基于层次分析法优化天然气净化工艺

薛勇勇，刘阳，刘琳琳，，田硕，都健（大连理工大学化工学院化工系统工程研究所，辽宁 大连 604；大连理工大学环境学院工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁 大连 604）



研究开发

基于层次分析法优化天然气净化工艺

薛勇勇1，刘阳1，刘琳琳1，2，田硕1，都健1
（1大连理工大学化工学院化工系统工程研究所，辽宁 大连 116024；2大连理工大学环境学院工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）

摘要：为了避免杂质腐蚀设备或因低温冻结而堵塞换热器，天然气在进入液化装置前需对其进行净化处理，即脱除天然气中的酸性气体（CO2、H2S）和水分。本文选用二乙醇胺（DEA）法脱除天然气中的酸性气体，用三甘醇（TEG）法脱除天然气中的水分，通过耦合DEA法和TEG法得到最终天然气净化工艺，且达到净化指标要求。但由于工程手册只能给出工艺参数的大概范围，尚无法得到最优的工艺方案，因此本文首先应用化工模拟软件HYSYS 8.4对天然气工艺过程进行模拟计算，然后在工艺参数推荐范围内设定9组推荐方案，引入系统评价方法中的层次分析法，并基于Matlab程序计算，对9组推荐方案进行多目标综合评价，最终确定最优的净化组合方案。本文可为天然气净化工艺和其他工艺方案的优选提供指导。

关键词：天然气净化；DEA法脱酸；TEG法脱水；工艺优化；层次分析法

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

天然气为一种清洁、优质的能源，被誉为“21世纪能源”［1］，经液化后体积大大缩小，便于储存和运输，特别是在没有输气管网的地区，液化天然气起到调峰作用，因此需大力发展液化天然气工业。而原料天然气在进入液化装置前一般都不可避免含有CO2、H2S等酸性组分，而酸性天然气腐蚀性强且容易堵塞管道，为了满足天然气液化预处理指标，原料天然气必须经过净化装置脱除其中的酸性组分［2］。因此本文针对天然气的液化预处理工艺展开研究，以天然气净化工艺为研究对象，综合考虑用能工艺的能源利用率和环境保护等。

在评价天然气净化工艺时，考虑到工艺评价的多目标性及复杂性，仅以单一目标如净化效果为评价标准，已不能满足工艺生产的需求，往往需同时考虑净化效果、能量利用率、填料塔稳定性、投资费用等多个因素。宋建军等［3］在2001年采用塔设备性能四因素模糊工业评价法对塔设备进行了综合分析，此文章仅针对单元设备进行了分析，并不能完全反映整个工艺过程的综合性能。张春等［4］在2012年采用五因素模糊工业评价法对MDEA/DEA混合胺液脱酸气工艺进行了优选，但此方法对权重的选取具有较强的主观性。

相比模糊综合评价法，层次分析法更适用于定性和定量兼有的决策分析方法，且减弱了主观判断。且本文脱酸工艺需满足天然气液化工艺的净化指标，经过模拟分析，MDEA法虽然能耗较DEA法低，但仅能达到管输天然气的要求，却无法达到液化天然气预处理的要求［5］。因此，本文引入层次分析法对耦合DEA法和TEG法的天然气净化工艺进行了优化，综合分析了净化效果、能量利用率、填料高度等多个评价指标对工艺的影响，寻求最佳工艺方案。

1 建立净化工艺模型

图1所示为典型的天然气净化工艺流程简图。其中，（a）为天然气DEA法脱酸工艺流程，（b）为天然气TEG法脱水工艺流程。本文利用化工模拟软件HYSYS8.4对净化流程进行模拟，在DEA法脱酸工艺物性包选取中，针对醇胺溶液特点，采用醇胺物性包（amines property package）［2］；由于 PR （Peng-Robinson）状态方程具有广泛的适用性及较高的精度，尤其在TEG法脱水的气液平衡模型中表现出良好的收敛性及较高的精度，因此TEG法脱水工艺选用PR状态方程［6］。

