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

(塔里木油田1.油氣運銷部;2.產能建設事業(yè)部, 庫爾勒 841000)

引 言

為降低天然氣凝液回收裝置能耗、提高回收率及經濟效益,需針對天然氣凝液回收工藝進行優(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)分析方法來評價流程,可以計算設備的損、效率,提出流程的改進方向,而在常規(guī)分析方法基礎上發(fā)展起來的高級分析方法能夠明確損產生的原因并量化設備改進潛力。因此,分析方法不僅可以實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化,也可以對流程本身進行改進,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作為優(yōu)化目標,采用可變種群規(guī)模的遺傳算法(VPGA)進行優(yōu)化,優(yōu)化后利潤增長了2.2%?？梢姴捎眠z傳算法能夠優(yōu)化乙烷回收工藝參數(shù),但當乙烷回收工藝較為復雜、單體設備較多時內嵌算法的Aspen HYSYS 存在難以收斂的問題。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,采用單因素法確定了影響能耗和回收率的4 個關鍵工藝,依照模擬數(shù)據(jù)及實驗方案建立相應的響應面模型,經過最終優(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。響應曲面優(yōu)化法雖然可以量化工藝參數(shù)間交互作用對目標值的影響程度,但存在試驗方案選擇難度大、計算量大、僅停留在參數(shù)優(yōu)化但未考慮設備本身改進潛力的問題。

Yoon 等[3]運用Unisim 軟件對氣相過冷工藝(GSP)、RSV、冷渣氣回收(CRR)乙烷回收工藝進行模擬,并采用常規(guī)分析方法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn):①在貧氣條件下,GSP 工藝通過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 工藝通過提高低溫分離器溫度使得總損均降低了12%,結果顯示出分析在乙烷回收優(yōu)化設計中的巨大優(yōu)勢。楊雨林等[4]針對油田伴生氣乙烷回收提出兩種帶不同制冷循環(huán)的高效流程并進行能耗分析與分析,結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冷冷箱、制冷系統(tǒng)二級壓縮機、外輸氣壓縮機3 種設備的總損占各自工藝總損量的比例超過76%。可見采用常規(guī)分析法優(yōu)化乙烷回收工藝,能夠從設備本身角度優(yōu)化工藝參數(shù),但無法量化設備改進潛力。

馬國光等[5]采用高級方法對大連液化天然氣(LNG)接收站進行研究,得出各設備的4 類損分布情況及產生原因并提出優(yōu)化方案,結果顯示所有壓縮機以及部分換熱器的可避免的內源性損占比最大,優(yōu)化后裝置能耗降低了6.6%,能量利用率提高了28.891%,高級分析法在天然氣液化工藝參數(shù)優(yōu)化上得到成功應用。鑒于高級分析法在乙烷回收工藝中應用較少的現(xiàn)狀,本文采用高級分析法對RSV 工藝進行優(yōu)化,通過量化乙烷回收工藝中各關鍵設備間損的影響程度及自身的改進潛力,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 工藝以氣相過冷工藝為基礎,將部分外輸干氣(物流④,見圖1,下同)取代低溫分離器氣相作為塔頂回流,再經過冷冷箱降溫后節(jié)流閃蒸進入塔頂部,部分低溫分離器氣相(物流⑤)經過冷冷箱降溫后節(jié)流閃蒸進入塔上部。RSV 工藝的Aspen HYSYS 模型見圖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:①外輸干氣中甲烷含量高,將其作為塔頂回流提升了對塔上部氣相的精餾作用;②對原料氣氣質及處理量適應性強,僅通過調節(jié)外輸氣回流比就可維持較高的乙烷回收率,但會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換為氣相過冷工藝。

