)饧兌鹊暮ぴ蠚鈖-t相圖,在冷箱夾點(diǎn)≥3.5℃、氦回收率≥95%的情況下,模擬分析原料氣中氮?dú)饧兌葘?duì)新工藝流程中提氦裝置原料氣流量、氦氣濃縮比、脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料等關(guān)鍵參數(shù)的影響特性。

(1) 氮?dú)饧兌葘?duì)脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料的影響。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38753-2020 《液化天然氣》規(guī)定[14],需要根據(jù)氮?dú)饧兌鹊葘?shí)際工藝要求調(diào)節(jié)脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料汽提氣流量和溫度,使得LNG中氮?dú)饧兌?1%。氮?dú)饧兌葘?duì)脫氮塔和提氦塔塔底汽提氣流量的影響見圖11(a)。由圖11(a)可知,隨氮?dú)饧兌鹊脑黾?脫氮塔和提氦塔塔底汽提氣流量不斷增加,且脫氮塔塔底汽提進(jìn)料流量遠(yuǎn)大于提氦塔塔底進(jìn)料流量,這是因?yàn)樾鹿に囋O(shè)置閃蒸罐明顯濃縮提氦裝置進(jìn)料原料氣,絕大部分原料天然氣經(jīng)閃蒸后由液相進(jìn)入脫氮塔。氮?dú)饧兌葘?duì)脫氮塔和提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度的影響見圖11(b)。由圖11(b)可知,隨原料氣中氮?dú)饧兌鹊脑黾?提氦塔塔底進(jìn)料溫度不斷降低,脫氮塔塔底進(jìn)料溫度不斷升高,且提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度變化幅度較大,這是因?yàn)樵诒ＷC粗氦產(chǎn)品中氦氣純度基本不變的情況下,提氦塔塔底出料中氮?dú)饧兌却蠓黾?因此復(fù)熱氣化溫度不斷降低,而在脫氮塔中,為控制LNG產(chǎn)品中氮?dú)饧兌?其塔底進(jìn)料物流溫度由-137 ℃升至-120 ℃,其變化幅度(17 ℃)小于提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度變化幅度(35 ℃)。

(2) 氮?dú)饧兌葘?duì)新工藝壓縮機(jī)軸功率的影響。氮?dú)饧兌葘?duì)混合制冷劑、閃蒸氣、氮?dú)庵评鋭嚎s機(jī)軸功率的影響見圖12(a),氮?dú)饧兌葘?duì)新工藝壓縮機(jī)軸功率的影響見圖12(b)。原料氣中氮?dú)饧兌葟?%增加至25%的過程中,氮?dú)饧兌葘?duì)含氮原料氣濃縮比影響較大,當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌容^小時(shí),新工藝可將原料氣中氦氣濃縮30倍左右。由圖12可知,新工藝能耗主要由混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率、閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率和高純氮?dú)庵评鋭嚎s機(jī)軸功率組成。當(dāng)原料氣中氮?dú)饧兌葹?%時(shí),主冷箱制冷負(fù)荷增大,故裝置壓縮機(jī)總軸功率較大。氮?dú)饧兌仍礁?天然氣液化單元混合制冷劑循環(huán)量需求減少,混合制冷劑壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)軸功率減少,脫氮塔和提氦塔塔頂高純氮?dú)庵评鋭┬枨笱h(huán)量、閃蒸氣量均增加,但后者壓縮機(jī)總軸功率遠(yuǎn)小于混合制冷劑所需功率,總體來說,新型工藝對(duì)氮?dú)饩哂泻芎玫倪m應(yīng)性。

(3) 氮?dú)饧兌葘?duì)新工藝流程形式的影響。當(dāng)原料氣中氮?dú)饧兌容^低時(shí),開式氮?dú)庵评鋭┲评溲h(huán)制冷量不足,混合制冷劑循環(huán)制冷量增加,同時(shí)氮?dú)饧兌壬贂r(shí),脫氮塔的設(shè)置多余且工藝流程復(fù)雜錯(cuò)亂。為確定設(shè)置脫氮塔的氮?dú)饧兌?以氮?dú)饧兌葹?%、2%、3%、4%、5%的原料氣模擬研究未設(shè)置脫氮塔的新工藝簡化流程的氮?dú)膺m應(yīng)性。新工藝簡化流程見圖13,簡化流程取消原有脫氮塔,增設(shè)閃蒸罐,即原有閃蒸罐液相在主冷箱內(nèi)降溫后節(jié)流降壓直接作為LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐,提氦塔塔底出料經(jīng)節(jié)流膨脹為提氦冷箱提供冷量,然后在主冷箱中降溫進(jìn)入閃蒸罐閃蒸后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。不同氮?dú)饧兌认滦鹿に嚭喕鞒棠M結(jié)果見表2。

