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1 8 2 石油与天然气化工 CHEM lCAL ENGl NEEF I l NG OF Ol L ＆ GAS 2 0 08 天然气深冷分离装置的炯经济分析模型及应用 王志 国 ，。 王竹 筠 刘晓燕 刘 扬 项新耀 1 ． 大庆石油学院 土木建筑工程学院2 ． 大庆石油学院 石油工程学院 3 ． 大连理工大学 能源与动力学院 摘 要 深 冷分 离方 法是 回收 油 田伴 生 气 N G L N a t u r a l G a s L i q u i d 的主要 方 法之 一 。本 文将 天 然 气深冷 分 离装置 划分 为六 个子 系统 ， 建 立 了 N G L装 置 的火 用 经 济 分析模 型 ， 并 给 出了火 用 经 济平 衡 方程和 辅助 方程 。利 用 两组运 行 工况 下 的 实测 数据 ， 对 某 N G L装置 进 行 了大 用 经 济 分析 ， 根 据 测 算结果提 出了改进建议 。实际应用表 明， 对 N G L装置进行欠 用 经济分析 ， 能更全 面地反映装置的用 能情况 。 关键 词 N G L装 置 火 用 经 济分析平衡 方程辅助 方程 改 进建议 我国回收油田伴生气 N G L N a t u r a l G a s L i q u i d 主要 包括 深冷 和浅 冷 冷凝分 离 两种方 法 。对 于深冷 分离而言， 大部分冷凝温度低于 一6 0 ％， 因此普遍采 用膨 胀制 冷 的 深 冷 分 离 工 艺 。膨 胀 制 冷 回 收 N G L 的主要原理是使处理预冷后 的高压天然气经透平膨 胀机膨胀 ， 在对外输 出膨胀功的同时 ， 产生很大的焓 降与温降， 从而获得大量冷量 ， 使 c 以上烃类冷凝 ， 再经低温分馏 ， 使其与甲烷等轻组分分离 ， 生产出液 烃产品和其他副产品 。 N G L深冷分离装 置系统复杂 ， 多种 物流、 能流 及 多类 设备 由相关 的工 艺 环 节联 系在 一 起 ， 是 由供 能、 用能及余热 回收三部分组成的综合 能量利用系 统。通过采用热力学第一、 第二定律分析 ， 虽然能对 用能过程作 出技术评价 ， 但 缺乏经 济评 价 。] 。热 经济学 t h e r m o e c o n m i c 是二十世纪 5 0年代末兴起 的一门研究系统经济运转 ， 将热力 学与经济学和系 统工程学结合 而产生 的一 门交叉 学科 ] 。它可 以 合理确定产品的成本 ， 对系统进行最优设计 、 最优运 行和最优控制等。我国学者在二十世纪 8 0年代 以 来 ， 在热经济学领域 开展 了卓有成效的研究。王家 璇 。 。 系统地 总结 了火 用 经济 学 的理论 和方法 ， 杨 东 华 对炯损成本模式 、 炯经济学的代数模式、 炯经济 学的孤立化模式以及过程合成 的热经济学等进行 了 研究 。华 责 提 出了工 艺 过 程用 能 三环 节 理 论 ， 项 新耀 在石油领域提出了“ 三箱” 用能分析模型 ， 王 志国 探讨了将“ 三环节” 与“ 三箱” 相结合用于系 统用能分析的方法 ， 肖云汉 对供能和用能系统优 化组合的热经济学进行了研究 。本文借鉴已有研究 成果 ， 对天然气深冷分离装置进行炯经济分析 ， 根据 测算分析结果探讨控制装置能耗 的措施 ， 为装置的 运 行 和操作 提 供决 策依据 。 l 装置工艺流程及主要设备 装置工艺流程简图如图 1所示。 空气 I 西蚓皇 P 0 5 0 1 保 7飞 ’ I o 保 t o肭 l I1X010i ● 1 保 竹 飞 ● T 1 04 霄--4_ _Jl 叫 一 I 批 。 t 。 一 I 归 ． 妇 D 0 1 0 4 D 0 1 0 1来 自 X 01 0 1 E 0 2 0 1 E 0 9 0 1‘ P 0 5 O l 一 空压 机，X 0 1 0 l 一 燃气轮 机，C O 1 O l 一 原料 气增压 机， E O 1 O 1 、E 0 1 0 2 、E 0 1 0 3 、 ．E 0 1 0 4 - 冷却器，C 0 1 0 2 、C 0 1 0 3 一 压 缩机， X 0 3 0 l - 透 平膨胀机 ，A 0 2 0 1 - 脱 水干燥器，D 0 3 0 l 、D 0 3 0 2 一 分离器 E 0 3 0 l 、E 0 3 0 2 - 冷箱，T 0 3 0 1 - 脱 甲烷塔 ，E 0 9 0 l - 余 热锅 炉， E 0 2 0 l - 再生器加热器。 