天然气粗氦分离系统㶲分析与工艺参数优化

周 璇 周泽乾 黄 勇 李莹珂 蒲黎明

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心, 四川 成都 610213

0 前言

氦气是保障我国国防安全和经济发展的一种重要稀有气体资源,具有液化温度低、水中溶解度低、惰性和扩散性好等特殊的物理化学性质,目前被广泛应用于低温超导、航空航天、海洋能源利用、肿瘤治疗、真空检漏等领域[1-4]。目前,含氦天然气凭借其氦气含量相对较高,且工艺流程相对简单的优势,成为工业用氦的主要来源[5-6]。我国氦气储量相对匮乏且品位很低,加大了我国天然气提氦工艺的技术难度,导致了我国提氦工艺普遍存在设备耗能大、产品浓度低的问题[2-3]。目前,天然气提氦的主要方法有深冷法[2,6-8]、膜分离法[9-13]、变压吸附法[3]等。其中,深冷法利用氦气极低的液化温度,将其从天然气中分离出来,是目前工业上从天然气中提氦的重要方法。此方法技术比较成熟,工艺流程简单,适用于粗氦提纯过程,但能耗较高,是天然气提氦过程中的主要能耗来源[6]。如何以相对较小的能耗代价,获得较高纯度的氦气产品,是天然气提氦的一个重要问题。

本文面向某天然气粗氦分离系统,提出了一种基于㶲分析的工艺参数优化策略。

1 天然气粗氦分离系统㶲分析模型

1.1 天然气粗氦分离装置描述

在天然气提氦过程中,粗氦分离装置的主要目的是分离氦气和烷烃,获得粗氦气,并副产甲烷。其工艺过程包括一级提浓系统、二级提浓系统和氮循环制冷系统。某天然气粗氦分离系统流程示意图见图1。从脱水工序来的提氦天然气首先经过冷箱预冷,然后依次进入一次提浓塔和二次提浓塔进行逐级提浓,并从二次提浓塔塔顶采出粗氦。分离获得的甲烷从一次提浓塔和二次提浓塔塔底采出,作为燃料气进入燃料气系统。其中,由于装置需要大量高品位冷量,引入氮气循环系统为冷箱(二次提浓塔部分)供冷。

图1 粗氦分离系统流程示意图

为了验证㶲分析和工艺参数优化结果的合理性,引入系统公用工程的用能成本作为指标来进行评估。本系统所使用的公用工程包括热公用工程、冷公用工程和电。采用的能耗换算及价格数据如下:

1)本系统中的热公用工程由导热油系统提供,导热油系统的燃料为流程获得的天然气,其成本计算公式如下:

costh=cfuelQhVm/ηqfuel

(1)

式中:costh为每小时的热公用成本,元/h;cfuel为燃料气的单价,按照0.95元/m3计算;Qh为过程的热公用工程负荷,kJ/h;Vm为25 ℃,1 atm条件下的气体摩尔体积,为24.055 L/mol;η为能量转化效率,设为90%;qfuel为天然气在25 ℃,1 atm条件下的热值,kJ/kmol。`

2)本系统中的冷公用工程均由空冷器提供,其成本计算公式如下:

(2)

式中:costc为每小时的冷公用成本,元/h;Pi为空冷器电机功率,kW,其功率根据运行负荷进行选择;cele为电力的单价,按照0.72元/kW·h计算。

3)本系统泵与压缩机驱动由电力供能,其成本计算公式如下:

coste=celePele/ηele

(3)

式中:coste为每小时的供电成本,元/h;ηele为轴效率,设为80%;cele为电力的单价,按照0.72元/kW·h计算;Pele为设备的用电负荷,kW。

1.2 粗氦分离系统㶲分析模型

㶲分析方法基于热力学第二定律,通过研究过程中能量转换与利用的效果,分析影响因素,揭示产生㶲损失的部位、分布与大小,找出薄弱环节,探讨提高能量转换与利用效果的途径[14-18]。㶲分析的主要分析方法为“三箱”分析方法,分别为黑箱分析模型、白箱分析模型和灰箱分析模型[7,19]。其中,白箱分析模型对设备各个能量传递和转换过程的㶲损进行计算,黑箱分析模型则只考虑进出体系的㶲值变化,灰箱分析模型介于两者之间,将体系内的子系统视为黑箱,计算各子系统之间㶲值转化[14]。本文采用灰箱分析模型对系统进行分析,采用黑箱分析模型对设备进行分析。

在粗氦分离系统中,根据其工艺过程与用能特点,把装置分为冷箱系统、尾气处理系统、一次提浓塔系统、二次提浓塔系统、氮气循环系统、膨胀阀系统和预混系统等7个子系统。其中涉及的主要用能设备类型包括冷箱、压缩机、精馏塔、冷凝器、膨胀阀、预混器、泵、闪蒸罐等。针对不同用能设备类型的㶲损计算方法如下所示:

冷箱与冷凝器:

Ex,loss=∑Ex,in-∑Ex,out

(4)

压缩机与泵:

Ex,loss=Ex,in-Ex,out+W=mT0(s2-s1)

(5)

膨胀阀:

Ex,loss=Ex,in-Ex,out=mT0(s2-s1)

(6)

精馏塔:

Ex,loss=∑Ex,in-Ex,top-Ex,bottom+Ex,reb

(7)

闪蒸罐:

Ex,loss=∑Ex,in-Ex,top-Ex,bottom

(8)

预混器:

(9)

Ex,in=m1(h1-h0+T0(s1-s0))

(10)

Ex,out=m2(h2-h0+T0(s2-s0))

(11)

式中:Ex,in、Ex,out分别为入口和出口流股的㶲值;h0、s0分别为流股在标准状态下(p0=101.325 kPa,T0=25 ℃)的焓值和熵值;m为流股的质量流率；m1、m2分别为入口和出口流股的质量流率;h1、h2分别为入口和出口流股的焓值;s1、s2分别为入口和出口流股的熵值;Ex,loss为设备的㶲损;W为压缩机或泵的做功;Ex,top、Ex,bottom分别代表塔顶和塔釜出口流股的㶲值;Ex,reb为塔釜再沸器的供给㶲。

2 天然气粗氦分离系统工艺参数优化

在天然气粗氦分离系统中,需要考虑的主要工艺参数包括:操作温度、操作压力、回流比、塔板数、进料塔板位置等。不同的工艺参数对系统能耗的影响程度不相同,为了降低模型优化复杂度,首先采用敏感度分析的方法系统考察各主要工艺参数对产品指标和能耗的影响规律,从中辨识出影响较大的关键工艺参数。然后,以关键工艺参数为优化决策变量,以系统㶲损最小化为优化目标,在满足生产产品质量指标要求的前提下,利用优化方法找出最优工艺参数和最小能耗,实现节能降耗。粗氦分离系统工艺参数优化框架见图2。

图2 粗氦分离系统工艺参数优化框架图

2.1 系统关键工艺参数辨识

在天然气粗氦分离系统中涉及的主要工艺参数的类别包括操作温度、操作压力、回流量、塔板数和进料塔板位置。其中,操作温度、操作压力和回流量等属于连续变量,塔板数和进料塔板位置为整数变量。在后续工艺参数的优化过程中,如果将连续变量和整数变量一起进行优化,模型为非线性混合整数优化(MINLP)问题,优化复杂度很大。为了降低问题的复杂度,本文首先对塔板数和进料塔板位置等整数变量进行敏感度分析和优化选择[20-21],然后对连续变量进行敏感度分析以辨识出关键工艺参数,最后运用优化方法对关键工艺参数进行优化。

本文引入影响因子来表征单个变量(工艺参数)对目标(能耗和㶲损)的敏感度,计算公式如下:

y=(Ex,max-Ex,min)/(xmax-xmin)

(12)

式中:y是以㶲损为目标时变量的敏感度;xmax和xmin分别是变量的上限和下限;Ex,max和Ex,min分别是在变量区间内系统㶲损的最大值和最小值。

2.2 系统工艺参数优化模型

本文针对天然气粗氦分离系统,以系统㶲损为优化目标,以关键工艺参数为优化变量,以产品质量为约束条件,对工艺参数进行优化,以获得最佳工艺参数和最少㶲损。优化模型如下:

(13)

式中:f(x)为优化目标,对应本项目中的系统能耗和㶲损;gj(x)、hk(x)分别对应约束中的非等式约束和等式约束;x代表优化变量,Xlb、Xub分别为优化变量的下限与上限。

本文所述工艺参数优化过程均基于HYSYS中的多变量稳态优化器Optimizer模块开展,采用序贯二次规划(SQP)算法。根据天然气粗氦分离系统的工艺特点,优化过程中主要考虑的约束条件如下:

1)产品物流的产品指标达到质量要求。相关产品指标要求见表1。其中天然气的产品质量要求参考GB 17820-2018对天然气一类气的技术指标要求[22]。

2)冷箱1和冷箱2的最小传热温差大于2 ℃,冷热物流的对数平均温差大于7 ℃。

表1 粗氦分离系统产品指标要求

物流主要产品组分要求粗氦产品粗氦氦气摩尔分数>65%各种烷烃摩尔分数<0.01%低压产品气天然气高位发热量>36 MJ/m3

3 结果与讨论

3.1 粗氦分离系统㶲分析结果分析

基于天然气粗氦分离系统HYSYS模拟结果,采用㶲分析的方法对系统的㶲损现状进行分析,过程中各主要子系统和用能设备的用能现状见表2。其中,能量损失系数和㶲损失系数为各耗能设备占总耗能/㶲损的比例系数。