表2 不同氮?dú)饧兌认滦鹿に嚭喕鞒棠M結(jié)果原料氣中氮?dú)饧兌?%LNG產(chǎn)品量/(kg·h-1)BOG流量(工況條件)/(m3·h-1)氦回收率/%粗氦純度/%LNG產(chǎn)品中氮?dú)饧兌?%壓縮機(jī)總軸功率/kW18 14910998.9574.960.433 66227 99019698.1570.760.733 67137 82726799.2770.650.933 68347 71232698.9670.681.273 68957 55640099.0670.671.463 694

由表2可知,當(dāng)原料氣中氮?dú)饧兌葹?%時(shí),新工藝簡化流程中LNG質(zhì)量指標(biāo)(LNG產(chǎn)品中氮?dú)饧兌葹?.27%)不滿足要求。因此,確定氮?dú)饧兌取?%時(shí)采用設(shè)置脫氮塔的新工藝流程,氮?dú)饧兌?3%時(shí)采用新工藝簡化流程。

2.2.2原料氣中氦氣純度變化對(duì)流程的適應(yīng)性

選取氦氣純度為0.05%～1.50%的6組不同原料氣(所用氣質(zhì)是對(duì)表1中氦氣和甲烷含量進(jìn)行調(diào)整,其余氣體組成不變)來研究新工藝流程對(duì)氦氣純度變化的適應(yīng)性。不同氦氣純度下的原料天然氣p-t相圖見圖14。由圖14可知,由于氦氣的存在,原料天然氣增加了高壓及低溫端的p-t相圖區(qū)域,但是在壓力為0～5 MPa范圍內(nèi)有無氦氣的原料氣相圖基本相同,原料天然氣組分分離兩相區(qū)為2～5 MPa。

不同氦氣純度原料氣的改進(jìn)工藝流程模擬結(jié)果見表3,由表3可知,隨原料氣中氦氣純度的增加,LNG產(chǎn)品量不斷減少,但氦氣回收率及粗氦純度逐漸增加,且氦氣純度較少時(shí),粗氦純度隨氦氣純度變化幅度較大。氦氣純度選取0.05%～1.50%新工藝流程均可以保持95%以上的氦回收率,且粗氦純度基本無變化。同時(shí)在氦氣純度增加時(shí),新工藝中提氦裝置進(jìn)料原料氣流量、壓縮機(jī)總軸功率不斷增加。

表3 不同氦氣純度原料氣的改進(jìn)工藝流程模擬結(jié)果氦氣純度/%脫氮塔塔頂溫度/℃脫氮塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)脫氮塔塔底汽提氣溫度/℃提氦塔塔頂壓力/kPa提氦塔塔頂溫度/℃提氦塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)提氦塔塔底汽提氣溫度/℃0.05-180.377-1363 200-152.815-1160.30-181.077-1363 200-159.515-1160.55-181.277-1363 200-161.915-1160.80-181.677-1363 200-161.617-1151.10-182.077-1363 200-163.318-1141.50-178.077-1363 200-162.421-114

2.2.3原料氣壓力變化對(duì)流程的適應(yīng)性

為研究新工藝對(duì)原料氣壓力條件的適應(yīng)性,選用3 500 kPa、4 000 kPa、4 500 kPa、5 000 kPa和5 500 kPa 5組壓力模擬研究工藝特性。在保證原料氣中氦氣濃縮比基本不變的情況下,隨著原料氣壓力增大,提氦裝置原料氣的流量略有增加;原料氣壓力對(duì)混合制冷劑循環(huán)量及壓縮機(jī)軸功率的影響見圖15,原料氣壓力變化基本不影響提氦裝置工藝能耗,但隨著原料氣壓力的增加,混合制冷劑循環(huán)量、壓縮機(jī)軸功率不斷減小。這是因?yàn)閴毫υ礁?天然氣臨界液化溫度越高,原料天然氣更容易被液化,天然氣液化單元系統(tǒng)需要的冷量減少[15-16]。

3 混合制冷劑制冷工藝參數(shù)優(yōu)化

本研究設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d,屬于小規(guī)模天然氣液化工藝,混合制冷劑制冷方式已廣泛應(yīng)用于中小型液化工廠[17-18]?；旌现评鋭┲评涫峭ㄟ^混合制冷劑中不同組成的配比和壓力溫度的優(yōu)化選擇,實(shí)現(xiàn)制冷劑與液化天然氣換熱曲線匹配,在滿足夾點(diǎn)要求的情況下,最小化冷熱流之間的幾何傳熱溫差,充分換冷以減少制冷劑壓縮機(jī)的功耗[19-20]。