2 能耗及常規(guī)分析

本文參照常用的氣質貧富劃分標準,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 值是指每千標準立方英尺氣體(15.5 ℃,101.325 kPa)中可回收的液烴體積(以加侖計),可用來衡量天然氣氣質的貧富。本文選取的典型富氣氣質組分見表1。使用Aspen HYSYS 軟件對乙烷回收工藝進行模擬分析,流程采用丙烷制冷與膨脹機聯(lián)合制冷工藝,氣液平衡模型選用Peng-Robinson方程,模擬過程中基礎參數(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,膨脹機等熵效率及壓縮機絕熱效率分別取85%、75%;采用兩級丙烷制冷對原料氣和脫乙烷塔頂氣供冷,其中原料氣預冷所需的溫位為-37.28 ℃及-14.12 ℃兩個低溫位,所對應的蒸發(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

控制指標如下:冷箱夾點大于等于3.5,乙烷產品中甲烷組分質量分數(shù)小于1%。RSV 工藝總壓縮功耗見表2。

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

表2 RSV 乙烷回收工藝模擬結果Table 2 Simulation results of the RSV ethane recovery process

表3 各設備損及效率計算公式Table 3 Calculation formulae for exergy loss and efficiency of each equipment item

表3 各設備損及效率計算公式Table 3 Calculation formulae for exergy loss and efficiency of each equipment item

Ix—設備x 的損,kW;ηx—設備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—空冷器電機功率,kW;Wx—功率,kW;Q—重沸器熱功率,kW;h—質量焓,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i、o 表示輸入或輸出;下標top、bott、feed 表示塔頂、塔底或進塔;下標enter side stream、output side stream 表示進塔或出塔側線抽出。

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 IK =Exi -Exo = ∑(m··e)i -Wo - ∑(m··e)o ηK = Wo∑(m··e)i -∑(m··e)o壓縮機 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 工藝各設備損及效率計算結果Table 4 Calculation results of exergy loss and efficiency of each equipment item in the RSV process

設備images/BZ_55_516_2252_548_2285.png損/kW images/BZ_55_721_2252_753_2285.png效率/%設備images/BZ_55_1184_2252_1216_2285.png損/kW images/BZ_55_1389_2252_1421_2285.png效率/%設備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10 524.9 19.8 K-402 750.1 78.0 E-201 60.5 93.1

3.1 內外源損模型

圖2 RSV 工藝關鍵設備的損占比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

即使應用最新技術,由于原材料、鍛造工藝、技術及經濟成本等原因所造成的仍不能減少的設備損稱為不可避免損(),剩余部分稱為可避免損()[13-14],具體關系見式(4)。其中當研究對象在不可避免狀態(tài)條件下運行時,其損最小且效率最大,在此工況條件下得出研究對象損(ED,k)與產品(EP,k)的比值(ED,k/EP,k)UN。在計算設備過程中,設備的不可逆假設狀態(tài)見表5。RSV 工藝各設備內源損求解圖及各類損占比分別見圖3(a)、(b)。

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

由圖3 可看出:

圖3 RSV 流程關鍵設備內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 基于高級分析的流程改進

4.1 改進工藝的提出

基于改變氣源與多級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 改進工藝具有以下特點:①采用兩級分離的方法,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)進入脫甲烷塔上部,乙烷回收率顯著增加。

4.2 改進工藝的能耗及分析

運用HYSYS 軟件對RWLF 工藝進行模擬,得出在相同氣質工況條件下改進流程的能耗、常規(guī)及高級分析結果,具體如表6、7 和圖5、6 所示。

對表6 ～7、圖5 ～6 進行分析可得出:

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果Table 6 Simulation results of the RWLF ethane recovery process

表7 RWLF 工藝各設備的損及效率計算結果Table 7 RWLF process exergy loss and exergy efficiency calculation results

表7 RWLF 工藝各設備的損及效率計算結果Table 7 RWLF process exergy loss and exergy efficiency calculation results

設備images/BZ_59_541_562_573_594.png損/kW images/BZ_59_730_562_762_594.png效率/%設備images/BZ_59_1209_562_1241_594.png損/kW images/BZ_59_1398_562_1430_594.png效率/%設備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9 541.2 24.4 K-402 755.3 78.2 VLV-402 32.5 73.8

圖5 RWLF 關鍵設備的損占比Fig.5 Exergy loss ratio of key equipment in RWLF process

圖6 RWLF 流程關鍵設備內源求解圖和關鍵設備的各類損占比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 結論