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基于灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型的脫碳裝置效果分析①

楊 燁1,2肖傳桃2劉 彬2

1.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部2.長江大學地球科學學院

摘要脫碳系統(tǒng)相對簡單，適用于小樣本預測。為了研究影響脫碳裝置穩(wěn)定性的因素，驗證當前工況下的生產(chǎn)調(diào)節(jié)方法及參數(shù)是否滿足生產(chǎn)要求，使脫碳效果達到最佳。結(jié)合LNG工廠開工升量、穩(wěn)產(chǎn)、降產(chǎn)停工3個階段脫碳裝置的運行參數(shù)，選用灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型進行建模運算。模擬結(jié)果直觀反應(yīng)出脫碳系統(tǒng)的運行規(guī)律，找到了影響脫碳效果的主觀因素。研究表明，吸收塔塔底、塔頂溫度是影響脫碳反應(yīng)的主觀因素。裝置的生產(chǎn)運行調(diào)節(jié)參數(shù)需定期進行校驗調(diào)整，才能使脫碳效果達到最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞脫碳裝置灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型工藝特點建模

脫碳是LNG工廠原料氣處理的首要工序，脫碳效果的好壞直接關(guān)系到下一處理環(huán)節(jié)的生產(chǎn)，甚至會影響最終產(chǎn)品質(zhì)量[3-4]。脫碳裝置工藝相對簡單，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已相當成熟，符合灰色系統(tǒng)模型不考慮系統(tǒng)內(nèi)在機理的要求，適用于小樣本預測。脫碳裝置主要由吸收塔、再生塔、閃蒸罐、重沸器、換熱器等設(shè)備組成。任何參數(shù)的波動和環(huán)境的干擾都能直接或間接影響脫碳效果。因此，本研究將脫碳裝置視為灰色系統(tǒng)，并運用GM(1，N)模型進行分析。主要針對開、停工時的工藝參數(shù)波動大、統(tǒng)計信息不完全、運行規(guī)律不清楚、量綱結(jié)構(gòu)不明確等情況進行建模研究，找出相應(yīng)的預防及應(yīng)急操作方法[5]。

1GM(1,N)模型原理

GM(1,N)模型的實質(zhì)是建立微分方程的系數(shù)。無論本征是否為灰色系統(tǒng)，在客觀上都存在能量吸收、儲存、釋放等過程[6]，故原始數(shù)據(jù)序列不可避免地具有隨機性和無規(guī)律特征。運用灰色系統(tǒng)理論，用離散的隨機數(shù)經(jīng)過生成變?yōu)殡S機性被顯著削減的較有規(guī)律的生成數(shù)列，便可從系統(tǒng)內(nèi)部入手挖掘出更多內(nèi)部擴展信息，對變化過程做較長時間的連續(xù)性描述，建立相應(yīng)的微分方程，更加直觀地反映系統(tǒng)本質(zhì)[7]。

設(shè)有N個數(shù)列

(1)

將此微分方程模型記為GM(1,N)。

(2)

按照最小二乘法，得到式(3)：

(3)

其中，利用兩點滑動平均的思想，最終可得矩陣

B=

N=diag(α1,α2,…,αN)

(4)

(5)

2脫碳系統(tǒng)特點

脫碳系統(tǒng)包括吸收塔和再生塔，見圖1。設(shè)計處理能力為500×104m3/d(20 ℃、101.325 kPa)的原料天然氣，裝置操作彈性50%~110%，對含CO2的原料氣進行凈化處理，使其達到液化單元對天然氣中CO2的質(zhì)量分數(shù)要求(≤50×10-6)。

2.1　工藝方法

脫碳工藝采用活化MDEA工藝，溶劑采用國產(chǎn)活化MDEA配方溶劑，工藝流程選用高壓吸收+低壓再生(閃蒸+汽提)的工藝方案[10]。本裝置采用44%(w)的活化MDEA水溶液吸收脫除天然氣中絕大部分CO2，溶液循環(huán)量約88 m3/h(天然氣中CO2體積分數(shù)為2.0%時循環(huán)量約288 m3/h)，脫除了酸性氣體的濕凈化氣送至下游裝置進一步處理。吸收了酸性氣體的MDEA富胺液經(jīng)閃蒸、再生后送至吸收塔循環(huán)使用；富胺液再生所得酸氣接至火炬酸氣放空系統(tǒng)；閃蒸氣送至燃料氣系統(tǒng)作燃料氣用。