图1 N G L 装置工艺流程简图 基金项 目国家 自然科学基金 5 0 7 7 6 0 1 4 和中国博士后 科学基 金 2 0 0 5 0 3 7 2 5 6 资助项 目。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 7卷第3 期 天然气深冷分离装置的炯 经济分析模型及应用 1 8 3 该装 置采用双级膨胀不带辅 助冷剂的制冷工 艺。原料气在分离器除去杂质后 ， 进入 由燃气轮机 和 透 平 膨 胀 机 驱 动 的 离 心 式 压 缩 机 ， 增 压 到 5 ． 1 7 MP a 。增压过程 中， 原料气经冷却 ， 分 离 出 c 液 ， 经干燥器脱水后 ， 进入脱 甲烷塔。原料气增压后 ， 经 脱水 、 分离， 冷凝液直接进入脱 甲烷塔 。进入塔 内的 各股物流 ， 分馏为液态烃及干气 ， 作为产品外输 。 装置 的主要耗能设备有 压缩机 ， 动力由燃气轮 机及膨胀机供给。干燥器 、 再生器用热取 自烟气余 热。换冷器 ， 冷量 由脱 甲烷塔输 出的贫气及膨 胀制 冷机供给。脱 甲烷塔 、 重沸器 ， 耗热取 自增压后的原 料气 。空冷器 ， 动力为电能 。除空冷器外 ， 其余耗能 设备的能量都来 自于供给燃气轮机的燃料能。燃料 能一部分通过燃气轮机 、 膨胀机 、 余热锅炉转换为动 力 ， 另一部分 为工艺利用 。二者结合 ， 组成动力 、 工 艺 两级 多次 利用 的能 量梯 级利 用 系统 。 2 N G L装置 经济 分析模型 2 ． 1 炯 经 济平 衡方 程 热经济学分析是 以热力学为基础的经济分析 ， 更确切地说是以炯参数为基础的经济分析。 炯成本 的代数方程就是在炯分析的基础上 ， 加入费用计算 ， 建立炯经济平衡方程 ， 或称为成本方程 ， 并 以求解得 出的产品炯的单位成本作为分析评价指标 。一般通 用 的炯经济平衡模型如图2所示 。 对 于 图 2中所示 的单 元 ， 有 C C。 1 式 中 C 为产 品成 本 ； 为供 给 能耗 费 用 ； c 。 为 设备 投资 和其 它费 用 。 式 1 也 可 写成 c p E c s E C 2 式中 c 为产 品单位炯成本 ； c i 为能耗单位炯费 用 ； E 为产 品总炯； E ， 为供给能耗炯。 当一个单元有 n种能耗与 m个产品时 ， 式 2 可 写成 c ； E E 珩C 。 3 一 般来说 ， 用能系统建立 的炯经济平衡方程组 中方程数 目少于所要求解 的未知数数 目。为求解方 程组 ， 需要补充辅助方程。确定补助方程其关键是 要有一个合理判据 ， 对每个单元的输入 、 输出正确认 定 ， 具 体 要 根 据 分 析 对 象 与 分 析 目的 等情 况 而 定 。 2 ． 2 N G L装置炯经济分析模型 对 于 图 1所 示 的 N G L装 置 ， 系 统 较 复 杂 ， 直 接 建立炯经济平衡方程较 困难。为便于分析 ， 根据 系 统工艺流程及用能特点 ， 将装置分为 6个单元 ， 即燃 气轮机单元 、 余热锅炉单元、 压缩单元、 膨胀增压单 元 、 换冷 一 脱 甲烷塔单元和干燥单元。如图 3所示。 各 单元 主要设 备 见表 1 。 单元名称 主要设备 燃气轮机单元 燃气轮机 X 0 1 0 1 ， 燃料气增压机 P 0 5 0 1 余热锅炉单元 余热锅炉 E 0 9 0 1 ， 再生气加热器 E 0 2 0 1 压缩单元 原料气压缩机 C 0 1 0 1 ， 冷却器 E 0 1 0 1 一 E 0 1 0 3 膨胀增压单元 透平膨胀机 X 0 3 0 1 ， X 0 3 0 2 ， 压缩机 C 0 1 0 2 ， C 0 1 0 3 换冷 一 脱甲烷 冷箱 E 0 3 0 1 ， E 0 3 0 2 ， 脱甲烷塔 T 0 3 0 1 塔单元 干燥单元 脱水干燥器 A 0 2 0 1 据 此建 立如 下 6个 炯经 济平衡 方程 c 1 E 1 c 2 E 2 c 3 E 娼 c 4 E 4 c 3 E妇 c 5 E 5c 6 E 6c 1 o E 1 oc 7 E 7c 8 E招 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 4 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF O I L ＆ GAS 2 0 08 C 9 E 9 C 4 E 4C 1 2 E 1 2C 1 4 E l 4C 1 5 E 1 5 C l l E 1 1 C 1 3 E 1 C 1 7 E 1 7十C 1 9 E 1 9C 2 1 E 2 1C 1 3 E 1 3C 1 2 E 1 2 C 1 6 E l 6C 1 8 E l 8C 2 0 E 2 o c I 1 E l 1十C 2 2 E 2 2C 2 3 E 2 3C 1 8 E l 8C 1 6 E 1 6 C 1 0 E l oC 2 4 E 2 4C 2 5 E 2 5十C 1 9 E l 9C l v E 1 7 c 9 E 9c 2 o E 2 o C 2 6 E 2 6C 2 2 E 2 2 5 个 辅助 方程 。 