天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG新工藝特性及適應(yīng)性分析

李浩玉 羅亮 胡朋偉 張君琴 黃靖珊 楊銅林

1.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田開發(fā)分公司 2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 3.中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計分公司 4.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院

氦氣是位于元素周期表第2位的單原子稀有氣體,在標(biāo)準(zhǔn)條件下,具有目前已知元素中最低的熔點和沸點、極強(qiáng)的擴(kuò)散性、良好的熱傳導(dǎo)性、難溶于水等特點[1],在航空航天、低溫超導(dǎo)等領(lǐng)域均有重要作用[2-5]。目前,國內(nèi)每年約95%的氦氣依賴進(jìn)口[6-7]。低溫冷凝法是當(dāng)前從天然氣中提取氦氣的主要方法,但從天然氣中單獨提氦在一定程度上會導(dǎo)致效益低下。LNG生產(chǎn)與提氦工藝在天然氣預(yù)處理、制冷循環(huán)等工藝方面均有深冷單元,且裝置設(shè)備類似,同時LNG中閃蒸氣可極大程度地提濃粗氦氣,降低氦氣提濃設(shè)備費用及能量損耗[8-9]。因此,用低溫法在天然氣提氦的同時聯(lián)產(chǎn)LNG,能有效降低能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝流程

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基于我國低含氦天然氣現(xiàn)狀,選取經(jīng)過預(yù)處理后的天然氣作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),原料氣壓力為4 500 kPa,溫度為40 ℃,流量為30.0×104m3/d,原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成% 組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)H20.001 1C30.019 9He0.250 0iC40.044 3N29.000 0nC40.004 0C190.449 8iC50.000 8C20.229 8nC50.000 3

1.2 新工藝流程概述

在天然氣提氦工藝可與天然氣液化、脫氮等低溫工藝相互集成以提高熱集成度的大背景下,低溫法是目前采用最廣泛的提氦方法,在現(xiàn)有低溫工藝流程中,多級閃蒸法流程簡單,存在氦氣回收率較低的問題;低溫精餾提氦法氦氣回收率高,但存在熱集成度低、能耗高等問題。針對深冷提氦工藝高能耗等現(xiàn)狀,本研究參考現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)及專利中的提氦流程和工藝設(shè)計經(jīng)驗[10-11],提出了一種新型天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝。該新工藝的創(chuàng)新思路是設(shè)置低溫低壓閃蒸罐分離氦氣,分離氣液相分別經(jīng)高壓提氦塔和低壓脫氮塔實現(xiàn)氮氣和氦氣、甲烷和氮氣的基本分離。外輸富氮產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮后部分回流冷卻、節(jié)流膨脹為脫氮塔和提氦塔塔頂提供冷量,同時可生產(chǎn)粗氦提純及精氦液化等部分所需的液氮,該新型工藝已獲國家發(fā)明專利授權(quán)[12]。

新型天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝流程見圖1。由圖1可知,原料氣經(jīng)液化冷箱(E-101)降溫節(jié)流后進(jìn)入閃蒸罐(V-101)分離,分離氣相經(jīng)提氦冷箱(E-102)冷凝節(jié)流后作為提氦塔(T-102)中部進(jìn)料;液相進(jìn)入脫氮塔(T-101)脫氮。脫氮塔和提氦塔塔底汽提熱源采用由部分塔底出料物流復(fù)熱后返至塔器塔底的方式獲得,提氦塔和脫氮塔兩塔塔底采用流量控制代替溫度控制,解決了兩塔塔底因溫度控制變化敏感引起的塔運行不穩(wěn)定等問題。提氦塔塔底部分出料經(jīng)節(jié)流后為提氦冷箱提供冷量,復(fù)熱后進(jìn)入液化冷箱冷凝至-150 ℃左右進(jìn)入脫氮塔。該工藝采用混合制冷劑制冷循環(huán)和開式高純氮氣制冷循環(huán),混合制冷劑制冷循環(huán)為主冷箱提供高壓氣相和中壓液相兩股制冷劑;高純氮氣制冷循環(huán)為脫氮塔和提氦塔塔頂提供低溫位的冷量,同時生產(chǎn)部分高純氮氣和液氮。