3.1 優(yōu)化方法

遺傳算法是基于生物學(xué)中的遺傳和進(jìn)化理論提出來的,把實(shí)際問題的解比作染色體,通過染色體的選擇、交叉、變異生成更多的子代染色體,通過不斷進(jìn)化最終獲得全局最優(yōu)解,被普遍認(rèn)為是可以獲得最優(yōu)化或者接近最優(yōu)化結(jié)果[21-22]。

3.2 新工藝流程優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用遺傳算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,需要根據(jù)實(shí)際工程冷箱換熱情況等為優(yōu)化工藝設(shè)置約束條件等參數(shù),主要明確優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、決策變量及約束條件等。

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

由于混合制冷劑制冷系統(tǒng)中絕大部分的能量損耗來自增壓壓縮機(jī)的電能用量,故混合制冷劑制冷工藝循環(huán)優(yōu)化的目的是降低混合制冷劑制冷壓縮機(jī)軸功率,總能耗W定義為改進(jìn)工藝流程的混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率總和,其表達(dá)式如式(1)所示。

W=WC-1+WC-2

(1)

式中:W為混合制冷劑增壓壓縮機(jī)軸功率總和,kW;WC-1為混合制冷劑一級(jí)增壓壓縮機(jī)軸功率,kW;WC-2為混合制冷劑二級(jí)增壓壓縮機(jī)軸功率,kW。

3.2.2決策變量

混合制冷劑制冷系統(tǒng)決策變量包括制冷劑冷凝溫度、蒸發(fā)壓力、制冷劑各組分流量等變量,混合制冷劑制冷工藝各參數(shù)稍有不同,各制冷工藝決策變量及其取值范圍見表4。

表4 混合制冷劑制冷工藝流程決策變量及其取值范圍參數(shù)下限值上限值級(jí)間壓力/kPa8001 500末級(jí)壓力/kPa2 0003 000蒸發(fā)壓力/kPa200500一級(jí)冷凝溫度/℃-70-20二級(jí)冷凝溫度/℃-160-150混合制冷劑流量/(kmol·h-1)N257.6421.2CH4298.8658.8C2H4309.6669.6C3H8230.4590.4iC5H12198.0558.0

3.2.3約束條件

在換熱冷箱設(shè)計(jì)中,夾點(diǎn)溫差越小,熱回收量越多,則工藝運(yùn)行中所需的加熱和冷卻公用工程量越少。但夾點(diǎn)溫差越小,冷箱換熱面積越大,從而造成冷箱投資費(fèi)用增加[22]。故此次優(yōu)化中需滿足冷箱夾點(diǎn)不小于3.5 ℃的要求,其表達(dá)式如式(2)所示。

Δtmin,E-101≥3.5

(2)

式中:Δtmin,E-101為液化冷箱E-101的換熱夾點(diǎn),℃。

為滿足換熱冷箱夾點(diǎn)小于3.5 ℃時(shí)的不符合實(shí)際運(yùn)行情況,因此需要引入懲罰函數(shù)g(x),其表達(dá)式如式(3)所示。則目標(biāo)函數(shù)值被調(diào)整為W’=Wg(x)。

g(x)=e3.5-Δtmin,E-101

(3)

3.3 優(yōu)化結(jié)果

混合制冷劑制冷工藝優(yōu)化結(jié)果見圖16,遺傳算法種群大小和最大進(jìn)化代數(shù)分別設(shè)置為100代,交叉概率為0.70,變異概率為0.01,選擇方法采用隨機(jī)遍歷抽樣法。利用遺傳算法對(duì)混合制冷劑制冷工藝中混合制冷劑配比等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化得到制冷工藝最低的壓縮機(jī)軸功率消耗為3 485 kW?；旌现评鋭┲评涔に囘^程最終優(yōu)化得到的工藝參數(shù)見表5。

表5 混合制冷劑制冷工藝最優(yōu)工藝參數(shù)最優(yōu)工藝參數(shù)數(shù)值級(jí)間壓力/kPa1 341末級(jí)壓力/kPa2 767蒸發(fā)壓力/kPa339一級(jí)冷凝溫度/℃-48.7二級(jí)冷凝溫度/℃-158.3混合制冷劑流量/(kmol·h-1)(混合制冷劑氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)/%)N2212.92(12.3 598)CH4323.43(18.7 750)C2H4555.58(32.2 510)C3H8295.85(17.1 741)iC5H12334.89(19.4 401)合計(jì)1 722.67(100)

3.4 新工藝綜合能耗分析

綜合上述對(duì)主體工藝參數(shù)及混合制冷系統(tǒng)兩部分的優(yōu)化,得到提氦塔和脫氮塔塔板數(shù)均為12塊,新工藝流程優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果見表6。由表5、表6可知,混合制冷劑壓縮機(jī)一級(jí)和二級(jí)最優(yōu)增壓壓力分別為1 341 kPa和2 767 kPa,混合制冷劑循環(huán)量增加約為1 723.0 kmol/h,高純氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率為236 kW,閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW,混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率為3 485 kW,則壓縮機(jī)總軸功率為3 765 kW。優(yōu)化后氦氣回收率大于98%,粗氦純度大于70%,現(xiàn)有工藝流程中氦氣回收率均能達(dá)到90%以上,但粗氦純度較低,大部分流程粗氦純度在60%以下?？紤]到原料氣氣質(zhì)、流程形式、所得粗氦產(chǎn)品純度等差異,對(duì)各流程不做能耗對(duì)比[23]。

