天然氣半貧液脫碳工藝換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

李浩玉，蔣 洪，胡成星，熊 林，劉思宇

(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)石油塔里木油田分公司 油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000；3. 中國(guó)石油塔里木油田分公司 油氣運(yùn)銷部，新疆 庫爾勒 841000)

關(guān)鍵字：天然氣；脫碳；換熱網(wǎng)絡(luò)；傳熱有效度；火用效率；夾點(diǎn)分析

天然氣作為潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)資源，不僅在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比越來越大，而且應(yīng)用也越來越廣泛，但天然氣預(yù)處理的脫碳過程能耗較大[1]。 活化溶劑吸收法（MDEA）作為天然氣脫碳主要方法之一，具有應(yīng)用廣泛、凈化度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。其中，二段吸收+ 再生（閃蒸+ 汽提）的半貧液脫碳工藝相比其他吸收工藝，更具凈化度高、再生能耗低、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)。

半貧液脫碳工藝中換熱器是發(fā)生能熱交換的主要設(shè)備，基于熱力學(xué)第一定律的單體換熱器能效指標(biāo)評(píng)價(jià)方法， 已無法滿足當(dāng)今的節(jié)能減排要求。本文通過考慮換熱物流中冷熱能流的數(shù)量及品位，從單體設(shè)備和所成系統(tǒng)兩個(gè)層次分析換熱網(wǎng)絡(luò)中有效能的損失，即綜合評(píng)價(jià)單體設(shè)備和所組成換熱網(wǎng)絡(luò)的能效水平，進(jìn)而優(yōu)化提升整個(gè)系統(tǒng)的能量利用效率[4]。

1 天然氣半貧液脫碳工藝流程

采用Aspen HYSYS軟件對(duì)天然氣半貧液脫碳工藝流程進(jìn)行模擬， 氣液平衡模型選用Acid Gas-Chemical Solvents方程。某230 × 104m3/d天然氣半貧液脫碳工藝流程如圖1所示。 原料氣首先經(jīng)過換熱以一定溫度從吸收塔塔底進(jìn)入，在吸收塔內(nèi)與自上而下的MDEA溶液逆向接觸。 原料氣先與再生塔中上部抽出的MDEA半貧液接觸，粗脫原料氣中CO2氣體，再與完成再生后的MDEA貧液接觸，進(jìn)一步脫除原料氣中殘余的CO2。 吸收CO2酸性氣體的MDEA富液經(jīng)過閃蒸、換熱升溫后進(jìn)入再生塔解析，再生為MDEA貧液完成工藝循環(huán)[5]。

天然氣半貧液脫碳工藝設(shè)置了大量的加熱器及冷卻器， 比如再生塔與吸收塔塔頂?shù)睦鋮s器，原料氣加熱器等，極大地增加了脫碳工藝的冷熱公用工程用量，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)的能量浪費(fèi)，增加了天然氣處理過程的成本。

2 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)

2.1 換熱網(wǎng)絡(luò)基本數(shù)據(jù)

天然氣脫碳單元換熱網(wǎng)絡(luò)涉及的物流中，MDEA貧液、MDEA半貧液和酸氣是熱物流需要被冷卻，原料氣與MDEA富液則為冷物流需要被加熱，具體冷熱物流數(shù)據(jù)如表1所示。

天然氣脫碳工藝需要多臺(tái)換熱器以滿足吸收與再生工藝的要求，包括原料氣預(yù)熱器（HE1）、再生塔塔底重沸器（HE2）、MDEA貧液空冷器（CE1）、MDEA貧液冷卻器（CE2）、MDEA半貧液空冷器（CE3）、MDEA半貧液冷卻器 （CE4）、 再生塔塔頂酸氣冷卻器（CE5、CE6）、MDEA貧富液換熱器（E1）。 天然氣脫碳單元換熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

表1 換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱物流數(shù)據(jù)

2.2 換熱器能效評(píng)價(jià)

基于熱力學(xué)第一定律的傳熱有效度（換熱器效率）可反映換熱器所能傳遞熱量的相對(duì)大小，傳熱有效度計(jì)算式如式(1)所示：

式中，Q為換熱器實(shí)際傳熱量，kW；Qmax為逆流換熱器最大可能換熱量，kW；δtmax為兩流體的溫度變化值中較大者的溫度變化值，℃；、t1′、t2′為熱冷流體的進(jìn)口溫度，℃。