2 新工藝流程特性及適應(yīng)性分析

2.1 特性分析

新工藝流程采用開式高純氮氣制冷循環(huán)分別為脫氮塔和提氦塔塔頂提供低溫位的冷量,且副產(chǎn)液氮。氮氣制冷循環(huán)制冷劑中氮氣純度(摩爾分?jǐn)?shù),下同)、制冷劑循環(huán)量等不僅影響氦氣回收率及粗氦純度(摩爾分?jǐn)?shù),下同),還影響裝置能耗及冷箱夾點等關(guān)鍵工藝指標(biāo),同時高純氮氣制冷劑循環(huán)量又與外輸?shù)獨猱a(chǎn)品純度相互影響,因此,需對氮氣產(chǎn)品純度、氦氣產(chǎn)品純度、液氮生產(chǎn)量進(jìn)行特性分析。

2.1.1閃蒸罐節(jié)流前溫度及節(jié)流壓力

新工藝設(shè)置低溫低壓閃蒸罐對含氦原料氣進(jìn)行閃蒸濃縮,選取閃蒸罐節(jié)流前溫度區(qū)間為-156～-144 ℃,節(jié)流壓力區(qū)間為200～450 kPa,控制閃蒸罐液相中氦流量不大于0.1 kg/h時,研究閃蒸罐氣相流量、氦氣純度及液相中氦損失量變化規(guī)律。閃蒸罐節(jié)流前溫度及節(jié)流壓力對新工藝的影響見圖2。由圖2可知,在低溫端閃蒸節(jié)流前溫度對閃蒸罐液相氦損失量影響較大,同時閃蒸節(jié)流前溫度越低,節(jié)流壓力越高,閃蒸罐氣相流量越小,氦氣組成濃縮比越大。因此,控制閃蒸罐液相中氦流量不大于0.1 kg/h,選取閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,壓力為350 kPa。

2.1.2提氦塔塔板數(shù)

為設(shè)置合理高效的提氦塔塔板數(shù),選取總塔板數(shù)為6～20塊,以2塊塔板為步長,研究塔板數(shù)對工藝各參數(shù)的影響。提氦塔不同總塔板數(shù)對應(yīng)各塔板溫度的變化見圖3,提氦塔總塔板數(shù)對粗氦產(chǎn)品的影響見圖4。由圖3、圖4可知:當(dāng)總塔板數(shù)大于14塊時,提氦塔的塔板溫度在-157～-135 ℃出現(xiàn)連續(xù)的基本等溫塔板,粗氦產(chǎn)品量、氦回收率及粗氦純度變化不明顯,且造成無用塔板數(shù)增加;當(dāng)總塔板數(shù)小于14塊時,提氦塔塔板溫度變化明顯,氦回收率降低明顯。根據(jù)各曲線變化趨勢確定提氦塔塔板數(shù)宜選取10～14塊,本研究選取12塊。

2.1.3提氦塔壓力

提氦塔壓力不僅影響閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率,也影響氦回收率及粗氦純度,經(jīng)過初步模擬,選取提氦塔壓力為2.0～3.6 MPa。不同提氦塔壓力下提氦塔塔頂冷凝溫度對氦回收率及粗氦純度的影響見圖5。由圖5可知,隨著提氦塔壓力的增加,粗氦純度提高,這是因為提氦塔壓力越高,原料氣更易冷凝,粗氦中氮氣組分就越少,但是粗氦產(chǎn)品量隨之減少、閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率增加、壓縮機(jī)總軸功率增加。同時,提氦塔壓力及提氦塔塔頂冷凝溫度兩個關(guān)鍵參數(shù)對粗氦純度及氦回收率有極大的影響,提氦塔壓力越高、提氦塔塔頂冷凝溫度越低,粗氦純度越高,可調(diào)節(jié)此兩者的相對大小,從而得到所需要的粗氦純度及氦回收率。為保證粗氦純度大于70%和較高的氦氣回收率,故優(yōu)選提氦塔壓力為3.2 MPa,所需閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW。

