夾點技術在LNG分餾換熱能量優(yōu)化中的應用

常心潔，陳杰，楊文剛，高瑋

(中海石油氣電集團有限責任公司 技術研發(fā)中心液化所，北京 100007)

夾點技術在LNG分餾換熱能量優(yōu)化中的應用

常心潔，陳杰，楊文剛，高瑋

(中海石油氣電集團有限責任公司 技術研發(fā)中心液化所，北京 100007)

在天然氣液化技術工程化研究中，LNG分餾工藝較復雜，且設備種類較多，存在熱量利用不充分，公用工程消耗量大的問題，為了節(jié)約能源需要對換熱網絡進行改進。先使用HYSYS軟件對分餾工藝進行模擬，得出系統(tǒng)工藝參數，分析現有換熱網絡能量消耗，得到最小換熱溫差，再運用夾點技術對分餾區(qū)換熱網絡提出了改造方案。通過改進和優(yōu)化，充分利用脫乙烷塔底物流的冷量，將分餾區(qū)熱公用工程消耗量降低了15%，冷公用工程消耗量降低了8%，使用夾點技術對系統(tǒng)工藝和設備參數優(yōu)化的研究得到了良好的節(jié)能效果。

LNG；夾點技術；液化；分餾；能量優(yōu)化;最小溫差；換熱

在大型天然氣液化技術工程化研究中，工藝包括預處理、分餾、LPG (Liquefied Petroleum Gas)儲運、液化和LNG (Liquefied Natural Gas)儲運等單元，其公用工程消耗包括電力、海水、淡水、蒸汽、燃料氣、儀表空氣、氮氣、制冷劑和潤滑油等[1]。由于分餾單元的設備種類和數量最多，在大型天然氣液化工廠中其公用工程消耗量也較大，除壓縮機和泵的電力消耗外，以脫重烴塔底再沸器的蒸汽和產品冷凝器的海水消耗為主。為了降低天然氣液化裝置的能耗，需要優(yōu)化LNG分餾裝置的換熱網絡布局，因此進一步降低蒸汽和海水的消耗量就成為了分餾單元的改造目標。在過程節(jié)能的時代，夾點技術作為過程集成方法已經成功地在石油化工行業(yè)的煉油分餾工藝和乙烯生產中取得了顯著的節(jié)能效果[2-6]，但用于LNG分餾換熱能量優(yōu)化的研究很少。我國的天然氣液化廠規(guī)模較小，通過技術改造充分挖掘裝置的潛力來擴大生產能力是我國天然氣工業(yè)的發(fā)展趨勢。本文將基于夾點技術對LNG分餾裝置進行優(yōu)化分析和節(jié)能技術改造研究。

1 夾點技術基本原理

隨著過程系統(tǒng)節(jié)能時代的到來，人們認識到把系統(tǒng)集成起來進行整體設計優(yōu)化可以降低能耗、減小費用和環(huán)境污染[7-8]。上世紀70年代，Linnhoff和Umeda指出夾點限制了換熱網絡的熱回收，夾點技術成為過程集成方法中最實用的技術，并在世界范圍內成功地取得了節(jié)能效果[9]。夾點技術在熱力學的角度上對換熱網絡優(yōu)化集成，分析能量流隨溫度的分布，確定公用工程的等級和用量，可以解決系統(tǒng)用能的“瓶頸問題”，達到提高生產力、減小設備投資和節(jié)約用水的目的。

