天然气脱硫工艺的动态模拟与能耗分析

黄 超 戴一阳 代长春

1. 四川大学化学工程学院, 四川 成都 610065;2. 四川鸿鹏新材料有限公司, 四川 遂宁 629300

0 前言

脱硫作为天然气净化过程中最重要的工艺环节之一,可以脱除天然气中的酸性气体(H2S和CO2),避免其对人体造成的伤害和对运输管道的腐蚀,并且可在一定程度上提升天然气的热值,而甲基二乙醇胺(MDEA)脱硫工艺是目前中国最常见的脱硫工艺[1-3]。中国学者对MDEA脱硫工艺优化进行了全面研究,涉及MDEA脱硫工艺参数优化[4-5]、MDEA溶液发泡处理[6]和MDEA回收再利用[7]等,促使MDEA脱硫工艺成为了最成熟的脱硫工艺。而脱硫单元能耗依然占据了天然气净化装置能耗的很大一部分。对于天然气脱硫工艺的稳态运行过程,有研究通过ProMax、HYSYS等专业软件建立了能效模型,分析脱硫单元的运行能耗,明确了其中主要的能耗设备,如胺液泵、再生塔重沸器、胺液冷却器等[8-11]。但是,目前对于脱硫单元过渡态过程能耗分析的研究还很少。而过渡态过程作为动态操作过程,受时间、环境以及操作人员经验的影响,不确定性较强,且过渡态过程中能耗的波动较大,使设备无法正常运行,影响设备的安全运行和生产。

近年来,过程动态模拟技术[12-15]在化工装置过渡态过程的研究中得到了越来越多的应用[16-20]。本文针对某天然气净化厂的脱硫单元,应用HYSYS软件建立了脱硫动态模型,并通过添加天然气进料状态(流量、温度)扰动,模拟脱硫单元的过渡态过程,分析天然气脱硫单元总能耗在过渡态过程中的变化。

1 天然气脱硫工艺

某天然气净化厂处理量为300×104m3/d,其脱硫单元采用MDEA化学吸收法,用质量分数50%的MDEA溶液脱除天然气中H2S和CO2。某天然气净化厂脱硫单元工艺流程见图1，进料参数见表1。

表1 某天然气净化厂进料参数表

酸性天然气经过滤分离器(SR-101)脱除携带的液体及固体颗粒,过滤后的酸性天然气进入一级吸收塔(C-101),塔内设7层塔板,部分脱硫后的天然气进入水解部分脱除COS。气体首先通过水解反应器进出料换热器(E-109)与水解反应器(R-101)出口气体换热升温至124 ℃。换热升温后的气体与升压后的凝结水混合,然后进入水解反应器入口分离器(D-106)分离出携带的胺液及未汽化的水。分离了胺液并饱和了水蒸气的天然气由水解反应预热器(E-107)加热至140 ℃,加热后的天然气进入水解反应器。离开水解反应器的气体经水解反应器进出料换热器降温至72.5 ℃后进入水解反应器出口空冷器,进一步冷却至50 ℃后进入二级吸收塔(C-102),塔内设11层塔板。脱硫后的天然气分离出携带的胺液后进入天然气脱水单元。

两级主吸收塔采用级间冷却技术,在第二级主吸收塔底部用中间胺液泵(P-106)抽出胺液,与半富胺液混合后进入中间胺液冷却器(E-105),冷却至39 ℃后返回第一级主吸收塔顶部。从第一级主吸收塔底部出来的富胺液进入富胺液透平减压膨胀后进入富胺液闪蒸罐(D-102),在罐内闪蒸出所携带的轻烃,并在闪蒸气吸收塔(C-103)中用补充胺液吸收闪蒸气中可能携带的H2S。

闪蒸后的富胺液由罐底流出,与来自再生塔的贫胺液在贫富胺液换热器(E-101)内进行换热,升温至105 ℃后进入胺液再生塔(C-104),塔顶酸性水送往下游装置。塔底再沸器(E-104)出来的高温贫胺液经贫胺液泵(P-102A/B)升压后进入贫富胺液换热器,换热降温至70 ℃,然后进入贫胺液空冷器(A-101)进一步冷却至55 ℃。冷却后的贫胺液进入贫胺液后冷器(E-106),冷却至39 ℃后经高压贫胺液泵(P-101A/B)送入第二级主吸收塔。

2 脱硫单元的HYSYS软件稳态和动态模拟

2.1 稳态模拟

该净化厂采用了MDEA脱硫工艺,为使模拟结果与实际运行数据相符,在HYSYS软件中选用Acid Gas-Chemical Solvent物性方法对天然气脱硫单元进行模拟。由实际设备参数及工艺说明推导,设置模拟参数初值。再通过模拟结果与实际装置运行数据的校正,确定关键设备参数设置，见表2。模拟得到主要设备稳态模拟数据与工厂运行数据比较结果见表3。