2.1.4脫氮塔塔板數(shù)

對脫氮塔總塔板數(shù)為6～20塊的8組工況進(jìn)行了研究,脫氮塔塔板數(shù)對產(chǎn)品氣參數(shù)的影響見圖6,脫氮塔不同總塔板數(shù)對應(yīng)塔板溫度的變化見圖7。由圖6、圖7可知,在保證LNG產(chǎn)品中氮氣純度為0.90%的前提條件下,LNG產(chǎn)品量和脫氮塔塔頂?shù)獨夂侩S脫氮塔總塔板數(shù)增加逐漸增加并趨于平緩,當(dāng)脫氮塔總塔板數(shù)低于10塊時,LNG產(chǎn)品量和脫氮塔塔頂?shù)獨夂繙p少明顯,造成脫氮塔塔底復(fù)熱汽提量增加,脫氮塔運行負(fù)荷增加。結(jié)合不同脫氮塔總塔板數(shù)中各塔板溫度變化趨勢(塔板溫度為-155 ℃存在多余無效塔板),綜合根據(jù)脫氮塔塔板溫度變化及LNG和脫氮塔塔頂產(chǎn)品指標(biāo),脫氮塔總塔板數(shù)宜控制在10～14塊,本研究取12塊。

2.1.5開式高純氮氣制冷循環(huán)

開式高純氮氣制冷循環(huán)中高純氮氣制冷劑循環(huán)量與外輸?shù)獨猱a(chǎn)品純度相互影響,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)制冷劑循環(huán)量來生產(chǎn)不同純度的氮氣產(chǎn)品。脫氮塔塔頂制冷劑循環(huán)量對壓縮機(jī)總軸功率及氮氣產(chǎn)品純度的影響見圖8。由圖8可知,當(dāng)制冷劑循環(huán)量小于95 kmol/h時,氮氣產(chǎn)品純度隨制冷劑循環(huán)量增加而顯著增加,最高可達(dá)99.86%,滿足工業(yè)氮氣質(zhì)量要求(φ(N2)≥ 99.2%),可作其他工業(yè)用途[13]。隨制冷劑循環(huán)量增加,氮氣產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)甚至可達(dá)到99.9%,但同時導(dǎo)致工藝裝置壓縮機(jī)總軸功率逐漸增加。

該新型工藝可根據(jù)工藝生產(chǎn)需求和液氮生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性選擇是否自產(chǎn)液氮產(chǎn)品,新型工藝生產(chǎn)的液氮產(chǎn)品可應(yīng)用于粗氦精制、精氦液化等工藝裝置中。液氮生產(chǎn)量對壓縮機(jī)總軸功率及高純氮氣制冷劑循環(huán)量的影響見圖9。由圖9可知,壓縮機(jī)總軸功率和高純氮氣制冷劑循環(huán)量隨液氮生產(chǎn)量的增加呈增加趨勢,生產(chǎn)1.0 m3/h的液氮平均大約需增加150 kW的壓縮機(jī)軸功率。在未生產(chǎn)液氮產(chǎn)品的工況下,高純氮氣壓縮機(jī)軸功率為236 kW。

綜上所述,根據(jù)工藝流程特性分析,新型工藝流程主體工藝優(yōu)化參數(shù)如下:閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,節(jié)流壓力為350 kPa,提氦塔壓力為3 200 kPa,脫氮塔和提氦塔塔板數(shù)均為12塊,此時閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW,高純氮氣壓縮機(jī)軸功率為236 kW。