將物流的熱特性用T-H圖(溫-焓圖)表示時，熱物流(熱端)被冷卻而降溫，冷物流(冷端)被加熱而升溫，物流的熱量用焓差ΔH表示。物流從Ts加熱或冷卻到Tt，若熱容物流Cp可作為常數，則所傳遞的總熱量為Q=Cp(Tt-Ts)=ΔH。在實際生產系統(tǒng)中，多股熱流和多股冷流換熱時，將多股熱流合并成一根熱復合曲線，多股冷流合并成一根冷復合曲線[10]。冷、熱復合曲線同時表示在T-H圖上，將冷負荷曲線平行左移到兩者在某點重合時，系統(tǒng)內部換熱達到極限，此時傳熱溫差為零，該點即為夾點。理想的夾點溫差為零時，需要無限大的傳熱面積，現實操作中這是不可能的。因此將冷熱復合溫焓線上傳熱溫差最小的地方定義為夾點，如圖1所示[11-12]。其中熱復合曲線為ABCD，冷復合曲線為EFGH，兩者在H軸上投影的重疊部分ABCEFG為過程內部冷、熱流體的換熱區(qū)，其焓變全部通過換熱器來實現。冷復合曲線上端部分GH需用公用工程加熱器來加熱，GH在H軸上的投影QH,min為該夾點溫差下所需的最小加熱公用工程量；熱復合曲線下端部分CD需用公用工程冷卻器來降溫，CD在H軸上的投影QC,min為最小冷卻公用工程量[13-14]。

圖1 冷熱復合曲線溫-焓圖

夾點將換熱網絡分成夾點之上和夾點之下兩部分，夾點之上可以看成是一個凈熱肼，只有加熱公用工程；夾點之下可以看成是一個凈熱源，只有冷卻公共工程。如果在夾點之上設置冷卻器移走部分熱量，則這部分熱量必然要由加熱公用工程額外輸入，結果加熱和冷卻公用工程量均增加了。同理，如果在夾點之下設置加熱器，則加熱和冷卻公用工程量也均增加。因此，夾點方法的設計原則為：(1)夾點之上不應設置任何公用工程冷卻器；(2)夾點之下不應設置任何公用工程加熱器；(3)不應有跨越夾點的傳熱。

2 LNG分餾換熱流程簡述

原料氣經過預處理單元后進入分餾系統(tǒng)，與低溫干氣換熱被冷卻到-48℃，通過膨脹機和節(jié)流閥被進一步冷卻到-73℃后，進入脫甲烷塔。被脫去重烴的干氣從脫甲烷塔頂抽出，與原料氣換熱后，被壓縮機增壓至7.6 MPa，之后去液化單元。脫去甲烷的液態(tài)烴從脫甲烷塔底抽出，與原料氣換熱后進入脫乙烷塔；由脫乙烷塔底出來的液態(tài)烴進入脫丙烷塔；脫丙烷塔頂抽出丙烷產品，塔底抽出的液態(tài)烴進入脫丁烷塔，丁烷產品由其塔頂產出，C5+液態(tài)烴由塔底抽出。

其中由脫乙烷塔頂抽出的的富含甲乙烷的氣體進入冷箱后被冷卻至62℃左右，進入分離器后的氣液兩相分別返回冷箱被原料氣加熱至22℃后，經增壓機加壓后送出分餾裝置。由脫乙烷塔中部14板抽出的富含乙烷的氣體進入乙烷產品精餾塔，乙烷產品由塔頂出裝置。

3 能量優(yōu)化分析和換熱網絡改進

天然氣液化工藝中，分餾單元系統(tǒng)能量分配和利用可分為原料低溫換熱部分和產品分餾部分。其中原料低溫換熱部分靠冷箱進行換熱，冷箱是嚴格按最優(yōu)能量分配原則進行換熱的，其公用工程需求為零，因此該部分的能量利用是最優(yōu)化的。本文研究產品分餾部分的能量優(yōu)化和換熱網絡。

3.1 原換熱網絡分析

以產品分餾部分裝置為研究對象，運行過程中重烴產品需要用海水冷凝器進行冷卻，脫重烴塔底需要再沸器進行加熱，脫重烴后的氣體進入液化單元進行液化。運用HYSYS軟件對分餾工藝進行模擬，得出系統(tǒng)工藝參數，將消耗公用工程的換熱器物流參數見表1。由表1可以看出，分餾單元有7股熱物流和3股冷物流。