基于熱力學(xué)第二定律的火用效率可從能量品位高低評(píng)價(jià)換熱器換熱過程的能效水平[6]，火用效率計(jì)算式如式(2)所示。

式中，ΔE1、ΔE2為冷熱流體的火用變化量，kW；G1、G2為冷熱流體的質(zhì)量流量，kg/h；cp1、cp2為冷熱流體的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；、T1′、T1″和T2′、T2″為冷熱流體進(jìn)出口溫度，K。

采用傳熱有效度和火用效率兩種指標(biāo)評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的換熱過程能效水平，具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。由表2可見， 傳熱有效度評(píng)價(jià)表明大部分換熱器的實(shí)際傳熱量與逆流情況下可得到的最大換熱量相差較多，火用效率評(píng)價(jià)表明大部分換熱器中由于冷熱流體傳熱條件或流動(dòng)等造成的火用損失較大， 故圖2所示的現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)中較多換熱器的傳熱有效度及火用效率處于較低水平。

表2 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)各換熱器能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化

3.1 夾點(diǎn)分析

針對(duì)換熱器所組成的換熱網(wǎng)絡(luò)而言，應(yīng)從全局考慮，以是否充分利用系統(tǒng)內(nèi)部不同能量品位的冷熱能流作為能效水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 夾點(diǎn)技術(shù)是一種換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是化工過程能量綜合利用的方法之一。

利用夾點(diǎn)技術(shù)， 根據(jù)圖2換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò)及表1列出的基本參數(shù)可判斷出本工程換熱網(wǎng)絡(luò)屬于夾點(diǎn)問題，即該換熱網(wǎng)絡(luò)存在最小換熱溫差—夾點(diǎn)。 夾點(diǎn)技術(shù)確定夾點(diǎn)位置的方法有問題表法和T-H圖法，因?yàn)楸疚奶烊粴庠蠚?、半貧液、貧液等冷熱物流流股多，采用?fù)合溫焓線圖確定夾點(diǎn)位置的方法較繁瑣，故采用簡(jiǎn)便的問題表法確定其夾點(diǎn)位置。 問題表法主要通過劃分溫區(qū)、各溫區(qū)熱平衡計(jì)算、外界無熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算來確定夾點(diǎn)位置[7-10]。

3.1.1 劃分溫區(qū)

分別將所有冷熱物流的進(jìn)出口溫度從小到大排列起來， 熱流體：25.00 ℃、40.00 ℃、80.76 ℃、84.90 ℃、122.50 ℃； 冷 流 體：25.00 ℃、40.00 ℃、58.57 ℃、122.50 ℃。 計(jì)算冷熱流體平均溫度：將熱流體溫度減去ΔTmin/2， 將冷流體的溫度增加ΔTmin/2（根據(jù)天然氣處理工藝經(jīng)驗(yàn)， 最小傳熱溫差ΔTmin取4 ℃），并將取得的冷熱流體平均溫度從大到小排列起來：124.50 ℃、120.50 ℃、82.90 ℃、78.76 ℃、60.57 ℃、42.00 ℃、38.00 ℃、27.00 ℃、23.00 ℃。 由此可見，整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)可劃分為八個(gè)溫區(qū)，如圖3所示。

3.1.2 溫區(qū)內(nèi)的熱平衡計(jì)算

冷熱物流熱平衡計(jì)算公式為：

式中，CP為熱容流率，kW/℃。

根據(jù)系統(tǒng)熱平衡計(jì)算公式計(jì)算八個(gè)溫區(qū)的熱量，結(jié)果如表3所示。

表3 各溫區(qū)內(nèi)熱平衡計(jì)算結(jié)果

3.1.3 外界無熱量輸入的級(jí)聯(lián)計(jì)算

進(jìn)行外界無熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)計(jì)算時(shí)， 可計(jì)算每個(gè)溫區(qū)的輸入、累計(jì)輸出熱量，最后對(duì)每個(gè)溫區(qū)的熱通量進(jìn)行調(diào)整并使輸入、 累計(jì)輸出熱通量大于零，計(jì)算得到外界無熱量輸入時(shí)的熱級(jí)聯(lián)結(jié)果如表4所示。 由表4可見，溫區(qū)3與溫區(qū)4之間的級(jí)聯(lián)熱通量為0，故此處為夾點(diǎn)位置，平均溫度為78.76 ℃，即夾點(diǎn)處冷物流溫度為76.76 ℃， 熱物流溫度為80.76 ℃。

3.2 現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)問題

天然氣脫碳工藝共需要10臺(tái)換熱器共同協(xié)調(diào)運(yùn)行， 通過問題表法對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行了熱級(jí)聯(lián)計(jì)算， 由表4可得換熱網(wǎng)絡(luò)的最小加熱公用工程為13232.08 kW，原加熱公用工程為26087.5 kW，節(jié)能潛力為49.28%；最小冷卻公用工程為17618.50 kW，原冷卻公用工程為26028.5 kW， 節(jié)能潛力為32.31%。