表2 脱硫单元主要设备操作参数表

表3 主要设备稳态模拟数据与工厂运行数据比较结果表

2.2 动态模拟

通常而言,天然气原料气进料流量会随上游工艺处理情况变化而产生波动。在实际操作过程中,若天然气进料流量改变,胺液循环量也随之改变。天然气进料流量增加,会使重沸器蒸汽耗量变化,同时溶液循环泵负荷增加,公用工程的循环水、电力等工质消耗量也会增大,脱硫单元总能耗增加。

天然气进料温度改变对于脱硫单元而言,会直接影响吸收塔的温度。在实际操作中,由于醇胺溶液吸收H2S速率极快,故温度对H2S脱除率影响很小;醇胺与CO2反应受动力学控制,随着反应温度升高,溶液黏度降低,扩散系数增大,吸收速率常数也成正比增长。由CO2、H2S吸收的热力学和动力学分析可得,当温度上升,虽然H2S的吸收量变化相对稳定,但是CO2吸收量会增加,因此胺液循环量会增加,进而影响脱硫单元总能耗。

将HYSYS软件切换至动态模式,根据脱硫单元实际控制方案,结合以上理论分析,在稳态模型基础上添加控制器,建立动态模型，见图2。主要控制点包括:一级吸收塔塔釜液位(LC-10305)、一级吸收塔进料温度(TC-10307)、二级吸收塔塔釜液位(LC-10509)、贫胺液进料流量(FC-10503)、贫胺液进料温度(TC-10803)、再生塔塔顶回流罐液位(LC-11702)、富胺液闪蒸罐液位(LC-11110)、再生塔再沸器加热蒸汽流量(FC-11403)。主要控制点比例积分微分(Proportion,Integral,Derivative,PID)控制参数见表4。

此外,在动态模型时还需要设置设备的尺寸参数。其中,一级吸收塔塔径2.35 m;二级吸收塔塔径2.785 m;再生塔冷凝器回流罐(立式)直径1.19 m,高度1.79 m,再生塔塔径4.22 m。

为对建立的动态模型进行校验,采集了装置运行波动时的全程数字集散控制系统(DCS)真实历史数据(采样周期2 min,每个控制点采集10组数据)。对天然气脱硫单元中的一级吸收塔、二级吸收塔和再生塔添加扰动,与实际历史数据比较,进行动态模型验证,结果见图3。动态模型得到的3个关键设备模拟数据与现场采集数据基本一致,模型准确,可作为后续过渡态过程模拟的基础,并测试过渡态过程的能耗变化情况。

a)一级吸收塔a)Primary absorber

b)二级吸收塔b)Secondary absorber

c)再生塔c)Regeneration tower

3 过渡态过程的能耗分析

化工过程的能耗主要包括换热器和泵的能耗,天然气脱硫单元总能耗包括中间贫胺液冷却器(E-105)能耗、再生塔重沸器(E-104)能耗、再生塔塔底贫胺液泵(P-102A/B)能耗、贫胺液泵(P-101A/B)能耗、中间胺液泵(P-106)能耗、水解反应预热器(E-107)能耗、再生塔冷凝器能耗(Q-100)和贫胺液后冷器(E-106)能耗。

天然气脱硫单元动态模型经校验表明了其可靠性,在动态模型基础上,利用HYSYS软件添加动态扰动,模型过渡态过程,测试脱硫单元原料状态(流量、温度)波动2组过渡态过程的能耗变化,并通过优化控制参数,缩短过渡态过程的时间以及减小能耗波动。

3.1 原有PID控制参数能耗分析

利用表4的PID控制参数,对吸收塔天然气进料添加进料流量10%的扰动,脱硫单元能耗测试结果见图4。

图4 原有PID控制参数下天然气进料流量扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.4 Energy consumption test results of desulfurization unitwhen natural gas feed flow disturbed under originalPID control parameters

由图4可知,天然气进料流量增加10%后,脱硫单元总能耗逐渐升高,经过10 min后能耗稳定,其能耗增加10.6%;天然气进料流量降低10%后,单元总能耗逐渐降低,经过12 min后,能耗稳定,其能耗降低13.3%。下面对脱硫单元中主要的能耗单元稳定时的能耗进行对比分析。

天然气进料流量扰动主要能耗单元对比结果见图5。

图5 原有PID控制参数下天然气进料流量扰动主要能耗单元能耗对比图Fig.5 Energy consumption comparison results of mainenergy consumption units when natural gas feed flowdisturbed under original PID control parameters

进料流量增加,再生塔冷凝器能耗和再生塔重沸器能耗增幅明显，其余能耗单元变化幅度较小；而进料流量降低后,再生塔重沸器和贫胺液后冷器能耗降低幅度最为明显。

利用表4的PID控制参数,对天然气进料添加进料温度10%的扰动,脱硫单元总能耗测试结果见图6。

图6 原有PID控制参数下天然气进料温度扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.6 Energy consumption test results of desulfurization unitwhen natural gas feed temperature disturbedunder original PID control parameters

由图6可知,天然气进料温度升高10%后,脱硫单元总能耗逐渐增加,10 min后,能耗稳定,其能耗增加2.3%;天然气进料温度下降10%后,脱硫单元总能耗降低,10 min后能耗稳定,其能耗降低4.4%。