2.2　裝置參數(shù)

原料氣在約25 ℃、表壓6.9 MPa的條件下進入裝置，經(jīng)原料氣過濾器分離雜質(zhì)，在進入原料氣/濕凈化氣換熱器與濕凈化氣進行換熱，溫度升至45 ℃與來自脫水、脫汞裝置的再生氣混合后，進入吸收塔下部，與自上而下的活化MDEA貧液逆流接觸，脫除其中的CO2。從吸收塔塔頂出來的濕凈化天然氣與原料氣換熱至40 ℃后，進入濕凈化氣分離器進行分液，在約6.65 MPa、40 ℃的條件下送至液化裝置，預冷至20 ℃后進入脫水脫汞裝置進行處理。

3實例分析

脫碳裝置工藝流程相對簡單，主要依靠閃蒸+氣提2種工藝協(xié)同工作。在裝置建成后，影響脫碳效果的主要因素有：系統(tǒng)穩(wěn)定性、MDEA溶液配比、溶液發(fā)泡、原料氣中CO2體積分數(shù)等[11]。但如何選擇操作方法、合理運用各項參數(shù)的操作區(qū)間進行系統(tǒng)調(diào)控、在突發(fā)情況下進行影響因素預判、及時依次進行主次參數(shù)調(diào)整以及優(yōu)化脫碳效果，是當前需要討論的問題。因此，本研究將脫碳裝置視為一個典型的灰色系統(tǒng)進行建模分析。脫碳效果主要由在線分析儀測得的CO2濃度直觀顯示(設(shè)為母因子X0)。在本次討論的系統(tǒng)中，由于裝置剛剛投運，氣源為管道氣，原料氣中CO2含量穩(wěn)定，故忽略MDEA溶液配比、發(fā)泡與原料氣中CO2體積分數(shù)等問題，以簡化模型[12]。單純分析脫碳系統(tǒng)本身，找出影響脫碳效果的主要因子以指導具體生產(chǎn)操作。母因子X0、子因子X1~X8見表1。

表1 各因子觀測值Table1 Observationvaluesoffactors序列數(shù)據(jù)項1234567X0CO2體積分數(shù)/10-67.978.038.107.998.028.068.05X1進氣量/(m3·h-1)79858958461181062118011355749833173689X2進氣壓力/MPa6.486.566.196.315.816.006.08X3進氣溫度/℃48.345.746.939.84546.247.3X4貧液循環(huán)量/(m3·h-1)134.4135.2134.2131.7129.5129.8129.7X5貧液入塔溫度/℃53.851.854.046.751.751.852.3X6吸收塔液位/%55.048.146.064.858.157.155.2X7塔頂溫度/℃53.351.553.747.151.551.752.0X8塔底溫度/℃52.95154.248.453.352.952.9

在此，選取工廠從開車到停工整個過程中脫碳裝置運行的7組典型數(shù)據(jù)。在忽略環(huán)境干擾、人為操作因素等問題后，全面反映不同進氣量(設(shè)計量區(qū)間內(nèi))條件下裝置的運行效果[13]。建立GM(1,7)模型的計算過程如下：

(6)

(2) 矩陣B的構(gòu)造：

(7)

(3) 矩陣Y的構(gòu)造：

=[8.038.107.998.028.068.05]T

(4) 系統(tǒng)發(fā)展系數(shù)a和驅(qū)動項b的生成：

(8)

(5) 將上述求得參數(shù)帶入微分方程中：

(9)

4計算結(jié)果

誤差檢驗計算結(jié)果見表2。

表2 誤差檢驗Table2 Errortest序列X0原始數(shù)據(jù)X0模擬值殘差相對誤差17.977.9700.000028.037.45680.57320.071938.109.3215-1.22150.152147.998.4842-0.49420.061058.028.3788-0.35880.044968.068.3638-0.30380.037978.058.3480-0.29800.0370