表2 天然气粗氦分离系统主要子系统和用能设备用能现状

子系统/设备名称能耗/kW能量损失系数/(%)损/kW损失系数/(%)冷箱系统0.0000.001 095.81248.17 冷箱10.0000.00814.44135.80 冷箱20.0000.00281.37112.37尾气处理系统509.55937.28281.99712.40 膨胀机带同轴压缩机0.0000.00199.1818.76 甲烷压缩机组509.55937.2882.8163.64一次提浓塔系统0.6410.05436.62919.19膨胀阀系统0.0000.00282.57212.42二次提浓塔系统0.0420.0029.1201.27 二次提浓塔回流泵0.0420.000.0480.00 二次提浓塔0.0000.0024.6711.08 二次提浓塔回流罐0.0000.004.4010.19氮气循环系统856.59862.67138.6696.10预混系统0.0000.0010.0470.44合计1 366.840100.002 274.846100.00

从耗能角度分析,氮气循环系统为主要能耗设备,占系统总能耗的62.67%;甲烷压缩机和冷凝器为次主要能耗设备,分别占系统总能耗的21.38%和15.90%。从㶲损角度分析,两个冷箱虽然无能耗,但是其换热过程中的热量品质损失较大,其㶲损分别占系统总㶲损的35.80%和12.37%。一次提浓塔系统的㶲损亦较大,其㶲损占系统总㶲损的19.19%,为主要的用能优化设备。通过比较系统的能耗和㶲损现状可以看出,以能耗和㶲损角度分析获得的能量利用薄弱环节并不一致,如能耗较大的氮气循环系统、甲烷压缩机和冷凝器的㶲损较小。这说明三个设备能耗虽高,但流股的品质较低,回收价值较低。

3.2 精馏塔塔板数敏感度分析

对天然气粗氦分离系统的关键工艺参数进行辨识,首先对塔板数等整数变量进行敏感度分析和优化选择。天然气粗氦分离系统中共有一次提浓塔和二次提浓塔两个精馏塔。一次提浓塔塔板数变化对相关目标的影响关系见图3。其中,图3-a)和图3-b)是一次提浓塔塔板数变化分别对精馏塔系统和粗氦分离系统的㶲损和能耗的影响关系。图3-c)为一次提浓塔塔板数变化对总流程的用能成本和氦气产品中氦气摩尔含量的影响关系。从图3-a)可以看出,随着塔板数的增加,精馏塔系统的能耗增和㶲损均呈下降趋势。考虑对总流程用能情况的影响,从图3-b)可以看出,随着塔板数的增加,总系统的能耗和㶲损先下降后上升,在塔板数为20时取最小。结合整个流程分析,随着精馏塔塔板数的增加,回流比增加,提高产品的纯度,造成过程能耗的增加。

a)精馏塔系统㶲损和能耗

b)粗氦分离系统㶲损和能耗

c)粗氦分离系统用能成本及氦气摩尔含量

a)精馏塔系统㶲损和能耗

b)粗氦分离系统㶲损和能耗

c)粗氦分离系统用能成本及氦气摩尔含量

从图3-c)可以看出,随着一次提浓塔塔板数的增加,以过程的用能成本的增加和投资成本的上升为代价,粗氦产品的产品纯度也相应地增加。因此,如果想要获得更高的粗氦产品纯度,可以通过增加一次提浓塔塔板数来实现。本过程只是为了在保证完全脱除烷烃产品的同时获得粗氦产品,对产品纯度无过高要求。当塔板数小于20时,虽然也获得合适的粗氦产品纯度,但一次提浓塔塔顶冷凝器冷热物流存在温度交叉,且冷箱的最小传热温差过小,不符合实际设计需求。因此,在本次设计过程中,一次提浓塔塔板数仍选用20块。

二次提浓塔塔板数变化对相关目标的影响关系见图4。从图4-a)可以看出,随着二次提浓塔塔板数的增加,精馏塔系统的能耗和㶲损均逐渐减小,到塔板数大于12块后变化幅度逐渐平稳。从图4-b)可以看出,随着二次提浓塔塔板数的增加,粗氦分离过程的能耗在塔板数为10～12块时下降明显,当塔板数超过12块后,㶲损变化幅度较小,而粗氦分离过程的㶲损随着塔板数的增加逐渐增加，但变化幅度较小。从图4-c)可以看出,随着塔板数的增加,用能成本逐渐减小,且在塔板数增加到12块后几乎不变。而随着塔板数增加,氦气产品纯度有小幅度增加。综合以上用能分析,二次提浓塔塔板数对整个过程的用能状况影响较小,但是相比较而言,当塔板数为12块时,在保证氦气产品纯度基本不变时,粗氦分离过程的能耗、㶲损和用能成本最小。因此,二次提浓塔的塔板数选取为12块。

