天然氣回收裝置換熱網絡優化設計

黃明忠 潘多濤 張學軍 袁德成

(沈陽化工大學信息工程學院1，遼寧 沈陽 110142;遼河油田油氣集輸公司2，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

流程工業一般分為反應轉換、分離提純、換熱網絡和公用設施等4大類單元操作，其中換熱網絡用于提高能源利用率。除了使用設備和工藝強化技術提高能效之外，應用控制強化技術實現系統節能、降低生產成本、合理利用資源也是近年來研究的熱點［1－2］。在工業應用領域，夾點分析法是獲得成功應用的過程系統工程技術。該方法包括最大能量回收目標的方法［4］、最小公用工程及投資費用目標的方法［5－6］、考慮面積與匹配數量的方法［7］和雙溫差法等［8－9］。這些方法在新工藝設計、翻新改造優化等多種場合使用［3］。

天然氣是用量僅次于煤和石油的礦物質燃料，同時天然氣的加工也是高耗能的產業。因此，面向全流程開展節能優化具有巨大潛力。本文應用夾點分析法，分析了某天然氣回收裝置換熱網絡的節能潛力，發現系統用能的“瓶頸”，并據此給出了該裝置換熱網絡的翻新設計方案。該方案對節能減排、降低生產成本有重要意義。

1 工藝流程簡介

天然氣回收裝置的工藝流程分為原料氣壓縮預冷工段、脫甲烷塔工段、脫乙烷塔工段、脫丙烷塔工段和脫丁烷塔工段5個部分。

①原料氣壓縮預冷工段

原料氣經壓縮機后壓力達到38.5 kg/cm2，然后進入換熱器E3、E2換熱，換熱后溫度下降到－45℃。其中，E3為使用氨液制冷劑的冷卻器;E2為多物流高效板翅式換熱器。原料氣通過E2與脫甲烷塔工段的多股物流進行換熱冷卻。

②脫甲烷塔工段

冷卻后的原料(氣液混合)進入脫甲烷塔，塔頂氣體經E5冷卻，部分冷凝并提供回流，排出的氣體進入E5換熱器冷卻甲烷塔頂氣體后，先后進入一級、二級膨脹機降低氣體溫度，然后分別進入E5、E2換熱器給甲烷塔進料氣、甲烷塔頂氣體、原料氣提供冷量。脫甲烷塔頂排出的氣體在膨脹、換熱后再經壓縮機，其氣體壓力為8 kg/cm2，略高于界區壓力，再經空氣冷卻器E7冷卻后達到50℃，排出界區。脫甲烷塔底部使用獨立的再沸器，并使用236℃的貧氨液熱劑，使塔底溫度保持在61℃，從而滿足甲烷在乙烷產品中的含量要求。為回收冷量、減小再沸器熱負荷，甲烷塔提餾段側線引出物流進入E2換熱器換熱，提高了溫度。其中，E5、E2為多物流高效板翅式換熱器，E7為空氣冷卻器。

③脫乙烷塔工段

脫甲烷塔底物流流入脫乙烷塔，氣相上行從塔頂流出進入氨冷卻器，部分冷凝提供回流，未被冷凝的乙烷產品氣體排出界區。脫乙烷塔底部使用獨立的再沸器，并使用236℃的貧氨液熱劑，使塔底溫度保持110℃，以滿足丙烷產品中對乙烷含量的要求。

④脫丙烷塔工段

脫乙烷塔底物流流入脫丙烷塔，氣相上行從塔頂流出進入空氣冷卻器。全部冷凝液經接收器后一部分回流，另一部分作為丙烷產品經水冷器冷卻至38℃后進入儲罐。脫丙烷塔底部使用獨立的再沸器，并使用236℃的貧氨液熱劑，使塔底溫度保持136℃，以滿足丁烷產品中對丙烷含量的要求。