2.2 適應(yīng)性分析

2.2.1原料氣氮氣純度變化對流程的適應(yīng)性

利用原料氣中氮氣純度分別為4%、9%、15%、20%和25%的含氦原料氣(本研究所用氣質(zhì)對表1中氮氣和甲烷含量進(jìn)行調(diào)整,其余組分含量不變)來研究改進(jìn)工藝流程的氮氣適應(yīng)性。壓力在2～5 MPa 范圍內(nèi),不同氮氣純度原料氣氣液共存區(qū)間和面積存在差異,由于天然氣中甲烷摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上,因此,當(dāng)?shù)獨饧兌仍礁?原料氣氣液共存區(qū)間和面積越大,氮氣純度不同導(dǎo)致提氦塔塔頂高純氮氣制冷劑循環(huán)量、塔底汽提氣進(jìn)料溫度等參數(shù)有所差異,進(jìn)而造成裝置壓縮機(jī)軸功率不同。氮氣和甲烷冷凝特性存在差異,氮氣純度越高,甲烷組分含量越低,不同氮氣純度的原料氣p-t相態(tài)圖見圖10。

根據(jù)不同氮氣純度的含氦原料氣p-t相圖,在冷箱夾點≥3.5℃、氦回收率≥95%的情況下,模擬分析原料氣中氮氣純度對新工藝流程中提氦裝置原料氣流量、氦氣濃縮比、脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料等關(guān)鍵參數(shù)的影響特性。

(1) 氮氣純度對脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料的影響。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38753-2020 《液化天然氣》規(guī)定[14],需要根據(jù)氮氣純度等實際工藝要求調(diào)節(jié)脫氮塔和提氦塔塔底進(jìn)料汽提氣流量和溫度,使得LNG中氮氣純度<1%。氮氣純度對脫氮塔和提氦塔塔底汽提氣流量的影響見圖11(a)。由圖11(a)可知,隨氮氣純度的增加,脫氮塔和提氦塔塔底汽提氣流量不斷增加,且脫氮塔塔底汽提進(jìn)料流量遠(yuǎn)大于提氦塔塔底進(jìn)料流量,這是因為新工藝設(shè)置閃蒸罐明顯濃縮提氦裝置進(jìn)料原料氣,絕大部分原料天然氣經(jīng)閃蒸后由液相進(jìn)入脫氮塔。氮氣純度對脫氮塔和提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度的影響見圖11(b)。由圖11(b)可知,隨原料氣中氮氣純度的增加,提氦塔塔底進(jìn)料溫度不斷降低,脫氮塔塔底進(jìn)料溫度不斷升高,且提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度變化幅度較大,這是因為在保證粗氦產(chǎn)品中氦氣純度基本不變的情況下,提氦塔塔底出料中氮氣純度大幅增加,因此復(fù)熱氣化溫度不斷降低,而在脫氮塔中,為控制LNG產(chǎn)品中氮氣純度,其塔底進(jìn)料物流溫度由-137 ℃升至-120 ℃,其變化幅度(17 ℃)小于提氦塔塔底汽提進(jìn)料溫度變化幅度(35 ℃)。

(2) 氮氣純度對新工藝壓縮機(jī)軸功率的影響。氮氣純度對混合制冷劑、閃蒸氣、氮氣制冷劑壓縮機(jī)軸功率的影響見圖12(a),氮氣純度對新工藝壓縮機(jī)軸功率的影響見圖12(b)。原料氣中氮氣純度從1%增加至25%的過程中,氮氣純度對含氮原料氣濃縮比影響較大,當(dāng)?shù)獨饧兌容^小時,新工藝可將原料氣中氦氣濃縮30倍左右。由圖12可知,新工藝能耗主要由混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率、閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率和高純氮氣制冷劑壓縮機(jī)軸功率組成。當(dāng)原料氣中氮氣純度為1%時,主冷箱制冷負(fù)荷增大,故裝置壓縮機(jī)總軸功率較大。氮氣純度越高,天然氣液化單元混合制冷劑循環(huán)量需求減少,混合制冷劑壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)軸功率減少,脫氮塔和提氦塔塔頂高純氮氣制冷劑需求循環(huán)量、閃蒸氣量均增加,但后者壓縮機(jī)總軸功率遠(yuǎn)小于混合制冷劑所需功率,總體來說,新型工藝對氮氣具有很好的適應(yīng)性。