由表2可知，模擬值平均相對誤差為6.74%，殘差平方和2.374 7，預測精度較高。通過微分方程式分析可以得出以下結(jié)論，見表3。

表3 結(jié)論分析Table3 Conclusionanalysis模擬結(jié)果原因分析應(yīng)急處理備注吸收塔內(nèi)部環(huán)境溫度(塔底、塔頂穩(wěn)定)是影響脫碳反應(yīng)的主要因素任何化學反應(yīng)在一定溫度下會促進反應(yīng),但超過臨界溫度則會阻礙反應(yīng)注意貧液空冷器調(diào)節(jié),控制吸收塔內(nèi)部環(huán)境溫度在其他工況不變的情況下,吸收塔內(nèi)部環(huán)境溫度區(qū)域穩(wěn)定,敏感度不高原料氣進氣壓力對系統(tǒng)沖擊巨大CO2吸收反應(yīng)在貧液循環(huán)量(及藥劑用量)一定情況下,出現(xiàn)原料氣進氣壓力波動會影響反應(yīng)本身注意與上游分輸站溝通,切勿大動作操作進氣限壓閥發(fā)生過因人為操作失誤而引起的脫碳系統(tǒng)故障,甚至下游系統(tǒng)異常貧液入塔溫度、循環(huán)量對系統(tǒng)產(chǎn)生正向影響CO2吸收反應(yīng)需要一定的溫度與藥劑用量,此項表現(xiàn)出促進脫碳效果,證明還未達到反應(yīng)臨界點注意因貧液循環(huán)量變化而引起的吸收塔液泛現(xiàn)貧液循環(huán)量控制在130t/h、入塔溫度52℃左右,運行良好進氣量、進氣溫度對系統(tǒng)影響小生產(chǎn)運行處理量均在設(shè)計處理量(50%~110%)之內(nèi),所以此項影響程度微弱注意極端工況或極端天氣影響發(fā)生過上游來氣中斷或管網(wǎng)壓力突然下降的情況吸收塔液位對脫碳效果有一定逆向影響,但影響較小吸收塔液位的波動會間接影響塔壓和反應(yīng)溫度嚴防高壓竄低壓發(fā)生過因閃蒸罐液位空而引起的竄壓

5現(xiàn)場實驗

根據(jù)模擬試驗結(jié)果，微調(diào)了生產(chǎn)參數(shù)。嚴格限定了進氣壓力，維持相對穩(wěn)定的貧液循環(huán)量，適當提升了反應(yīng)溫度?，F(xiàn)記錄調(diào)整后1年中各季度的平均CO2含量及工況，見表4。

表4 季度平均CO2含量及工況Table4 QuarteraverageCO2contentandconditions項目一季度二季度三季度四季度CO2體積分數(shù)/10-65.814.524.665.01進氣量/(m3·h-1)212511210701208999211902進氣溫度/℃41.544.144.545.0貧液循環(huán)量/(m3·h-1)130.2134.2133.7133.4吸收塔液位/%46.850.951.249.3塔頂溫度/℃53.155.254.954.7塔底溫度/℃54.256.856.156.9

由表4可以看出，進氣量與吸收塔液位對CO2體積分數(shù)影響不大。外部環(huán)境溫度對進氣溫度有輕微影響，但對CO2體積分數(shù)沒有產(chǎn)生顯著影響。塔內(nèi)反應(yīng)溫度經(jīng)提升后脫碳效果變好。綜上所述并再次進行有限元分析，得出的工藝參數(shù)操作區(qū)間見表5。

表5 工藝卡片Table5 Processcard項目數(shù)值原料氣處理量/(104m3·d-1)550φ(CO2)/10-6≤50壓力再生塔壓力/MPa0.15~0.20吸收塔壓力/MPa6.5~7.5閃蒸罐壓力/MPa0.70~0.85液位吸收塔液位/%25~75再生塔液位/%15~90閃蒸塔液位/%25~75再生塔回流罐液位/%30~70溫度重沸器出口溫度/℃120~130酸氣空冷器出口溫度/℃≤55其他胺液循環(huán)量/(m3·h-1)80~300

6結(jié) 論

脫碳裝置相對簡單，但也是一個典型的灰色系統(tǒng)，單憑工藝設(shè)計參數(shù)和現(xiàn)場操作摸索難以全面掌握生產(chǎn)特點，在不同工況和不同累計運行時間下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不同。因此，整個裝置的生產(chǎn)運行調(diào)節(jié)參數(shù)應(yīng)是動態(tài)的，需定期進行校驗調(diào)整[14]。通過灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型的運算，求解得出模擬值平均相對誤差為6.74%，驗證了模型的可行性。

