天然氣處理廠氣體分餾單元工藝優(yōu)化設計的動態(tài)特性研究

藺權權，樊明理，彭立

(中國石油工程建設有限公司，北京 100120)

近年來，越來越多技術人員致力于研究復雜的化工生產分離系統(tǒng)工藝設計與過程控制之間的關系，從系統(tǒng)工程的角度發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律并提出新的優(yōu)化策略和方法論，用來進一步指導實際生產的經濟平穩(wěn)運行[1-3]。工藝設計優(yōu)化可以不同程度地提高蒸餾分離生產過程的熱力學效率，降低總投資，同時也改變了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的相互作用[4]。對于不同物質的分離過程，穩(wěn)態(tài)設計優(yōu)化可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，也可以使系統(tǒng)的動態(tài)特性惡化[5-7]。

以俄羅斯某在建天然氣處理廠工藝參數為基礎，通過綜合尋找脫丙烷塔、脫丁烷塔的最優(yōu)進料位置和增加預熱換熱器對進料預熱三項優(yōu)化措施，可以改變氣體分餾單元內部各物質之間的相互作用，強化蒸餾過程的物質耦合和能量耦合，提高系統(tǒng)的熱力學效率，降低設備成本、能耗成本和總年度成本[8]。盡管優(yōu)化設計改善了氣體分餾單元的穩(wěn)態(tài)經濟特性，仍需要通過關鍵工藝參數的動態(tài)響應來評價系統(tǒng)動態(tài)可控性，以保證生產裝置的經濟可靠運行。

1 工藝概述

氣體分餾單元是天然氣處理廠重要的生產設施，主要由脫丙烷塔和脫丁烷塔組成，用于丙烷、丁烷和C5+烴類的分離。以俄羅斯某在建天然氣處理廠工藝流程和參數為基礎，作為氣體分餾單元的基本方案，分餾單元流程如圖1所示。從上游天然氣液化凈化單元進入氣體分餾單元的物料主要是C3～C9的液態(tài)烴類混合物，根據各組分之間的相對揮發(fā)度不同，通過脫丙烷塔和脫丁烷塔進一步分離。脫丙烷塔頂部主要產物為丙烷，底部產物C4～C9直接進入下游的脫丁烷塔，經過脫丁烷塔的分離作用，正丁烷和異丁烷從塔頂餾出，C5+組分從塔底產出。來自上游的液態(tài)烴混合物進料組分見表1所列。

圖1 氣體分餾單元流程示意(基本方案)

%

氣體分餾單元的主要工藝參數和操作條件見表2所列，脫丙烷塔塔頂產物丙烷和脫丁烷塔塔頂產物丁烷(正丁烷和異丁烷的混合物)的摩爾分數要求分別為97.55%和97.44%。

表2 氣體分餾單元的主要工藝參數和操作條件

根據表2的工藝參數及條件，利用Aspen Plus 商業(yè)流程模擬軟件，采用對計算飽和蒸氣壓及飽和液體密度有很好精度的Peng Robinson狀態(tài)方程[9]，建立氣體分餾單元基本設計方案的穩(wěn)態(tài)模型。

通過尋找脫丙烷塔、脫丁烷塔的最優(yōu)進料位置和增加預熱換熱器對氣體分餾單元基本設計方案進行工藝優(yōu)化，優(yōu)化后方案的流程如圖2所示。與基本方案相比，脫丙烷塔的進料位置由第29塊塔板變?yōu)榈?3塊塔板，脫丁烷塔的進料塔板由第28塊塔板變?yōu)榈?4塊塔板，同時在脫丙烷塔的入口增加了預換熱器，利用脫丁烷塔塔底產物的余熱來對進料混合物進行加熱。經過對穩(wěn)態(tài)設計方案進行經濟評價，發(fā)現(xiàn)改變蒸餾塔進料位置和增加預熱器的工藝優(yōu)化設計措施可使氣體分餾單元的能耗費用減少2.31%，每年節(jié)省5.6萬美元，年度總成本降低1.84%，每年可節(jié)省6.7萬美元[8]。

