三甘醇脫水裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)技術(shù)分析

摘 要

摘要：三甘醇(TEG)脫水工藝是目前國(guó)內(nèi)外天然氣凈化中應(yīng)用最廣泛的脫水工藝。為有效降低裝置能耗，應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)TEG脫水裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化分析，運(yùn)用HYSYS流程模擬軟件模
摘要：三甘醇(TEG)脫水工藝是目前國(guó)內(nèi)外天然氣凈化中應(yīng)用最廣泛的脫水工藝。為有效降低裝置能耗，應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)TEG脫水裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化分析，運(yùn)用HYSYS流程模擬軟件模擬TEG脫水流程，并從模擬工藝數(shù)據(jù)中提取參與換熱的冷、熱物流物性數(shù)據(jù)，應(yīng)用溫一焓圖、柵格圖和問題表格法等夾點(diǎn)分析技術(shù)對(duì)TEG脫水流程的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，找到裝置用能的“瓶頸”——冷、熱物流傳熱溫差過大，阻礙熱量進(jìn)一步回收。綜合分析溫一焓圖和TEG再生王藝，發(fā)現(xiàn)通過提高富TEG溶液換熱后溫度，可以降低物流傳熱溫差，增加熱量回收。對(duì)比優(yōu)化前后天.然氣TEG脫水裝置的工藝流程，HYSYS模擬所得能耗數(shù)據(jù)表明優(yōu)化后脫水裝置TEG再生器加熱負(fù)荷降低了39.40%，問題表格法計(jì)算優(yōu)化后貧TEG溶液冷卻量減少了156.20kW。
關(guān)鍵詞：天然氣凈化；TEG脫水；夾點(diǎn)分析；換熱網(wǎng)絡(luò)；HYSYS模擬；能耗
    目前天然氣脫水裝置主要采用設(shè)備節(jié)能技術(shù)改進(jìn)和先進(jìn)工藝來降低裝置能耗[1]。夾點(diǎn)技術(shù)(PinchTechnology)[2～3]作為一種成熟的過程系統(tǒng)用能分析方法，在過程工業(yè)中已取得顯著的節(jié)能效果[4]。現(xiàn)在將夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于天然氣TEG脫水流程的換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化，以提高裝置的能量利用效率。
1 TEG脫水流程換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析
    應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)處理量為200×104m3/d天然氣凈化廠的TEG脫水流程的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。
1.1 TEG脫水裝置換熱流程
    圖1所示為天然氣TEG脫水工藝流程。其主\要換熱物流為富TEG溶液和貧TEG溶液。
 
    吸收塔C-1301底部排出的富TEG溶液經(jīng)TEG再生器H-1301頂部盤管E-1302與再生氣換熱升溫后進(jìn)入閃蒸罐D(zhuǎn)-1302閃蒸，閃蒸后的富TEG液經(jīng)過濾器F-1301除去雜質(zhì)后，進(jìn)入貧/富液換熱器E-1303與再生后的高溫貧TEG溶液進(jìn)行換熱，換熱升溫后進(jìn)入TEG再生器H-1301再生。從再生器緩沖罐D(zhuǎn)-1303流出的高溫貧TEG溶液，經(jīng)貧/富液換熱器E-1303換熱降溫后由TEG循環(huán)泵P-1301升壓至貧液冷卻器E-1301進(jìn)一步冷卻，滿足脫水工藝要求的TEG貧液送至吸收塔C-1301頂部。
1.2 天然氣TEG脫水工藝流程模擬
應(yīng)用HYSYS模擬TEG脫水流程，得到換熱過程所涉及各物流數(shù)據(jù)，以進(jìn)行夾點(diǎn)分析。圖2為天然氣TEG脫水工藝HYSYS模擬流程圖。
 