通過效果分析得出，脫碳系統(tǒng)敏感，易產(chǎn)生波動，脫碳效果的好壞主要與反應(yīng)溫度有關(guān)。因此，生產(chǎn)操作人員在宏觀方面應(yīng)“小動作、少次數(shù)”地進行調(diào)整，在保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的同時，使脫碳效果達到最佳狀態(tài)。但任何化學反應(yīng)都會有臨界溫度，若反應(yīng)超過臨界溫度則會阻礙反應(yīng)進行，故在操作時應(yīng)特別注意。根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗，現(xiàn)總結(jié)操作要點如下：

(1) 優(yōu)化穩(wěn)定與系統(tǒng)相關(guān)的自動調(diào)節(jié)控制，確保脫碳系統(tǒng)各液位、流量、壓力、溫度等參數(shù)穩(wěn)定。

(2) 在脫碳不合格或系統(tǒng)異常時及時反應(yīng)，依據(jù)灰色系統(tǒng)模型分析，找出影響要素的主次關(guān)系并進行相應(yīng)調(diào)整。

(3) 貧液循環(huán)量、兩塔液位等關(guān)鍵控制點進行手自一體化操作。特別是貧液循環(huán)量，應(yīng)根據(jù)工況變化設(shè)為自動調(diào)節(jié)，并加強關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)控。

(4) 注意塔壓變化，依據(jù)消泡實驗數(shù)據(jù)，嚴格按照加藥要求“少量多次”地加入消泡劑。若出現(xiàn)緊急情況，可采用降壓、降負荷的方法防止發(fā)泡。

(5) 注意溶液過濾器壓差，定期清洗、更換濾芯，防止過濾器失效。保持系統(tǒng)和溶液的清潔，避免機械雜質(zhì)及油污帶入系統(tǒng)。

參 考 文 獻

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Effect analysis of decarburization device based on the grey system GM (1, N) model

Yang Ye1,2, Xiao Chuantao2, Liu Bin2

(1.HubeiXinjieLNGProjectDepartment,JianghanOilProductionFactory,SinopecJianghanOilfieldBranch

Company,Huanggang438011,China; 2.SchoolofGeosciences,YangtzeUniversity，Wuhan430100,China)

Abstract:The decarburization system is relatively simple, which is suitable for small sample prediction. In order to study the factors affecting the stability of decarburization device, verify whether the adjusting method and parameters of production in the current working conditions meeting the production requirement, and make the decarburization effect to be the best. Combined with the operating parameters of decarburization device in LNG plant during three phases of start up-production, stable yield and fall-production of shutdown, the grey system GM (1, N) model was selected to simulate the device. Simulation results directly reflected the operation rule of decarbonization system. The subjective factors of influencing decarburization effect were found. Results showed that the inner environment temperature (bottom and top) of absorber was the subjective factor influencing the decarburization reaction. The production running adjusting parameters of the device need to be checked and adjusted regularly to ensure the best decarburization effect.

Key words:decarburization device, grey system, GM (1, N) model, process characteristics, modeling灰色系統(tǒng)理論是將雜亂無章的原始數(shù)據(jù)整理成規(guī)律性較強的生成數(shù)列后再作研究。具體而言，就是將離散的隨機數(shù)經(jīng)過生成變?yōu)殡S機性被顯著消弱的較有規(guī)律的生成數(shù)，從而對變化過程進行較長時間的描述，進而建立微分方程形式的模型?；疑到y(tǒng)GM(1,N)模型背景值采用梯形法求積，其模擬精度和預測精度適中，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，當應(yīng)用于交通噪聲預測時，模型預測值平均誤差1.108%，驗證了該優(yōu)化方法的實用性和有效性[1]。在高爐爐塵量預測中，相對誤差小于3%的幾率達到83.6%，為生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)支持[2]。

收稿日期：2015-08-27；編輯：溫冬云

中圖分類號：TE644

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.006

通信作者：肖傳桃(1965-)，男，教授，1989年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學，獲碩士學位，2011年獲中國地質(zhì)大學博士學位。E-mail：ctxiao@yangtzeu.edu.cn

作者簡介：①楊燁(1989-)，男，湖北天門人，長江大學地球科學學院在讀碩士研究生，現(xiàn)就職于中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部，主要從事LNG工廠工藝控制工作。E-mail:fengjiming@yeah.net