表6 新工藝流程優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果項(xiàng)目數(shù)值閃蒸罐節(jié)流前冷凝溫度/℃-150閃蒸罐閃蒸壓力/kPa350脫氮塔塔頂壓力/kPa350脫氮塔塔頂溫度/℃-183.4脫氮塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)90脫氮塔塔底汽提氣溫度/℃-133提氦塔塔頂壓力/kPa3 200提氦塔塔頂冷凝溫度/℃-176提氦塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)15提氦塔塔底汽提氣溫度/℃-115去外輸?shù)獨(dú)饬髁?(kmol·h-1)27氮?dú)饧兌?%99.88開式高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量/(kmol·h-1)100混合制冷劑循環(huán)量/(kmol·h-1)1 900混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率/kW3 485閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率/kW44高純氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率/kW236壓縮機(jī)總軸功率/kW3 765氦氣回收率/%98.68氦氣產(chǎn)品純度%70.63LNG流量/(kg·h-1)7 627.0

由于壓縮機(jī)、水冷器采用不同獲取代價(jià)的能源供能,因此不能將不同設(shè)備的能耗用功率簡單比較。采用GB/T 2589-2020 《綜合能耗計(jì)算通則》中綜合能耗的評(píng)價(jià)方法對(duì)改進(jìn)工藝流程的工藝裝置能耗進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。綜合能耗計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中:E為綜合能耗,kW;n為消耗的能源品種數(shù),個(gè);ei為生產(chǎn)和服務(wù)活動(dòng)中消耗的第i種能源量(含能耗工質(zhì)消耗的能源量),kW;pi為第i種能源的折算系數(shù),無量綱。

工藝流程中有壓縮機(jī)和水冷器能量消耗,假設(shè)所有壓縮機(jī)均采用電供能、水冷器采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻,電能折算系數(shù)取11.84;冷卻水折算系數(shù)取4.17。優(yōu)化后新工藝流程的綜合能耗計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 優(yōu)化后新工藝流程的綜合能耗計(jì)算結(jié)果工藝流程高純氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率/kW閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率/kW混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率/kW冷卻水用量/(t·d-1)綜合能耗/(MJ·d-1)單位能耗/(MJ·m-3)優(yōu)化后236443 4856 4741 097 216.003.66

4 結(jié)論

新工藝集成了天然氣液化、脫氮與提氦工藝,簡化了工藝流程,提氦塔和脫氮塔兩塔塔底采用流量控制代替溫度控制,解決了兩塔塔底因溫度控制變化敏感引起的塔運(yùn)行不穩(wěn)定等問題,提高了系統(tǒng)熱集成度;氦氣回收率與粗氦產(chǎn)品純度高,且回收率可調(diào),流程適應(yīng)性強(qiáng);高純氮?dú)庵评鋭﹣碓从谔烊粴?且可獲得高純氮?dú)饧耙旱ＤM分析結(jié)果如下:

(1) 隨著高純氮?dú)庵评鋭┭h(huán)量增加,可生產(chǎn)純度達(dá)到99.9%的高純氮?dú)猱a(chǎn)品,同時(shí)高純氮?dú)馔ㄟ^冷卻得到液氮產(chǎn)品,但壓縮機(jī)總軸功率也增加。

(2) 新工藝對(duì)原料氣中氮?dú)狻⒑饧兌茸兓霸蠚鈮毫泻軓?qiáng)的適應(yīng)性,原料氣壓力越高,氮?dú)夂秃饧兌仍降蜁r(shí),新工藝流程壓縮機(jī)總軸功率和越低。但是當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌刃∮?%時(shí),出于經(jīng)濟(jì)考慮,可用閃蒸罐取代脫氮塔的新工藝簡化流程。

(3) 綜合優(yōu)化可得閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,節(jié)流壓力為350 kPa,提氦塔壓力為3 200 kPa,脫氮塔和提氦塔塔板數(shù)均為12塊,混合制冷劑壓縮機(jī)一級(jí)和二級(jí)最優(yōu)增壓壓力分別為1 341 kPa、2 767 kPa,混合制冷劑循環(huán)量為1 722.7 kmol/h,壓縮機(jī)總軸功率為3 765 kW,冷卻水用量為6 474 t/d,綜合能耗及單位能耗分別為1 097 216.00 MJ/d和3.66 MJ/m3。