表1 原料天然气组成

图1 典型的天然气净化过程

已知原料天然气的流量为2000kmol/h，温度为37.8℃，压力为3.5MPa，组成如表1所示。如图1中流程所示，原料天然气首先进入 DEA吸收塔脱除CO2和H2S，脱酸后的气体随后进入TEG吸收塔脱除H2O，以达到净化指标。DEA吸收塔塔底的富流股进入闪蒸塔进行闪蒸，将其中的轻组分（如CH4等）蒸出后，通过贫-富液换热器加热，进入解吸塔，解吸后的酸气从塔顶脱除，塔底得 DEA贫液。贫液与补充液混合，通过泵打入DEA吸收塔塔顶，循环使用。而TEG吸收塔塔底的富流股则直接由节流阀降压后通过贫-富液换热器加热进入解吸塔，水从塔顶脱除，塔底得TEG贫液，同样返回到TEG吸收塔循环使用。经过上述净化流程，天然气干气中的酸性气体和水含量应满足如下预处理指标［7］，CO2，50～100μL/L；H2S，4μL/L；H2O，0.5～1μL/L。本文重点考察了吸收温度、压力两个工艺参数的变化，在此基础上，为满足净化指标且尽量保持产品中CO2含量不变，模拟过程中其他参数会随之调整。结合工程手册，表2中列出了净化过程吸收塔温度、压力的推荐范围［7］。在此范围内，本文在保证工艺参数满足生产的需求下，选择了如表3所示覆盖整个推荐范围，有代表性的9组脱酸、脱水组合方案，并利用化工模拟软件 HYSYS 8.4对这些组合方案分别进行了模拟与分析。影响天然气净化工艺的焓值计算得到有效能损失；基于化工模拟软件指标有很多，但本文模拟过程重点考察了影响天然气净化工艺整体性能的五项指标。净化效果、初始投资中各项指标的计算方法如下，根据模拟过程的流股信息直接获得 H2S的净化效果；根据流股信息熵、HYSYS 8.4和内嵌软件Aspen Economic Evaluation计算得到初始投资费用与操作费用；而填料塔高度是由塔设计过程计算获得，本文考察所有塔（吸收塔、解吸塔）的整体稳定性，塔器类型均选用规整填料塔，填料类型为Mellapac 250Y［4］。上述9个组合方案对应的指标计算结果列于表4。在此基础上，本文将采用层次分析法对9组方案进行综合评价，有效地选出最优的操作参数。

2 基于层次分析法的方案优化

层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）属于系统分析方法的一种，是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法［8］。它适用于多目标决策，用于存在多个影响指标的情况下，评价各方案的优劣程度。一般而言，层次分析法都要经历如图 2所示的构建递阶层次结构、建立判断矩阵、对判断矩阵进行一致性检验、层次单排序、层次总排序以及分析结果进行决策等步骤，本文采用层次分析法对上述9种方案进行综合评价优选，能够有效获得最优的操作参数。

2.1 建立递阶层次结构

层次分析法将要决策的问题分为目标、准则、方案3个层次，在此基础上进行定性及定量分析［9］。结合模拟所得数据，本研究将净化工艺优选作为目标层A；将直接体现工艺根本目标的净化效果、表示工艺建设成本的初始投资费用、体现操作成本的能量消耗费用、对方案节能起到指导的能量利用率以及评估塔稳定性的填料塔高度作为准则层B；将9组方案作为方案层 C。所建立的递阶层次结构如图3所示。

2.2 建立判断矩阵

对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，建立判断矩阵［8］。

目标层A与准则层B之间判断矩阵的建立采用1～9比例标度法，如表5所示［8］。根据准则层各部分的相对重要程度不同，进行两两比较，将定性描述转化为定量计算。而准则层B与方案层C之间的判断矩阵则由表4对比得出。

图2 层次分析法的建模步骤

表2 工艺推荐参数

表3 不同工艺参数组合方案

图3 层次分析法的递阶层次结构

表4 9组方案各项评价指标计算结果

表5 1～9标度含义

以 A、B间的判断矩阵为例，由于环境排放标准以及能量利用率是目前我国化工工业生产必须考虑的两个重点内容，将其重要性定为强，等级为5；而初始投资费用以及能耗费用较其次之，将其重要性定为较强，等级为 3；填料塔高度表示填料稳定性，反应塔设备的抗风能力、稳定运行能力，本文中操作条件下其影响较小，重要性设置为相等，等级为 1。则对应的判断矩阵为如下所示。