(3) 氮氣純度對新工藝流程形式的影響。當(dāng)原料氣中氮氣純度較低時,開式氮氣制冷劑制冷循環(huán)制冷量不足,混合制冷劑循環(huán)制冷量增加,同時氮氣純度少時,脫氮塔的設(shè)置多余且工藝流程復(fù)雜錯亂。為確定設(shè)置脫氮塔的氮氣純度,以氮氣純度為1%、2%、3%、4%、5%的原料氣模擬研究未設(shè)置脫氮塔的新工藝簡化流程的氮氣適應(yīng)性。新工藝簡化流程見圖13,簡化流程取消原有脫氮塔,增設(shè)閃蒸罐,即原有閃蒸罐液相在主冷箱內(nèi)降溫后節(jié)流降壓直接作為LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲罐,提氦塔塔底出料經(jīng)節(jié)流膨脹為提氦冷箱提供冷量,然后在主冷箱中降溫進(jìn)入閃蒸罐閃蒸后進(jìn)入LNG儲罐。不同氮氣純度下新工藝簡化流程模擬結(jié)果見表2。

表2 不同氮氣純度下新工藝簡化流程模擬結(jié)果原料氣中氮氣純度/%LNG產(chǎn)品量/(kg·h-1)BOG流量(工況條件)/(m3·h-1)氦回收率/%粗氦純度/%LNG產(chǎn)品中氮氣純度/%壓縮機(jī)總軸功率/kW18 14910998.9574.960.433 66227 99019698.1570.760.733 67137 82726799.2770.650.933 68347 71232698.9670.681.273 68957 55640099.0670.671.463 694

由表2可知,當(dāng)原料氣中氮氣純度為4%時,新工藝簡化流程中LNG質(zhì)量指標(biāo)(LNG產(chǎn)品中氮氣純度為1.27%)不滿足要求。因此,確定氮氣純度≥3%時采用設(shè)置脫氮塔的新工藝流程,氮氣純度<3%時采用新工藝簡化流程。

2.2.2原料氣中氦氣純度變化對流程的適應(yīng)性

選取氦氣純度為0.05%～1.50%的6組不同原料氣(所用氣質(zhì)是對表1中氦氣和甲烷含量進(jìn)行調(diào)整,其余氣體組成不變)來研究新工藝流程對氦氣純度變化的適應(yīng)性。不同氦氣純度下的原料天然氣p-t相圖見圖14。由圖14可知,由于氦氣的存在,原料天然氣增加了高壓及低溫端的p-t相圖區(qū)域,但是在壓力為0～5 MPa范圍內(nèi)有無氦氣的原料氣相圖基本相同,原料天然氣組分分離兩相區(qū)為2～5 MPa。

不同氦氣純度原料氣的改進(jìn)工藝流程模擬結(jié)果見表3,由表3可知,隨原料氣中氦氣純度的增加,LNG產(chǎn)品量不斷減少,但氦氣回收率及粗氦純度逐漸增加,且氦氣純度較少時,粗氦純度隨氦氣純度變化幅度較大。氦氣純度選取0.05%～1.50%新工藝流程均可以保持95%以上的氦回收率,且粗氦純度基本無變化。同時在氦氣純度增加時,新工藝中提氦裝置進(jìn)料原料氣流量、壓縮機(jī)總軸功率不斷增加。

