基于層次分析法優(yōu)化天然氣凈化工藝

薛勇勇，劉陽，劉琳琳，，田碩，都?。ù筮B理工大學(xué)化工學(xué)院化工系統(tǒng)工程研究所，遼寧 大連 604；大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，遼寧 大連 604）

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研究開發(fā)

基于層次分析法優(yōu)化天然氣凈化工藝

薛勇勇1，劉陽1，劉琳琳1，2，田碩1，都健1
（1大連理工大學(xué)化工學(xué)院化工系統(tǒng)工程研究所，遼寧 大連 116024；2大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

摘要：為了避免雜質(zhì)腐蝕設(shè)備或因低溫凍結(jié)而堵塞換熱器，天然氣在進(jìn)入液化裝置前需對其進(jìn)行凈化處理，即脫除天然氣中的酸性氣體（CO2、H2S）和水分。本文選用二乙醇胺（DEA）法脫除天然氣中的酸性氣體，用三甘醇（TEG）法脫除天然氣中的水分，通過耦合DEA法和TEG法得到最終天然氣凈化工藝，且達(dá)到凈化指標(biāo)要求。但由于工程手冊只能給出工藝參數(shù)的大概范圍，尚無法得到最優(yōu)的工藝方案，因此本文首先應(yīng)用化工模擬軟件HYSYS 8.4對天然氣工藝過程進(jìn)行模擬計算，然后在工藝參數(shù)推薦范圍內(nèi)設(shè)定9組推薦方案，引入系統(tǒng)評價方法中的層次分析法，并基于Matlab程序計算，對9組推薦方案進(jìn)行多目標(biāo)綜合評價，最終確定最優(yōu)的凈化組合方案。本文可為天然氣凈化工藝和其他工藝方案的優(yōu)選提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：天然氣凈化；DEA法脫酸；TEG法脫水；工藝優(yōu)化；層次分析法

第一作者：薛勇勇（1991—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：都健，博士，教授。E-mail dujian@dlut.edu.cn。

天然氣為一種清潔、優(yōu)質(zhì)的能源，被譽為“21世紀(jì)能源”［1］，經(jīng)液化后體積大大縮小，便于儲存和運輸，特別是在沒有輸氣管網(wǎng)的地區(qū)，液化天然氣起到調(diào)峰作用，因此需大力發(fā)展液化天然氣工業(yè)。而原料天然氣在進(jìn)入液化裝置前一般都不可避免含有CO2、H2S等酸性組分，而酸性天然氣腐蝕性強且容易堵塞管道，為了滿足天然氣液化預(yù)處理指標(biāo)，原料天然氣必須經(jīng)過凈化裝置脫除其中的酸性組分［2］。因此本文針對天然氣的液化預(yù)處理工藝展開研究，以天然氣凈化工藝為研究對象，綜合考慮用能工藝的能源利用率和環(huán)境保護(hù)等。

在評價天然氣凈化工藝時，考慮到工藝評價的多目標(biāo)性及復(fù)雜性，僅以單一目標(biāo)如凈化效果為評價標(biāo)準(zhǔn)，已不能滿足工藝生產(chǎn)的需求，往往需同時考慮凈化效果、能量利用率、填料塔穩(wěn)定性、投資費用等多個因素。宋建軍等［3］在2001年采用塔設(shè)備性能四因素模糊工業(yè)評價法對塔設(shè)備進(jìn)行了綜合分析，此文章僅針對單元設(shè)備進(jìn)行了分析，并不能完全反映整個工藝過程的綜合性能。張春等［4］在2012年采用五因素模糊工業(yè)評價法對MDEA/DEA混合胺液脫酸氣工藝進(jìn)行了優(yōu)選，但此方法對權(quán)重的選取具有較強的主觀性。

相比模糊綜合評價法，層次分析法更適用于定性和定量兼有的決策分析方法，且減弱了主觀判斷。且本文脫酸工藝需滿足天然氣液化工藝的凈化指標(biāo)，經(jīng)過模擬分析，MDEA法雖然能耗較DEA法低，但僅能達(dá)到管輸天然氣的要求，卻無法達(dá)到液化天然氣預(yù)處理的要求［5］。因此，本文引入層次分析法對耦合DEA法和TEG法的天然氣凈化工藝進(jìn)行了優(yōu)化，綜合分析了凈化效果、能量利用率、填料高度等多個評價指標(biāo)對工藝的影響，尋求最佳工藝方案。

1 建立凈化工藝模型

圖1所示為典型的天然氣凈化工藝流程簡圖。其中，（a）為天然氣DEA法脫酸工藝流程，（b）為天然氣TEG法脫水工藝流程。本文利用化工模擬軟件HYSYS8.4對凈化流程進(jìn)行模擬，在DEA法脫酸工藝物性包選取中，針對醇胺溶液特點，采用醇胺物性包（amines property package）［2］；由于 PR （Peng-Robinson）狀態(tài)方程具有廣泛的適用性及較高的精度，尤其在TEG法脫水的氣液平衡模型中表現(xiàn)出良好的收斂性及較高的精度，因此TEG法脫水工藝選用PR狀態(tài)方程［6］。