2.3 求解相对权重并一致性检验

单一准则下，由比较矩阵导出元素相对排序权重的方法有多种，本文采用特征根法对判断矩阵进行求解，得出相对权重。

将权重向量ω右乘权重比较矩阵A，得式（1）。

式中，λ为判断矩阵的特征值矩阵，其最大值λmax存在且唯一，ω的分量均为正分量。最后将求得的权重向量作归一化处理即为所求。

以A、B间判断矩阵为例，经Matlab程序计算，其相对权重为:ω=（0.2941，0.1765，0.1765，0.2941，0.0588）

2.4 求解合成权重并得出评价结论

为了实现评价工艺方案的最终目的，需要按照由上至下的顺序对各层次判断矩阵的相对权重进行求解，最终将两个层次合并求解出合成权重，结果如表6所示。

表6 工艺方案合成权重

由表6定量分析可知，方案5的权重最大，为最优工艺方案，而方案4和方案5的权重相差不大，可作为备选方案。结合表4分析，方案5的评价指标如净化效果、有效能损失及填料塔高度和其他方案相比，均处于平均水平，而投资费用和操作费用则均最小，因此综合考虑各评价指标，最优方案为方案5的决策合理，能够证明定量分析结果的准确性。其对应操作参数为:DEA脱酸工艺操作压力为4.0MPa，操作温度为37.8℃；TEG脱水工艺操作压力为4.7MPa，操作温度为24.4℃；净化气中H2S含量为3.9μL/L；初始投资费用1.19×107USD/a，操作费用1.49×107USD/a；有效能损失11031kW；填料塔高度64.11m。

3 结 论

（1）采用耦合DEA法脱酸和TEG法脱水的净化方案对天然气进行净化，且利用化工模拟软件HYSYS 8.4对该工艺进行稳态模拟。在参数推荐范围内，分别模拟获得了9组天然气净化方案的5个评价指标，即净化效果、初始投资费用、操作费用、有效能损失、填料塔高度。

（2）采用层次分析法综合考虑5个评价指标，对9组天然气净化方案进行综合评价。由于方案5的合成权重为0.1225，所占权重最大，故为最优方案。而方案4的权重与方案5相比相差不大，可作为备选方案。其中，方案5对应操作参数为:DEA法脱酸工艺操作压力为4.0MPa，操作温操作温度为37.8℃。本文可为天然气净化工艺和其他工艺方案的优选提供指导。

参 考 文 献

［1］ LIM Wonsub，CHOI Kwangho，Moon Il. Current status and perspectives of liquefied natural gas（LNG）plant design. ［J］. Ind. Eng. Chem. Res.，2013，52:3065-3088.

［2］ 李奇，姬忠礼，段西欢，等. 基于HYSYS和GA的天然气净化装置用能优化［J］. 天然气工业，2011，31（9）:102-106.

［3］ 宋建军，田原宇. 塔设备性能的工业四因素模糊评价法及其应用［J］.太原理工大学学报，2001，32（5）:518-519.

［4］ 张春，姜岩，张卫敏. 天然气脱酸气工艺方案优选研究［J］. 现代化工，2012（12）:96-99.

［5］ 刘阳. 小型天然气装置净化及液化流程模拟与优化［D］. 大连:大连理工大学，2015.

［6］ 陈宏福. 天然气三甘醇脱水系统模拟分析［J］.新疆石油天然气，2014，10（2）:96-99.

［7］ KLINKENBIJL J，GROOTJANS，H，RAJANI J B. Best practice for deep treating sour natural gases （to LNG and GTL）［C］//GasTech 2005 Conference and Exhibition，Bilbao，Spain，2005.

［8］ 赵予新，邵赛娜. 基于层次分析法的粮食供应链整合的影响因素分析［J］. 粮食科技与经济，2015（3）:16-19.

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

中图分类号：TE 644

文献标志码：A

文章编号：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。

基金项目：国家自然科学基金（21406026）及辽宁省自然科学基金（2014020007）项目。