流程模擬的熱力學(xué)模型選用Peng-Robinson狀態(tài)方程。TEG吸收塔設(shè)置5層理論塔板，從第2層到4層的板效率設(shè)為0.5，塔頂和塔底的板效率設(shè)為1，以保證產(chǎn)品氣出塔時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。再生塔采用帶塔底重沸器的精餾塔模型，塔頂安裝一個(gè)全回流冷凝器。表1為模擬輸入工藝數(shù)據(jù)。
表1 輸入模擬工藝數(shù)據(jù)表
設(shè)備
項(xiàng)目
數(shù)值
單位
原料氣
流量
3501.2
kmol/h
壓力
4550
kPa
溫度
39.3
℃
吸收劑
流量
28.6
kmol/h
溫度
50.3
℃
壓力
4550
kPa
質(zhì)量分?jǐn)?shù)
98.8
%
閃蒸罐
壓力
120
kPa
再生塔
壓力
100
kPa
壓降
10
kPa
富液進(jìn)塔溫度
113.5
℃
補(bǔ)充TEG
溫度
25
℃
壓力
110
kPa
1.3 提取物流數(shù)據(jù)
    從HYSYS模擬數(shù)據(jù)中提取參與換熱的物流溫度、熱負(fù)荷、熱容流率等數(shù)據(jù)。TEG脫水流程換熱網(wǎng)絡(luò)所涉及的冷、熱物流主要有：貧TEG溶液(H1)、再生氣(H2)和富TEG溶液(C1)。表2為換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)。
表2 換熱網(wǎng)絡(luò)物流數(shù)據(jù)表
物流
起始溫度(℃)
終點(diǎn)溫度(℃)
熱負(fù)荷(kW)
熱容流率(kW/℃)
C1
42.81
113.50
164.70
2.33
H1
203.70
50.30
340.50
2.22
H2
142.20
95.50
72.85
1.56
1.4 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)分析
    設(shè)定最小允許傳熱溫差△Tmin=20℃，圖3為天然氣TEG脫水工藝流程換熱過程溫焓(T-H)圖。
    表3為應(yīng)用問題表格法計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)所需公用工程量和夾點(diǎn)位置。換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)位于193.70℃，加熱量為0kW，冷卻量為248.10kW。
 
   從圖3中可以看出，冷、熱物流的傳熱溫差遠(yuǎn)大于20℃，阻礙熱量進(jìn)一步回收，可認(rèn)為此處是換熱網(wǎng)絡(luò)用能的“瓶頸”所在。
    仔細(xì)觀察T-H圖可知，如果將冷物流組合曲線向左平移，則可以減小物流的傳熱溫差；同時(shí)提高冷物流的換后終點(diǎn)溫度，則可以增加換熱過程熱能回收量；從工藝上分析，提高冷物流(富TEG溶液)進(jìn)TEG再生器的溫度，可以減少TEG再生器再生所需熱量。通過上述分析，找到解除“瓶頸”的方法，即降低換熱物流間的傳熱溫差，提高TEG富液換熱后溫度。
1.5 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
    在滿足物流間最小傳熱溫差條件下，通過優(yōu)化算法可得冷物流(C1)換熱后的最高溫度為180.90℃。
    圖4為富TEG溶液升溫后的T-H圖。從圖中可以看出，物流之間的傳熱溫差明顯減少，換熱過程熱量回收量加大，公用工程冷卻量大幅減小。
 
    根據(jù)升溫后的物流數(shù)據(jù)，再用問題表格法計(jì)算得到升溫后的夾點(diǎn)位置為132.18℃，所需的冷卻量為91.86kW。
根據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則[5]，構(gòu)建最大能量回收換熱網(wǎng)絡(luò)(MER)，將C1物流按熱容流率分成0.92kW/℃(C1-1)和1.41kW/℃(C1-2)兩股物流，C1-1物流通過換熱器E-1302與再生氣(H2)換熱到122.20℃，C1-2物流通過新增換熱器與貧TEG溶液(H1)換熱到122.20℃，然后兩股物流合并成一股通過換熱器E-1303與貧TEG溶液(H1)換熱到180.90℃，貧TEG溶液(H1)剩余熱量通過冷卻器E-1301將其溫度從91.7℃降到50.2℃。圖5、6為優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)柵格圖和工藝流程圖。
 
    根據(jù)優(yōu)化后天然氣TEG脫水流程工藝參數(shù)，應(yīng)用HYSYS模擬得到TEG再生塔的熱負(fù)荷為284.60kW，相對(duì)優(yōu)化前的469.40kW，降低了39.40%。貧TEG溶液冷卻負(fù)荷減少了156.20kw。
    換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，換熱器E-1302和E-1303的換熱負(fù)荷及換熱物流溫度均有較大變化，需要重新校核計(jì)算，以滿足工藝要求。
2 結(jié)論
    應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)天然氣TEG脫水裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，確定出物流間傳熱溫差過大是阻礙提高換熱網(wǎng)絡(luò)熱量回收的“瓶頸”。依據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則及TEG脫水工藝原理，提高了富TEG溶液進(jìn)再生器溫度，優(yōu)化了物流換熱流程。通過HYSYS模擬表明優(yōu)化后TEG再生器的負(fù)荷大幅降低，公用工程冷卻水用量明顯減少，大幅提高了天然氣TEG脫水裝置的能量利用效率。
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(本文作者：李奇1 姬忠禮1 張德元2 詹釗1 1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院)