圖2 氣體分餾單元流程示意(優(yōu)化方案)

2 系統(tǒng)控制結構

在研究系統(tǒng)動態(tài)響應之前，需要建立系統(tǒng)的控制結構。對于氣體分餾單元來說，首先要保證塔內操作壓力的恒定，可以通過調節(jié)冷凝器的熱負荷來實現(xiàn)；其次要保證塔頂回流罐和塔釜不能溢流，可以通過調節(jié)塔頂和塔底出口產物的流量來維持液位在一定范圍內；最后是產物純度要滿足下游產品質量要求。對于產品組分控制，組分測量元件價格和維護成本較高，且在測量過程中存在較大的滯后。在操作壓力恒定的情況下，蒸餾塔塔板溫度與關鍵組分之間存在著對應關系，輕組分物質聚集的位置溫度較低，如蒸餾塔的精餾段；重組分聚集的位置溫度較高，如蒸餾塔的提餾段。因此，可以通過維持塔板溫度恒定來達到控制產物純度的目的。研究中采用雙溫度控制方案，即通過調節(jié)塔頂回流量來控制蒸餾塔上部被控塔板的溫度和調節(jié)再沸器熱負荷來控制下部被控塔板的溫度來控制丙烷和丁烷產品的純度。

兩種不同設計方案控制結構的差異主要是蒸餾塔被控溫度塔板的選擇。塔板選擇的問題在近半個世紀一直都在討論當中，研究者們提出了諸如斜率原則、靈敏度原則、奇異值分解原則、不變溫度準則和最小產物變化準則[10]。本文采用斜率法來確定蒸餾塔被控塔板的位置，斜率法的本質是尋找溫差變化較大的相鄰兩塊塔板。溫差變化大的地方，關鍵物質的組分變化也比較明顯，可以通過維持該處的溫度來防止輕組分的下降和重組分的上升。

通過分析穩(wěn)態(tài)模擬結果，對于基本方案，選擇第29塊和第50塊塔板溫度作為脫丙烷塔的被控變量，選擇第2塊和第28塊塔板溫度作為脫丁烷塔的被控變量。對于優(yōu)化方案，脫丙烷塔的被控塔板為第33塊和第50塊塔板，脫丁烷塔的被控塔板為第2塊和第34塊塔板。基本方案和優(yōu)化方案的氣體分餾單元控制結構如圖3和圖4所示，所有控制閥在穩(wěn)態(tài)設計狀態(tài)下處于半開狀態(tài)。

在系統(tǒng)動態(tài)仿真過程中，所有回路控制器的調節(jié)作用均采用比例積分(PI)算法。其中流量回路控制器參數采用經驗數值，壓力回路控制器采用默認的參數。脫丙烷塔塔釜液位與脫丁烷塔進料流量控制組成串級控制回路，其他的液位控制器均采用純比例算法。上述回路控制器的參數在基本方案和優(yōu)化方案的動態(tài)模型中保持一致。

對于溫度控制回路，假定每個溫度測量元件都存在60 s的死區(qū)，通過被控變量和操作變量的繼電器反饋回路測試獲得最終增益Ku和最終功率Pu，然后利用保守的Tyreus-Luyben方法[11]計算出控制器的比例增益KC和積分時間TI：

KC=Ku/3.2

(1)

TI=2.2Pu

(2)

兩種設計方案各回路的控制器參數見表3所列，從中可以看出溫度控制回路的控制器參數并不一樣，這是優(yōu)化方案改變了被控溫度塔板的位置，相應改變了被控變量與操縱變量之間的關系。與基本方案相比，優(yōu)化設計方案溫度控制回路具有更高的比例增益和更小的積分時間，意味著工藝優(yōu)化設計之后的溫度回路具有更強的魯棒性和更好的動態(tài)控制特性。