表1 原料天然氣組成

圖1 典型的天然氣凈化過程

已知原料天然氣的流量為2000kmol/h，溫度為37.8℃，壓力為3.5MPa，組成如表1所示。如圖1中流程所示，原料天然氣首先進(jìn)入 DEA吸收塔脫除CO2和H2S，脫酸后的氣體隨后進(jìn)入TEG吸收塔脫除H2O，以達(dá)到凈化指標(biāo)。DEA吸收塔塔底的富流股進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)行閃蒸，將其中的輕組分（如CH4等）蒸出后，通過貧-富液換熱器加熱，進(jìn)入解吸塔，解吸后的酸氣從塔頂脫除，塔底得 DEA貧液。貧液與補充液混合，通過泵打入DEA吸收塔塔頂，循環(huán)使用。而TEG吸收塔塔底的富流股則直接由節(jié)流閥降壓后通過貧-富液換熱器加熱進(jìn)入解吸塔，水從塔頂脫除，塔底得TEG貧液，同樣返回到TEG吸收塔循環(huán)使用。經(jīng)過上述凈化流程，天然氣干氣中的酸性氣體和水含量應(yīng)滿足如下預(yù)處理指標(biāo)［7］，CO2，50～100μL/L；H2S，4μL/L；H2O，0.5～1μL/L。本文重點考察了吸收溫度、壓力兩個工藝參數(shù)的變化，在此基礎(chǔ)上，為滿足凈化指標(biāo)且盡量保持產(chǎn)品中CO2含量不變，模擬過程中其他參數(shù)會隨之調(diào)整。結(jié)合工程手冊，表2中列出了凈化過程吸收塔溫度、壓力的推薦范圍［7］。在此范圍內(nèi)，本文在保證工藝參數(shù)滿足生產(chǎn)的需求下，選擇了如表3所示覆蓋整個推薦范圍，有代表性的9組脫酸、脫水組合方案，并利用化工模擬軟件 HYSYS 8.4對這些組合方案分別進(jìn)行了模擬與分析。影響天然氣凈化工藝的焓值計算得到有效能損失；基于化工模擬軟件指標(biāo)有很多，但本文模擬過程重點考察了影響天然氣凈化工藝整體性能的五項指標(biāo)。凈化效果、初始投資中各項指標(biāo)的計算方法如下，根據(jù)模擬過程的流股信息直接獲得 H2S的凈化效果；根據(jù)流股信息熵、HYSYS 8.4和內(nèi)嵌軟件Aspen Economic Evaluation計算得到初始投資費用與操作費用；而填料塔高度是由塔設(shè)計過程計算獲得，本文考察所有塔（吸收塔、解吸塔）的整體穩(wěn)定性，塔器類型均選用規(guī)整填料塔，填料類型為Mellapac 250Y［4］。上述9個組合方案對應(yīng)的指標(biāo)計算結(jié)果列于表4。在此基礎(chǔ)上，本文將采用層次分析法對9組方案進(jìn)行綜合評價，有效地選出最優(yōu)的操作參數(shù)。

2 基于層次分析法的方案優(yōu)化

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）屬于系統(tǒng)分析方法的一種，是對定性問題進(jìn)行定量分析的一種簡便、靈活而又實用的多準(zhǔn)則決策方法［8］。它適用于多目標(biāo)決策，用于存在多個影響指標(biāo)的情況下，評價各方案的優(yōu)劣程度。一般而言，層次分析法都要經(jīng)歷如圖 2所示的構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)、建立判斷矩陣、對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗、層次單排序、層次總排序以及分析結(jié)果進(jìn)行決策等步驟，本文采用層次分析法對上述9種方案進(jìn)行綜合評價優(yōu)選，能夠有效獲得最優(yōu)的操作參數(shù)。

2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

層次分析法將要決策的問題分為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案3個層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性及定量分析［9］。結(jié)合模擬所得數(shù)據(jù)，本研究將凈化工藝優(yōu)選作為目標(biāo)層A；將直接體現(xiàn)工藝根本目標(biāo)的凈化效果、表示工藝建設(shè)成本的初始投資費用、體現(xiàn)操作成本的能量消耗費用、對方案節(jié)能起到指導(dǎo)的能量利用率以及評估塔穩(wěn)定性的填料塔高度作為準(zhǔn)則層B；將9組方案作為方案層 C。所建立的遞階層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 建立判斷矩陣

對同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣［8］。

目標(biāo)層A與準(zhǔn)則層B之間判斷矩陣的建立采用1～9比例標(biāo)度法，如表5所示［8］。根據(jù)準(zhǔn)則層各部分的相對重要程度不同，進(jìn)行兩兩比較，將定性描述轉(zhuǎn)化為定量計算。而準(zhǔn)則層B與方案層C之間的判斷矩陣則由表4對比得出。

圖2 層次分析法的建模步驟

表2 工藝推薦參數(shù)

表3 不同工藝參數(shù)組合方案

圖3 層次分析法的遞階層次結(jié)構(gòu)