⑤脫丁烷塔工段

脫丙烷塔底物流和預處理殘油混合流入脫丁烷塔，氣相上行從塔頂流出進入空氣冷卻器，全部冷凝液經接收器后一部分回流，另一部分作為丁烷產品經水冷器冷卻至38℃后進入儲罐。脫丁烷塔底部使用獨立的再沸器，并使用236℃的貧氨液熱劑，使塔底溫度保持130℃，以滿足輕油產品中丁烷的含量要求。塔底輕油產品經空氣冷卻器冷卻至50℃，進入儲罐。

天然氣回收裝置工藝流程圖如圖1所示。

圖1 天然氣回收裝置工藝流程圖Fig.1 Technological process of the natural gas recovery plant

2 換熱網絡用能分析

2.1 提取數據

為進行網絡用能的夾點分析，需要在了解工藝過程的基礎上，按照系統物料平衡和能量平衡的原則，提取參與夾點分析的過程物料流，并提供這些物料流的初始溫度、目標溫度、熱容流率等數據。根據夾點分析的要求，從天然氣回收裝置過程流程中提取了10股熱物流和10股冷物流，這些物流的基礎數據如表1所示。

其中，大部分物流在初始溫度和目標溫度范圍內的熱容流率變化微小，因此根據初始溫度和目標溫度的熱焓，直接線性化處理計算出該溫度范圍內的熱容流率即可。另有幾股物流由于在初始溫度和目標溫度范圍內存在相變或熱容流率變化較大的現象，在初始溫度和目標溫度范圍內進行了分段線性化處理，每一段分別計算出該段溫度范圍內的熱容流率，如表1中的“丙塔頂料”。表1中，物料流的熱焓值均為相對于該物料流初始溫度時的熱焓值，熱焓用兆瓦(MW)表示，熱容流率以兆瓦/攝氏度(MW/℃)表示。

表1 物流數據Tab.1 Logistics data

2.2 原換熱網絡

換熱網絡網格圖可以清晰、方便地表示和設計過程工業的換熱網絡。現過程(天然氣回收裝置)換熱網絡網格圖如圖2所示。

圖2中，每一條水平線代表一股物料流，箭頭指向右端的是熱流，指向左端的是冷流;水平線左邊是物料流編號(其基礎數據見表1);圖示左端是高溫區，右端是低溫區，箭頭起始端的溫度是物料流的供應溫度，箭頭終端的溫度是物料流的目標溫度;H為再沸器，C1為液氨冷卻器，C2為水冷卻器，C3為空氣冷卻器;多個用同一編號標注并使用虛框和連線連接起來的小圓圈表示一個換熱器，如E2、E5;圓圈旁邊的數字表示物料流交換的熱量。

由圖2可知，現有換熱網絡使用了2個換熱器、4個再沸器和8個冷卻器。其中，E2、E5均為高效多物料流板翅式換熱器，它們分別對多股冷熱物料流進行高效換熱;8個冷卻器包含2個液氨冷卻器(C1)、4個空氣冷卻器(C3)和2個水冷卻器(C2)。

經過對現有換熱網絡網格圖的分析可知，冷卻公用工程消耗能量9.454 MW，加熱公用工程消耗能量6.8736 MW。當前換熱網絡中冷熱物料流最小傳熱溫差為5 K(即當前換熱網絡中換熱器E2的冷熱物料流)，即 ΔTmin=5 K。

圖2 現有換熱網絡網格圖Fig.2 Grid chart of existing heat exchanger network

2.3 夾點分析及能量目標

取現有換熱網絡最小傳熱溫差5 K，即ΔTmin=5 K，得到現有換熱網絡冷熱物料流組合曲線如圖3所示。

圖3 溫焓組合曲線圖Fig.3 Temperature enthalpy combination curves

由圖3可得夾點溫度為102.5℃(熱物料流溫度為105℃、冷物料流溫度為100℃)。從而分析得到:加熱公用工程需求4.0176 MW，冷卻公用工程需求6.598 MW。與現有換熱網絡設計的冷卻和加熱公用工程消耗(9.454 MW、6.8736 MW)相比較，最大熱量回收設計方案可使加熱公用工程節省41.5%，冷卻公用工程節省30.2%。