根據(jù)夾點(diǎn)溫度設(shè)計(jì)原則[11,12]：夾點(diǎn)之上不應(yīng)有公用工程冷卻器， 夾點(diǎn)之下不應(yīng)有公用工程加熱器，不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)傳熱。 分析原換熱網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)不合理之處為存在夾點(diǎn)之上設(shè)置公用工程冷卻器，夾點(diǎn)之下設(shè)置公用工程加熱器，且跨越夾點(diǎn)傳熱。 原換熱網(wǎng)絡(luò)具體存在問題如表5所示。

表4 外界無熱量輸入時(shí)熱級(jí)聯(lián)計(jì)算結(jié)果

表5 原換熱網(wǎng)絡(luò)問題

3.3 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

針對(duì)天然氣脫碳單元換熱網(wǎng)絡(luò)存在的問題，按照夾點(diǎn)溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)該換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的高效利用。 夾點(diǎn)技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括：物流數(shù)目準(zhǔn)則，夾點(diǎn)之上NH≤NC，夾點(diǎn)之下NH≥NC（N為物流數(shù)目）；熱容流率準(zhǔn)則，夾點(diǎn)之上cp,H≤cp,C，夾點(diǎn)之下cp,H≥cp,C（cp為定壓比熱容）；最大熱負(fù)荷準(zhǔn)則，每一次換熱應(yīng)盡量換完兩股物流的一股，以保證最小數(shù)目的換熱單元。

根據(jù)準(zhǔn)則，以夾點(diǎn)為界，對(duì)夾點(diǎn)之上與夾點(diǎn)之下分別進(jìn)行優(yōu)化[13,14]。 夾點(diǎn)之上，C2冷流股優(yōu)先于H1或H3熱流股換熱，通過換熱結(jié)果比選，選擇C2優(yōu)先與H3換熱，進(jìn)而與H1換熱，C2與兩股熱物流換熱后由熱公用工程加熱至目標(biāo)溫度。 夾點(diǎn)之下，考慮到最大換熱負(fù)荷準(zhǔn)則，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果比選，選擇C2優(yōu)先與H2換熱， 進(jìn)而與H1換熱，C1直接與H2換熱即滿足要求。采用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖4。

優(yōu)化后，將C2流股先依次與H2、H1、H3流股換熱，再經(jīng)過貧富液換熱器換熱進(jìn)入再生塔，降低了再生塔重沸器負(fù)荷，節(jié)約了熱公用工程12052.14 kW，節(jié)約了用于冷卻H1、H2、H3流股的冷公用工程3009.61 kW；將H2流股先與C1流股換熱， 再經(jīng)過公用工程冷卻器冷卻，節(jié)約了冷公用工程5400.2 kW。 優(yōu)化后的各換熱器負(fù)荷如表6所示。 綜合分析優(yōu)化結(jié)果可知，優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)約了熱公用工程12855.42 kW， 節(jié)能潛力為49.28%， 節(jié)約了冷公用工程8409.81 kW，節(jié)能潛力為32.31%，可為天然氣脫碳單元帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

表6 優(yōu)化后的換熱器負(fù)荷

4 結(jié)論

針對(duì)某天然氣半貧液脫碳工藝換熱網(wǎng)絡(luò)，利用軟件模擬對(duì)單體換熱器設(shè)備進(jìn)行了傳熱有效度及火用效率分析，還通過夾點(diǎn)技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)論如下：

（1）原換熱網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)換熱器傳熱有效度及火用效率處于較低水平（低于50%），網(wǎng)絡(luò)存在跨越夾點(diǎn)傳熱、夾點(diǎn)之下設(shè)置了公用工程加熱器、夾點(diǎn)之上設(shè)置了公用工程冷卻器等問題。

（2）利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)原有換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮系統(tǒng)內(nèi)能量的有效利用，優(yōu)化后換熱器數(shù)量雖然不變，但是優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)換熱合理，能量利用率提高，僅需熱公用工程13229.86 kW，冷公用工程17619.18 kW，熱量利用量為31653.9 kW，相比原網(wǎng)絡(luò)節(jié)約了熱公用工程12855.42 kW， 冷公用工程8409.81 kW，節(jié)約能量共計(jì)21265.23 kW，占比原冷熱公用工程分別為32.31%和49.28%，節(jié)能潛力顯著。