3.3 连续性关键工艺参数辨识

基于对精馏塔塔板数的敏感度分析结果,对连续性工艺参数进行分析,结果见表3。从表3可以看出,不同工艺参数对系统㶲损的影响差异很大。基于敏感度分析结果,并结合生产过程的实际需求,选取10个工艺参数作为关键工艺参数进行后续优化。

表3 连续性工艺参数敏感度分析结果

序号控制参数下限上限敏感度y1膨胀阀V-101出口压力/kPa2204209 306.92膨胀阀V-103出口压力/kPa2005002 408.13二次提浓塔塔顶压力/kPa3 1603 18044.54膨胀机带同轴压缩机膨胀端压力/kPa5007003 630.95膨胀阀V-102出口压力/kPa1 5001 700539.26一次提浓塔塔底出口至塔顶冷凝器流量/(kmol·h-1)1803605 131.17一次提浓塔冷凝器出口温度/℃-155-13553 482.68原料气经冷箱1预冷后至一次提浓塔进料温度/℃-112-10642 965.49原料气经冷箱1预冷后至一次提浓塔塔底重沸器温度/℃-60-4025 825.510二次提浓塔塔顶回流罐温度/℃-180-1752 515.9

3.4 工艺参数优化结果分析

针对天然气粗氦分离系统,以系统㶲损最小化为目标对辨识获得的关键工艺参数实施优化,优化前后过程中各耗能设备的㶲损变化情况见表4。其中节能量为优化前后设备㶲损的绝对值变化,节能比为节能量占优化前㶲损的比例。从表4可以看出,经工艺参数优化后,系统总㶲损降低11.01%,其中节能量比较大的子系统包括一次提浓塔系统(3.01%)、膨胀阀系统(2.61%)和冷箱系统(2.05%)。

表4 天然气粗氦分离系统优化前后各耗能子系统/设备㶲损变化情况

子系统/设备名称优化前/kW优化后/kW节能量/kW节能比/(%)冷箱系统1 095.8121 049.12746.6852.05 冷箱1814.441813.9980.4430.02 冷箱2281.371235.12946.2422.03尾气处理系统281.997249.47732.521.43 膨胀机带同轴压缩机199.181216.852-17.671-0.78 甲烷压缩机组82.81632.62550.1912.21一次提浓塔系统436.629368.25868.3713.01膨胀阀系统282.572223.11859.4542.61二次提浓塔系统29.12018.59710.5230.46 二次提浓塔回流泵0.0480.0230.0250.00 二次提浓塔24.67116.0868.5850.38 二次提浓塔回流罐4.4012.4881.9130.08氮气循环系统138.669109.51429.1551.28预混系统10.0476.1863.8610.17合计2 274.8462 024.277250.56911.01

基于工艺参数优化结果,对优化前后过程的用能成本变化情况进行分析,结果见表5。从表5可以看出,经过优化后,粗氦分离过程的用能成本降为593.25元/h,节能量为79.53元/h,节能比例为11.82%,主要节能类型为电能,说明㶲分析和工艺优化结果有显著的有效性。

表5 以用能成本最小为目标时粗氦分离过程优化前后各公用工程变化情况

用能类型优化前优化后节能量负荷/kW成本/(元·h-1)负荷/kW成本/(元·h-1)负荷/kW成本/(元·h-1)热公用工程0.550.06000.550.06冷公用工程630.8110.80514.6810.80116.130.00电735.47661.92647.89582.4587.5879.47合计1 366.83672.781 162.57593.25204.2679.53

4 结论

1)本文针对天然气粗氦分离系统,提出一种基于㶲分析的工艺参数优化策略。首先基于“三箱”模型的㶲分析方法对系统中的用能薄弱环节进行分析,明确了冷箱系统与一次提浓塔系统为主要节能方向;然后以系统㶲损最小为目标,以氦气产品指标要求与换热温差要求为约束,对过程中涉及的关键工艺参数进行优化。

2)为了降低优化过程的计算复杂度,本文提出基于敏感度分析的关键工艺参数辨识策略和整数变量与连续变量分步优化的策略,即先优化塔板数和进料塔板位置等整数变量,然后对连续变量进行敏感度分析以辨识出关键工艺参数,最后对关键的连续性工艺参数进行优化。通过㶲分析和工艺参数优化,系统的总㶲损降低11.01%,总用能成本减少79.53元/h,节能效果显著。