3 可控性評價

為了評價氣體分餾單元系統(tǒng)的動態(tài)特性，分別改變進料質量流量和進料摩爾分數來觀察兩種不同設計方案的動態(tài)過程響應。氣體分餾單元在進料質量流量增加20%時的動態(tài)響應如圖5所示。

圖3 氣體分餾單元控制結構示意(基本方案)

圖4 氣體分餾單元控制結構示意(優(yōu)化方案)

設 備回 路基 本 方 案優(yōu) 化 方 案KCTI/minKCTI/min脫丙烷塔進料0.50.30.50.3壓力20122012回流罐液位2999929999塔釜液位10601060上部溫度16.1421.1216.427.92下部溫度1.9111.887.977.92脫丁烷塔進料0.50.30.50.3壓力20122012回流罐液位2999929999塔釜液位2999929999上部溫度22.2523.7620.86.6下部溫度2.7411.888.579.24

圖5 氣體分餾單元在進料質量流量增加20%時的動態(tài)響應示意注： TDP-N——脫丙烷塔第N塊塔板的溫度，℃；qmRRDP——脫丙烷塔塔頂回流質量流量，kg/s； PRDP——脫丙烷塔再沸器的熱負荷，MW；TDB-N——脫丁烷塔第N塊塔板的溫度，℃；qmRRDB——脫丁烷塔塔頂回流質量流量，kg/s；PRDB——脫丁烷塔再沸器的熱負荷，MW；x丙烷——脫丙烷塔頂產出物中丙烷的摩爾分數，%；x丁烷——脫丁烷塔頂產出物中丁烷(異丁烷和正丁烷)的摩爾分數，%

由圖5可以看出，由于采用的是溫度控制結構，兩種設計方案中各被控塔板的溫度在3 h左右都能重新回到設定值；優(yōu)化方案下脫丙烷塔和脫丁烷塔塔頂回流與再沸器熱負荷的動態(tài)響應更加平緩。盡管基本方案脫丁烷塔頂產出物中丁烷的摩爾分數與設定值之間具有較小的穩(wěn)態(tài)偏差，優(yōu)化方案脫丙烷塔頂產出物中丙烷的動態(tài)響應仍優(yōu)于基本設計方案。氣體分餾單元在進料質量流量減少20%時的動態(tài)響應如圖6所示。

圖6 氣體分餾單元在進料質量流量減少20%時的動態(tài)響應示意

由圖6可以看出，優(yōu)化方案脫丙烷塔塔頂產物丙烷和脫丁烷塔塔頂產物丁烷與設定值的穩(wěn)態(tài)偏差明顯小于基本方案，并且前者各關鍵參數能夠很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，其動態(tài)可控性優(yōu)于后者。

脫丙烷塔混合液態(tài)烴中丙烷、異丁烷及正丁烷的進料摩爾分數由65.82%，10.04%和16.13%變?yōu)?0.82%，13.04%和18.13%時，系統(tǒng)各關鍵變量的動態(tài)響應特性如圖7所示。可以看出，兩種設計方案的動態(tài)響應沒有太大的差別。

4 結束語

以俄羅斯某在建天然氣處理廠工藝參數和操作條件為基礎，在基本設計和工藝優(yōu)化設計穩(wěn)態(tài)模型的基礎上，建立天然氣處理廠氣體分餾單元兩種不同設計方案的動態(tài)模型和控制結構。研究結果表明： 盡管進料組分發(fā)生變化后兩種設計的動態(tài)特性沒有太大差異，但脫丙烷塔混合液態(tài)烴進料流量發(fā)生變化時優(yōu)化方案的動態(tài)特性優(yōu)于基本方案。從系統(tǒng)工程的角度，證明了工藝優(yōu)化設計不僅可以提高氣體分餾單元的熱力學效率、降低設備費用和總年度成本，還改善了系統(tǒng)的動態(tài)可控性。

圖7 氣體分餾單元在進料組分摩爾分數發(fā)生變化時的動態(tài)響應示意