表3 不同氦氣純度原料氣的改進(jìn)工藝流程模擬結(jié)果氦氣純度/%脫氮塔塔頂溫度/℃脫氮塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)脫氮塔塔底汽提氣溫度/℃提氦塔塔頂壓力/kPa提氦塔塔頂溫度/℃提氦塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)提氦塔塔底汽提氣溫度/℃0.05-180.377-1363 200-152.815-1160.30-181.077-1363 200-159.515-1160.55-181.277-1363 200-161.915-1160.80-181.677-1363 200-161.617-1151.10-182.077-1363 200-163.318-1141.50-178.077-1363 200-162.421-114

2.2.3原料氣壓力變化對流程的適應(yīng)性

為研究新工藝對原料氣壓力條件的適應(yīng)性,選用3 500 kPa、4 000 kPa、4 500 kPa、5 000 kPa和5 500 kPa 5組壓力模擬研究工藝特性。在保證原料氣中氦氣濃縮比基本不變的情況下,隨著原料氣壓力增大,提氦裝置原料氣的流量略有增加;原料氣壓力對混合制冷劑循環(huán)量及壓縮機(jī)軸功率的影響見圖15,原料氣壓力變化基本不影響提氦裝置工藝能耗,但隨著原料氣壓力的增加,混合制冷劑循環(huán)量、壓縮機(jī)軸功率不斷減小。這是因為壓力越高,天然氣臨界液化溫度越高,原料天然氣更容易被液化,天然氣液化單元系統(tǒng)需要的冷量減少[15-16]。

3 混合制冷劑制冷工藝參數(shù)優(yōu)化

本研究設(shè)計規(guī)模為30×104m3/d,屬于小規(guī)模天然氣液化工藝,混合制冷劑制冷方式已廣泛應(yīng)用于中小型液化工廠[17-18]?；旌现评鋭┲评涫峭ㄟ^混合制冷劑中不同組成的配比和壓力溫度的優(yōu)化選擇,實現(xiàn)制冷劑與液化天然氣換熱曲線匹配,在滿足夾點要求的情況下,最小化冷熱流之間的幾何傳熱溫差,充分換冷以減少制冷劑壓縮機(jī)的功耗[19-20]。

3.1 優(yōu)化方法

遺傳算法是基于生物學(xué)中的遺傳和進(jìn)化理論提出來的,把實際問題的解比作染色體,通過染色體的選擇、交叉、變異生成更多的子代染色體,通過不斷進(jìn)化最終獲得全局最優(yōu)解,被普遍認(rèn)為是可以獲得最優(yōu)化或者接近最優(yōu)化結(jié)果[21-22]。

3.2 新工藝流程優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用遺傳算法對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,需要根據(jù)實際工程冷箱換熱情況等為優(yōu)化工藝設(shè)置約束條件等參數(shù),主要明確優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、決策變量及約束條件等。

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

由于混合制冷劑制冷系統(tǒng)中絕大部分的能量損耗來自增壓壓縮機(jī)的電能用量,故混合制冷劑制冷工藝循環(huán)優(yōu)化的目的是降低混合制冷劑制冷壓縮機(jī)軸功率,總能耗W定義為改進(jìn)工藝流程的混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率總和,其表達(dá)式如式(1)所示。

W=WC-1+WC-2

(1)

式中:W為混合制冷劑增壓壓縮機(jī)軸功率總和,kW;WC-1為混合制冷劑一級增壓壓縮機(jī)軸功率,kW;WC-2為混合制冷劑二級增壓壓縮機(jī)軸功率,kW。

3.2.2決策變量

混合制冷劑制冷系統(tǒng)決策變量包括制冷劑冷凝溫度、蒸發(fā)壓力、制冷劑各組分流量等變量,混合制冷劑制冷工藝各參數(shù)稍有不同,各制冷工藝決策變量及其取值范圍見表4。