表4 9組方案各項評價指標(biāo)計算結(jié)果

表5 1～9標(biāo)度含義

以 A、B間的判斷矩陣為例，由于環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)以及能量利用率是目前我國化工工業(yè)生產(chǎn)必須考慮的兩個重點內(nèi)容，將其重要性定為強，等級為5；而初始投資費用以及能耗費用較其次之，將其重要性定為較強，等級為 3；填料塔高度表示填料穩(wěn)定性，反應(yīng)塔設(shè)備的抗風(fēng)能力、穩(wěn)定運行能力，本文中操作條件下其影響較小，重要性設(shè)置為相等，等級為 1。則對應(yīng)的判斷矩陣為如下所示。

2.3 求解相對權(quán)重并一致性檢驗

單一準(zhǔn)則下，由比較矩陣導(dǎo)出元素相對排序權(quán)重的方法有多種，本文采用特征根法對判斷矩陣進(jìn)行求解，得出相對權(quán)重。

將權(quán)重向量ω右乘權(quán)重比較矩陣A，得式（1）。

式中，λ為判斷矩陣的特征值矩陣，其最大值λmax存在且唯一，ω的分量均為正分量。最后將求得的權(quán)重向量作歸一化處理即為所求。

以A、B間判斷矩陣為例，經(jīng)Matlab程序計算，其相對權(quán)重為:ω=（0.2941，0.1765，0.1765，0.2941，0.0588）

2.4 求解合成權(quán)重并得出評價結(jié)論

為了實現(xiàn)評價工藝方案的最終目的，需要按照由上至下的順序?qū)Ω鲗哟闻袛嗑仃嚨南鄬?quán)重進(jìn)行求解，最終將兩個層次合并求解出合成權(quán)重，結(jié)果如表6所示。

表6 工藝方案合成權(quán)重

由表6定量分析可知，方案5的權(quán)重最大，為最優(yōu)工藝方案，而方案4和方案5的權(quán)重相差不大，可作為備選方案。結(jié)合表4分析，方案5的評價指標(biāo)如凈化效果、有效能損失及填料塔高度和其他方案相比，均處于平均水平，而投資費用和操作費用則均最小，因此綜合考慮各評價指標(biāo)，最優(yōu)方案為方案5的決策合理，能夠證明定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。其對應(yīng)操作參數(shù)為:DEA脫酸工藝操作壓力為4.0MPa，操作溫度為37.8℃；TEG脫水工藝操作壓力為4.7MPa，操作溫度為24.4℃；凈化氣中H2S含量為3.9μL/L；初始投資費用1.19×107USD/a，操作費用1.49×107USD/a；有效能損失11031kW；填料塔高度64.11m。

3 結(jié) 論

（1）采用耦合DEA法脫酸和TEG法脫水的凈化方案對天然氣進(jìn)行凈化，且利用化工模擬軟件HYSYS 8.4對該工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。在參數(shù)推薦范圍內(nèi)，分別模擬獲得了9組天然氣凈化方案的5個評價指標(biāo)，即凈化效果、初始投資費用、操作費用、有效能損失、填料塔高度。

（2）采用層次分析法綜合考慮5個評價指標(biāo)，對9組天然氣凈化方案進(jìn)行綜合評價。由于方案5的合成權(quán)重為0.1225，所占權(quán)重最大，故為最優(yōu)方案。而方案4的權(quán)重與方案5相比相差不大，可作為備選方案。其中，方案5對應(yīng)操作參數(shù)為:DEA法脫酸工藝操作壓力為4.0MPa，操作溫操作溫度為37.8℃。本文可為天然氣凈化工藝和其他工藝方案的優(yōu)選提供指導(dǎo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Optimization of purification process for natural gas using analytic hierarchy process

XUE Yongyong1，LIU Yang1，LIU Linlin1，2，TIAN Shuo1，DU Jian1
（1Institute of Process Systems Engineering，School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China；2Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering，Ministry of Education （MOE），School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China）

Abstract:In order to avoid severe corrosion of vessel or freezing in cryogenic exchangers，feed gas from natural gas well heads containing various contaminants and acid gases cannot be sent to the liquefaction unit directly，and must pass through purification units to remove undesirable components such as CO2，H2S and H2O. In this paper，DEA and TEG methods are adopted to remove such components，and these two methods are coupled into a natural gas purification process to reach the purification target. As the project handbook only gives the approximate range of process parameters，an optimal process is not available. This paper first applies software HYSYS 8.4 to simulate the natural gas purification process based on relevant data. Then nine combined cases are listed according to the recommended range of process parameters，and a system assessment method，Analytic Hierarchy Process （AHP），is introduced. Finally，multi-objective comprehensive assessment is made using AHP in Matlab to select the optimal process parameters. This approach can provide reference for optimization of natural gas purification process and other processes.

Key words：natural gas purification process；DEA method；TEG method；optimization；AHP

中圖分類號：TE 644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1298-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.005

收稿日期：2015-09-02； 修改稿日期：2016-01-04。

基金項目：國家自然科學(xué)基金（21406026）及遼寧省自然科學(xué)基金（2014020007）項目。