3 应用实例 8 9 公式 4 ～ 9 即为 N G L装 置 的火 用 经 济 平 衡方 程 。 2 ． 3 辅 助 方程 在公式 4 ～ 9 中， 有 2 0个未知数 c 一 c 。 。 为使方程有解 ， 需建立 1 4个辅助方程 。 1 余热锅炉的排烟未再利用 ， 有 c 0 1 0 2 燃气轮机的排烟单位火 甩 成本可取为 当 C 1 1 百 3 余热锅炉给水 的补水水 质要 求较高 ， 补水 量也较大，可取为 c 6 c 7 1 2 4 压缩单元 的进 出 口烃单 位炯 成 本取 为相 等 ， 有 c 1 2 c 1 3 1 3 5 换冷 一脱甲烷塔单元 中膨胀机 因驱动增压 机做功 ， 对应的进 出物流单位火 用 成本与输入电单位 炯成 本相 等 ， 有 c 9 c 1 o c l 6 c 1 7 c l 8 c 1 9 电 1 4 6 装置终端产品烃与干气单位火 用 成本 相等 ， 有 c 2 4 c 2 5 1 5 7 原料气接近于环境状态 ， 单位火 用 成本取为 零 ， 有 c 1 5 0 1 6 8 干燥单元进出口干气单位炯成本相等 ， 有 c 2 0 c 2 2 1 7 9 测 点 2 1及 2 3为耗 电 ， 有 c 2 1 c 2 3 电 1 8 上述各式中， 式 1 4 相当于 6个方程 ， 计有 1 4 利用前述模型和测试数据 ， 对图 1所示的 N G L 装置进行了分析计算。 3 ． 1 火 用 值计算 根据测试数据 ， 计算 了各测点的火 用 值 。计算 结 果列 于表 2中。 物 工况1 流 火 甩 值 火 甩 成本 点 1 0 k J ／ h 1 0 “元／ k J 1 1 6． 4 0 0． 0 2 60 35． 5 4 0． 0 3 1 4 74． 3 0 0． 081 4 1 621 ． 8 0 0． 1 0 0 5 3 ． 47 0． 3 61 6 70． 0 6 0． 21 7 7 5 3 4． 8 2 0． 21 7 8 2 8 3． 0 6 0． 0 9 1 5 2． 69 0． 3 61 1 0 9 7． 6 6 0．3 61 11 0． 81 0． 2 3 5 1 2 3． 21 0． 2 35 1 3 69 4． 1 9 0． 2 35 1 4 1． 33 0． 3 61 1 5 42． 5 5 0．1 7 1 6 5 0 3． 9 0 0． 361 1 7 6 6 0． 75 0． 361 1 8 2 2 3． 9 4 0． 361 1 9 3 81． 8 3 0． 3 61 2 0 75 1。 67 0． 3 6 7 21 0． 40 0． 3 61 2 2 751 ． 6 7 0． 3 67 2 3 4． 51 0． 3 61 2 4 22 9． 38 0． 47 6 25 41 ． 3 7 0． 4 76 26 9 8．1 4 0． 56 2 输 出 2 4 8 ． 8 7 0 ． 5 1 2 工 况 2 火 甩 值 火 甩 成本 1 0 k J ／ h 1 0 元／ k J 1 9． 45 0． 0 6 42 3． 1 2 0． 0 1 68 3． 31 0． 0 7 4 1 78 7．1 0 0． 0 91 6． 91 0． 3 61 11 7． 08 0． 1 8 2 7 9 9． 98 0．1 8 2 3 7 0． 3 8 0． 0 1 3 1． 7 4 0． 3 61 87． 8 3 0． 3 61 0． 0 0． 23 6 0． 0 0． 2 3 6 69 6． 43 0． 23 6 5． 1 9 0． 361 1 28 ． 58 0． 1 7 6 97． 8 8 0． 3 61 8 34． 3 4 0． 361 33 3． 45 0． 3 61 61 5． 41 0． 3 61 1 01 8． 9 8 0． 31 0 1 ． 7 5 0． 3 61 1 01 8． 