表1產品分餾區(qū)換熱物流基本參數

設備號 用途公用工程介質起始溫度/℃目標溫度/℃焓差(熱負荷)/kJ·h-1熱容流率/kW·℃-1熱物流EA-1分餾后冷卻空氣104504．97×107255．7EA-2分餾后冷卻空氣72．8500．16×10719．3EA-3脫丙烷塔頂丙烷產品預冷空氣58552．43×1072250．0EA-4脫丁烷塔頂丁烷產品預冷空氣63．6591．01×107561．1E-7丙烷冷卻器海水56．5400．92×10615．0E-9丁烷冷卻器海水61．7350．91×1069．36E-10輕油冷卻器海水134401．97×1065．82冷物流E-5脫乙烷塔再沸器蒸汽83．891．31．56×107619．0E-6脫丙烷塔再沸器蒸汽118．2126．32．69×107934．0E-8脫丁烷塔再沸器蒸汽124．3132．17．56×106262．5

運用夾點分析法在溫-焓線上繪制冷熱復合曲線，如圖2所示。將圖2中冷熱復合曲線疊加后的總組合曲線如圖3所示。從圖2可知，天然氣液化分餾單元冷熱復合T-H曲線的最小傳熱溫差為15℃，換熱網絡熱物流夾點溫度為98.8℃，冷物流夾點溫度為83.8℃。由表1可知，穿越熱物流夾點98.8℃之上的冷卻器有EA-1和E-10，但沒有穿越冷物流夾點83.8℃以下的加熱器，運用夾點方法的設計原則分析，夾點之上不應設置任何公用工程冷卻器，因此若能減小跨越夾點98.8℃的傳熱，即增加熱量的回收，將會降低相應的冷卻和加熱公用工程消耗量。

圖2 原流程冷熱復合T-H線

圖3 原流程換熱網絡總組合曲線

由表1可知，分餾單元所需公用工程加熱量為5.01×107kJ/h，由蒸汽提供；所需的公用工程冷卻量為8.95×107kJ/h，由空氣和海水提供。由圖3可知，理論熱公用工程最低值為4.36×107kJ/h，理論冷公用工程最低值為8.31×107kJ/h。冷熱公用工程都有6.5×106kJ/h 的節(jié)能目標，相對于熱公用工程有15%的節(jié)能空間，相對于冷公用工程有8%的節(jié)能空間。

3.2 換熱網絡的優(yōu)化和改造

根據上述分析可知，原換熱網絡中的不合理之處為：有兩臺換熱器存在穿越夾點換熱，用來冷卻分餾處理后氣體的冷卻器和輕油冷卻器出現在夾點之上，所需的冷量由空氣和海水提供，卻沒有合理利用分餾系統(tǒng)內部的冷量，這樣既增加了冷卻公用工程量，又增加了加熱公用工程量，使冷熱公用工程設備的投資都增加了。為了節(jié)省公用工程消耗量和節(jié)省公用工程設備投資，充分利用分餾系統(tǒng)內部的熱量和冷量，對系統(tǒng)進行優(yōu)化改造后的換熱流程，嚴格按夾點換熱理論改造后的換熱流程如圖4所示。

表2改造后產品分餾區(qū)換熱物流基本參數

設備號用途公用工程介質起始溫度/℃目標溫度/℃焓差(熱負荷)/kJ·h-1熱容流率/kW·℃-1熱物流EA-1分餾后冷卻空氣98．8504．4×107250．5E-10輕油冷卻器海水98．8401．18×1066．72冷物流E-5脫乙烷塔再沸器蒸汽86．691．39．08×106560．5新增加E-11充分利用在系統(tǒng)內部10498．85．7×106304．5E-12夾點之上的熱量與脫乙烷塔底物流換熱13498．80．79×1066．23