表4 混合制冷劑制冷工藝流程決策變量及其取值范圍參數(shù)下限值上限值級間壓力/kPa8001 500末級壓力/kPa2 0003 000蒸發(fā)壓力/kPa200500一級冷凝溫度/℃-70-20二級冷凝溫度/℃-160-150混合制冷劑流量/(kmol·h-1)N257.6421.2CH4298.8658.8C2H4309.6669.6C3H8230.4590.4iC5H12198.0558.0

3.2.3約束條件

在換熱冷箱設(shè)計中,夾點溫差越小,熱回收量越多,則工藝運行中所需的加熱和冷卻公用工程量越少。但夾點溫差越小,冷箱換熱面積越大,從而造成冷箱投資費用增加[22]。故此次優(yōu)化中需滿足冷箱夾點不小于3.5 ℃的要求,其表達(dá)式如式(2)所示。

Δtmin,E-101≥3.5

(2)

式中:Δtmin,E-101為液化冷箱E-101的換熱夾點,℃。

為滿足換熱冷箱夾點小于3.5 ℃時的不符合實際運行情況,因此需要引入懲罰函數(shù)g(x),其表達(dá)式如式(3)所示。則目標(biāo)函數(shù)值被調(diào)整為W’=Wg(x)。

g(x)=e3.5-Δtmin,E-101

(3)

3.3 優(yōu)化結(jié)果

混合制冷劑制冷工藝優(yōu)化結(jié)果見圖16,遺傳算法種群大小和最大進(jìn)化代數(shù)分別設(shè)置為100代,交叉概率為0.70,變異概率為0.01,選擇方法采用隨機(jī)遍歷抽樣法。利用遺傳算法對混合制冷劑制冷工藝中混合制冷劑配比等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化得到制冷工藝最低的壓縮機(jī)軸功率消耗為3 485 kW?；旌现评鋭┲评涔に囘^程最終優(yōu)化得到的工藝參數(shù)見表5。

表5 混合制冷劑制冷工藝最優(yōu)工藝參數(shù)最優(yōu)工藝參數(shù)數(shù)值級間壓力/kPa1 341末級壓力/kPa2 767蒸發(fā)壓力/kPa339一級冷凝溫度/℃-48.7二級冷凝溫度/℃-158.3混合制冷劑流量/(kmol·h-1)(混合制冷劑氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)/%)N2212.92(12.3 598)CH4323.43(18.7 750)C2H4555.58(32.2 510)C3H8295.85(17.1 741)iC5H12334.89(19.4 401)合計1 722.67(100)

3.4 新工藝綜合能耗分析

綜合上述對主體工藝參數(shù)及混合制冷系統(tǒng)兩部分的優(yōu)化,得到提氦塔和脫氮塔塔板數(shù)均為12塊,新工藝流程優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果見表6。由表5、表6可知,混合制冷劑壓縮機(jī)一級和二級最優(yōu)增壓壓力分別為1 341 kPa和2 767 kPa,混合制冷劑循環(huán)量增加約為1 723.0 kmol/h,高純氮氣壓縮機(jī)軸功率為236 kW,閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率為44 kW,混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率為3 485 kW,則壓縮機(jī)總軸功率為3 765 kW。優(yōu)化后氦氣回收率大于98%,粗氦純度大于70%,現(xiàn)有工藝流程中氦氣回收率均能達(dá)到90%以上,但粗氦純度較低,大部分流程粗氦純度在60%以下?？紤]到原料氣氣質(zhì)、流程形式、所得粗氦產(chǎn)品純度等差異,對各流程不做能耗對比[23]。

表6 新工藝流程優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果項目數(shù)值閃蒸罐節(jié)流前冷凝溫度/℃-150閃蒸罐閃蒸壓力/kPa350脫氮塔塔頂壓力/kPa350脫氮塔塔頂溫度/℃-183.4脫氮塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)90脫氮塔塔底汽提氣溫度/℃-133提氦塔塔頂壓力/kPa3 200提氦塔塔頂冷凝溫度/℃-176提氦塔塔底汽提氣流量/(kmol·h-1)15提氦塔塔底汽提氣溫度/℃-115去外輸?shù)獨饬髁?(kmol·h-1)27氮氣純度/%99.88開式高純氮氣制冷劑循環(huán)量/(kmol·h-1)100混合制冷劑循環(huán)量/(kmol·h-1)1 900混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率/kW3 485閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率/kW44高純氮氣壓縮機(jī)軸功率/kW236壓縮機(jī)總軸功率/kW3 765氦氣回收率/%98.68氦氣產(chǎn)品純度%70.63LNG流量/(kg·h-1)7 627.0