夾點分析的三個黃金法則具體如下:①不要有跨越夾點的傳熱;②不要在夾點以上設置任何冷卻公用工程;③不要在夾點以下設置任何加熱公用工程［10］。圖2所示現有換熱網絡網格圖中，夾點溫度標志虛線給出了夾點溫度在各物料流中的位置。根據夾點分析的三個黃金法則，可知現有換熱網絡在夾點以下有加熱公用工程(見物料流S2)，夾點以上有冷卻公用工程(見物料流S21、物料流S11)，導致消耗了額外的加熱和冷卻公用工程。由此看出，在輕油產品和干氣產品的余熱沒有充分利用時，額外使用了加熱和冷卻公用工程，從而增加了費用。

3 換熱網絡翻新設計

在分析現有換熱網絡及夾點分析的基礎上，為進一步回收熱量以達到節省冷卻和加熱公用工程的目的，需要改進現換熱網絡中違反夾點分析三原則的換熱設計。

在盡可能保留現有網絡設計的前提下，分別在夾點以上、夾點以下針對物料流S2、物料流S21、物料流S11進行設計，得到最大能量回收(maximum energy recovery，MER)設計方案。該方案改動設計部分如圖4所示。

由圖4可知，在S21物料流、S11物料流夾點以上分別增加換熱器1、換熱器2與冷物料流S12換熱;在S2物料流夾點以下增加換熱器3、換熱器4，分別與熱物料流S11、熱物料流S16換熱。

圖4 最大能量回收方案網格圖Fig.4 Grid chart of MER network

最大能量回收(MER)設計方案使用加熱公用工程4.0176 MW，節省41.5%的電能;使用冷卻公用工程6.598 MW，節省30.2%的電能，其中液氨冷卻公用工程、水冷卻公用工程用量不變，空氣冷卻公用工程節省了2.856 MW。最大能量回收設計減少了1個再沸器，需要增加4個換熱器。

在最大能量回收設計方案中，物料流S12、物料流S21與物料流S11的換熱量比較小，但卻需要增加2個換熱器(換熱器1、換熱器2);另外物料流S12還需要分流，且換熱器冷端溫差較小。這些因素使得此處的翻新設計效果較差。因此，在進一步設計時去除了換熱器1、換熱器2，并適當改變了換熱器3、換熱器4的換熱負荷。改進后換熱網絡網格圖改動設計部分如圖5所示。

圖5 改進方案網格圖Fig.5 Grid chart of the improved network

改進后的方案使用干氣產品和丙塔頂料的熱量與甲塔底再沸料換熱，節省了制冷和加熱公用工程。與最大能量回收方案相比，改進的設計方案減少了2個換熱器，避免了物料的分流改造，且克服了最大能量回收方案中換熱器冷端溫差較小的弱點，大大提高了翻新設計的效果。改進的換熱網絡設計方案使用加熱公用工程4.2806 MW，節省了37.7%的電能;使用冷卻公用工程6.861 MW，節省了27.4%的電能，其中液氨冷卻公用工程、水冷卻公用工程用量不變，空氣冷卻公用工程節省了2.593 MW。現有換熱網絡加熱公用工程熱劑貧氨液的熱量來自燃機的廢熱回收，節省加熱公用工程可以節省貧氨液循環泵的耗能(電能);減少空氣冷卻公用工程可以減小空氣冷卻器的耗電量。改進的設計方案減少了1個再沸器，增加了2個換熱器，使該設計改動原換熱網絡較小，投資費用較少。

4 結束語

本文使用夾點分析法用于天然氣回收裝置換熱網絡的翻新設計，發現并利用了系統的節能空間，并據此對天然氣回收裝置換熱網絡進行優化設計，形成了一個翻新換熱網絡設計。該翻新換熱網絡設計改動原換熱網絡較小，投資費用較少，使用加熱公用工程減少了2.593 MW，冷卻公用工程中空氣冷卻公用工程減少了2.593 MW，從而節省了貧氨液循環泵的耗能(電能)和空氣冷卻器的耗能(電能)。天然氣回收裝置翻新換熱網絡后每年可節省電能37.6萬kWh，提高了過程能量回收能力，達到了降低過程能耗的目的。

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