对脱硫单元中主要能耗单元稳定时的能耗进行对比分析,见图7。

图7 原有PID控制参数下天然气进料温度扰动主要能耗单元能耗对比图Fig.7 Energy consumption comparison of main energyconsumption units when natural gas feed temperaturedisturbed under original PID control parameters

由图7可以看到，天然气进料温度的改变对再生塔重沸器能耗影响比较明显,对于其余单元的影响较小。

根据以上动态模拟结果可知,对脱硫单元总能耗影响最大的是再生塔负荷单元。再生塔负荷与吸收塔效率息息相关,在后续的控制方案中主要针对吸收塔相关控制参数进行优化。

3.2 第一次调节PID控制参数后能耗分析

第一次调节后PID控制参数见表5,对天然气进料添加进料流量10%的扰动,脱硫单元总能耗测试结果见图8。

表5 第一次调节后PID控制参数表

图8 第一次调节后天然气进料流量扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.8 Energy consumption test results of desulfurization unitwhen natural gas feed flow disturbed after the first adjustment

由图8可知,天然气进料流量增加10%后,脱硫单元总能耗逐渐增加,9.5 min后能耗稳定,其能耗增加6.2%;天然气进料流量降低10%后,脱硫单元总能耗逐渐降低,8 min后,能耗稳定,其能耗降低8.95%。

利用表5的PID控制参数,对天然气进料添加进料温度10%的扰动,脱硫单元总能耗测试结果见图9。

图9 第一次调节后天然气进料温度扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.9 Energy consumption test results of desulfurization unitwhen natural gas feed temperature disturbedafter the first adjustment

由图9可知,天然气进料温度升高10%后,脱硫单元总能耗逐渐增加,9.5 min后能耗稳定,其能耗增加2.1%;天然气进料温度下降10%后,总能耗逐渐降低,8 min 后,能耗稳定,其能耗降低5.6%。

3.3 第二次调节PID控制参数后能耗分析

第二次调节控制参数见表6,对天然气进料添加流量10%的扰动,脱硫单元总能耗测试结果见图10。

表6 第二次调节后PID控制参数表

图10 第二次调节后天然气进料流量扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.10 Energy consumption test results of desulfurization unitwhen natural gas feed flow disturbed after the second adjustment

由图10可知,天然气进料流量增加10%后,脱硫单元总能耗逐渐增加,7.5 min后总能耗稳定,其能耗增加4.1%;天然气进料流量降低10%后,总能耗逐渐降低,7 min 后能耗稳定,其能耗降低9.81%。

利用表6的PID控制参数,对天然气进料温度添加10%的扰动,脱硫单元总能耗测试结果见图11。

图11 第二次调节后天然气进料温度扰动脱硫单元总能耗测试结果图Fig.11 Energy consumption test results of desulfurization unit whennatural gas feed temperature disturbed after the second adjustment

由图11可知,天然进料温度升高10%后,脱硫单元总能耗逐渐增加,8.5 min后能耗稳定,其能耗增加1.98%;天然气进料温度下降10%后,脱硫单元总能耗逐渐降低,8 min后能耗稳定,其能耗降低8.72%。

4 结论

本文采用HYSYS软件,建立天然气脱硫单元的稳态和动态模型,并通过调整控制方案以及PID控制参数,利用现场数据核验模型的可靠性。利用HYSYS软件对天然气进料状态添加扰动,测试脱硫单元能耗波动情况，并对PID控制参数进行优化,缩短能耗波动时间以及降低能耗波动。研究得出如下结论。

1)当天然气进料流量、温度发生波动时,脱硫单元总能耗均有较明显的变化。这是因为当天然气进料流量、温度变化时,吸收塔和再生塔的负荷相应变化;同时随着进料流量、温度的变化,冷却器以及泵等设备的能耗也相应增加或者降低。尤其是当进料流量降低、进料温度下降时,能耗波动明显,对脱硫单元运行影响较大。因此,实际操作过程中,设备稳定运行的前提是进料状态的稳定。

2)优化PID控制参数,能缩短过渡态过程能耗波动时间以及减小系统的能耗波动,有利于系统的稳定运行。进料流量波动时,最快能在7 min达到稳定状态,温度波动时,最快能在8 min达到稳定状态。

3)PID控制参数优化后,天然气进料流量波动时,脱硫单元总能耗均有较明显的波动,进料流量增加10%和降低10%时能耗波动分别为4.1%和9.81%。尤其是当进料流量降低时,能耗波动更明显,对脱硫单元稳定运行有较明显的影响。因此,在实际操作过程中,应该控制好天然气进料流量,避免进料流量波动造成的能耗波动,对稳定生产造成影响。

4)PID控制参数优化后,天然气进料温度升高时,脱硫单元总能耗波动较小,增加1.98%；当进料温度降低时,脱硫单元总能耗下降较快,且波动较大,降低8.72%,对脱硫单元稳定运行有较大影响。因此,在实际操作过程中,应该控制好天然气进料温度,避免进料温度波动造成的能耗波动,对稳定生产造成影响。