由于壓縮機(jī)、水冷器采用不同獲取代價的能源供能,因此不能將不同設(shè)備的能耗用功率簡單比較。采用GB/T 2589-2020 《綜合能耗計算通則》中綜合能耗的評價方法對改進(jìn)工藝流程的工藝裝置能耗進(jìn)行量化評價。綜合能耗計算公式見式(4)。

(4)

式中:E為綜合能耗,kW;n為消耗的能源品種數(shù),個;ei為生產(chǎn)和服務(wù)活動中消耗的第i種能源量(含能耗工質(zhì)消耗的能源量),kW;pi為第i種能源的折算系數(shù),無量綱。

工藝流程中有壓縮機(jī)和水冷器能量消耗,假設(shè)所有壓縮機(jī)均采用電供能、水冷器采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻,電能折算系數(shù)取11.84;冷卻水折算系數(shù)取4.17。優(yōu)化后新工藝流程的綜合能耗計算結(jié)果見表7。

表7 優(yōu)化后新工藝流程的綜合能耗計算結(jié)果工藝流程高純氮氣壓縮機(jī)軸功率/kW閃蒸氣壓縮機(jī)軸功率/kW混合制冷劑壓縮機(jī)軸功率/kW冷卻水用量/(t·d-1)綜合能耗/(MJ·d-1)單位能耗/(MJ·m-3)優(yōu)化后236443 4856 4741 097 216.003.66

4 結(jié)論

新工藝集成了天然氣液化、脫氮與提氦工藝,簡化了工藝流程,提氦塔和脫氮塔兩塔塔底采用流量控制代替溫度控制,解決了兩塔塔底因溫度控制變化敏感引起的塔運行不穩(wěn)定等問題,提高了系統(tǒng)熱集成度;氦氣回收率與粗氦產(chǎn)品純度高,且回收率可調(diào),流程適應(yīng)性強(qiáng);高純氮氣制冷劑來源于天然氣,且可獲得高純氮氣及液氮。模擬分析結(jié)果如下:

(1) 隨著高純氮氣制冷劑循環(huán)量增加,可生產(chǎn)純度達(dá)到99.9%的高純氮氣產(chǎn)品,同時高純氮氣通過冷卻得到液氮產(chǎn)品,但壓縮機(jī)總軸功率也增加。

(2) 新工藝對原料氣中氮氣、氦氣純度變化及原料氣壓力均有很強(qiáng)的適應(yīng)性,原料氣壓力越高,氮氣和氦氣純度越低時,新工藝流程壓縮機(jī)總軸功率和越低。但是當(dāng)?shù)獨饧兌刃∮?%時,出于經(jīng)濟(jì)考慮,可用閃蒸罐取代脫氮塔的新工藝簡化流程。

(3) 綜合優(yōu)化可得閃蒸罐節(jié)流前溫度為-150 ℃,節(jié)流壓力為350 kPa,提氦塔壓力為3 200 kPa,脫氮塔和提氦塔塔板數(shù)均為12塊,混合制冷劑壓縮機(jī)一級和二級最優(yōu)增壓壓力分別為1 341 kPa、2 767 kPa,混合制冷劑循環(huán)量為1 722.7 kmol/h,壓縮機(jī)總軸功率為3 765 kW,冷卻水用量為6 474 t/d,綜合能耗及單位能耗分別為1 097 216.00 MJ/d和3.66 MJ/m3。