圖4 優(yōu)化和改造后的流程

由圖4可知，脫乙烷塔底物流分為兩路，分流比0.88，占0.88的流股去E-11和分餾處理后氣體換熱至86.6℃，占0.12的流股去E-12和脫丁烷塔底的輕油產品換熱至86.6℃，加熱至86.6℃的兩股物流混合后進入換熱器E-5，被蒸汽加熱至91.3℃返回脫乙烷塔。被冷卻至98.8℃的分餾處理后氣體進入空冷器EA-1繼續(xù)冷卻至50℃，被冷卻至98.8℃的輕油進入E-10被海水冷卻至40℃出裝置。改造后的流程無跨夾點傳熱現象，進入EA-1的氣體和進入E-10的輕油溫度降低至98.8℃，保證了夾點之上不存在公用工程冷卻器。但優(yōu)化后的分餾系統(tǒng)增加了換熱器設備E-11和E-12，通過這兩臺換熱器實現分餾系統(tǒng)內部熱量的交換。改造后的換熱器物流參數見表2，表中只列出有熱負荷變化的幾個換熱器。

結合表1和表2可知，優(yōu)化后的換熱網絡沒有夾點之上的冷卻器，也沒有夾點之下的加熱器，分餾區(qū)換熱流程改造后的冷熱負荷都降低了6.5×106kJ/h，節(jié)省了15%的熱公用工程量和8%的冷公用工程量，減少了蒸汽和海水的費用。流程改造后新增了兩個換熱器，增加了設備投資。

本文在換熱網絡優(yōu)化中，是嚴格按夾點換熱理論進行的改造，而在實際項目實施中，要根據經驗綜合考慮公用工程和換熱器設備的價格、換熱工質、傳熱系數和操作彈性等因素的影響，確定最優(yōu)的夾點溫差。夾點溫差越小，熱回收量越高，需要的加熱和冷卻公用工程量就越少，運行所需的能量費用越少。但夾點溫差取的越小，整個換熱網絡各處的傳熱溫差均相應減小，就增加了換熱面積，會造成設備投資費用的增加[1]。當換熱器的材料價格較高而能源價格較低時，可以選擇較高的夾點溫差來減少換熱面積；當能源價格較高時，則選擇較低的夾點溫差，這樣可以減少公用工程需求量。

4 結論

應用夾點技術的設計原則作為理論依據，并借助HYSYS軟件對分餾工藝的模擬計算，對天然氣液化過程中的分餾工藝進行節(jié)能改造。通過增加兩臺換熱設備，將脫乙烷塔底物流分為兩路分別來冷卻分餾處理后氣體和脫丁烷塔底輕油產品，保證了夾點之上不存在公用工程冷卻器。改造后的流程冷熱負荷都降低了6.5×106kJ/h，節(jié)省了15%的熱公用工程量和8%的冷公用工程量，減少了蒸汽和海水的費用。利用夾點技術對LNG分餾換熱網絡進行能量優(yōu)化改造可以為社會的節(jié)能減排做出極大的貢獻。

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ApplicationofPinchPointTechnologyinEnergyOptimizationofLNGFractionationProcessHeatTransfer

CHANGXin-jie，CHENJie，YANGWen-gang，GAOWei

(LiquefactionTechnologyOfficeofResearchandDevelopmentCenter，CNOOCGasandPowerGroup，Beijing100007，China)

In the engineering research of the nature gas liquefaction technology, not only the fractionation process and device is complicated, but also the consumption of utilities is very large and heat utilization is inadequate. In order to save energy, the heat transfer network should be improved. Firstly the fractionation process was simulated and the process parameters were calculated by HYSYS software, then the energy consumption network was analyzed and the minimum heat transfer temperature difference was found out, finally the optimization and improvement method was presented by pinch point technology in the fractionation process heat transfer network. The cold energy of deethanizer column bottom was used adequately by improvement and optimization, and the consumption capacity of heating utilities decreased 15%, and the cooling utilities decreased 8%. According to the design principles and the criteria of pinch technology, good effect of energy saving was obtained by the optimization research to the fractionation process and device parameters.

LNG;pinch point technology;liquefaction;fractionation;energy optimization;minimum temperature difference;heat transfer

2014-02-17修訂稿日期2014-05-14

常心潔(1984～)，女，博士,工程師，主要從事天然氣凈化與液化技術研究工作。

TE645

A

1002-6339 (2014) 06-0561-04