98 0． 31 0 11 ． 3 7 0． 361 3 49 ． 05 0． 37 2 2 0． 1 8 0． 37 2 88 ． 32 0． 5 3 8 35 6． 71 0． 3 8 4 3 ． 2 烟经济分析计算 利用计算 的火 用 值结果 ， 进行了炯经济分析计算。 炯经济分析计算结果见表 2 。 3 ． 3结果 分析 比较两种工况计算结果 ， 可以看出 1 工况 1蒸汽单位炯成本为0 ． 2 1 7 1 0 元／ 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 7 卷第3 期 天然气深冷分离装置的炯 经济分析模型及应用 1 8 5 k _I ， 工 况 2蒸 汽 单 位 火 用 成 本 为 0 ． 1 8 21 0 元／ k J 。 后者单位火 用 成本下降的原因在于工况 2完善了余热 利用系统 ， 使余热锅炉出力由 5 1 ％提高到 8 5 ％。 2 燃气轮机输 出功率 的单位火 用 成本 ， 工 况 1 为 0 ． 1 0 01 0 元／ k J ， 工况 2为 0 ． 0 9 11 0 元／ k J 。 工况 2较工况 1单位火 用 成本下降了9 ． 0 ％。 3 压缩 单 元 输 出物 流 的单 位 火 用 成 本 ， 工 况 1 为 0 ． 2 3 51 0 元／ k J ， 工况 2为 0 ． 2 3 61 0 元／ k J 。 二者 差别 不大 。 4 装 置输 出的终 端产 品 ， 即液 烃 、 干 气 和蒸 汽 等 的单 位火 用 成本 工况 2均好 于 工况 1 。 3 ． 4改进建议 据前述计算分析 ， 对 N G L装置运行提出以下改 进建议 1 应尽量使余热锅炉处于满负荷运行。余热 锅炉 出力设计值为 1 0 t ／ h ， 实际运行 出力 ， 工况 1为 5 ． 1 t ／ h， 工 况 2为 8 ． 5 t ／ h 。 2 调整压缩机和膨胀机 的操作参 数 ， 使其在 设计工况点运行 ， 降低输 出物 流的单位火 用 成本。如 运行 中 ， 低压膨 胀 机转 速 为 3 1 0 0 0 r ／ m i n ， 设 计值 为 3 7 0 0 0 r ／ m i n ， 低 6 0 0 0 r ／ ra i n ， 致使压缩机 出 口达不 到额定压力 ， 预冷温度高于实 际值 2 1 c ， 轻烃收率 偏低 ， 单 位炯成本 有所 增 加 。 4 结 论 1 建立了 N G L深冷分离装置的火 甩 经济分析模 型 ， 给出了炯经济平衡方程和辅助方程。 2 对 某一 实际 运行 的 N G L装 置进 行 了分 析计 算 ， 根据测算结果提出了改进建议 。 3 作 为用 能分析方法 之一 的火 用 经 济分析方 法 ， 能 更全 面地 分析 、 评价 装 置 系统 的用能 情况 。 参 考 文 献 1 富嘉文 ， 陈泽辉 ， 李 阳初． 油 田气深冷分离装置膨胀机模 拟计算模 型的研究 ． 华东石油学院学报 ，1 9 8 7 ， 1 1 4 5 2 6 2 2王志 国，宋永臣 ，刘瑜 等．N G L深 冷分 离装置的炯 分析方法 及应用． 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 6， 3 8 6 9 9 09 9 3 3王强 ， 历彦忠 ， 陈曦 ， 吕希刚． 液化 天然气冷 能分析及 其 回收 利 用利用 ．流体机械 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 5 65 8 4张娜， 刘蔚蔚 ， 蔡睿贤 ． 利用 L N G冷炯 与工业余热 的闭式 B r a y t o n 循环热力分析． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 7 1 7 31 7 7 5 项新耀 ．工程炯 分析方法．北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 0 2 6 5 2 6 7 6 宋 之平 ， 王家璇．节能原理 ．北京 水力电力出版社 ， 1 9 8 5 5 7 6 8 7 杨东华 ．热经济学．上海 华东化工 出版社 ，1 9 9 0 1 6 5 6 8 华贲 ．过程用能分析及综合．北京 烃加工 出版社 ，1 9 8 9 3 9 5 6 9王志国 ， 马一太．“ 三箱”一“ 三环节” 组合用能分析方法研究 ． 石 油炼制与化工 ， 2 0 0 3， 3 4 5 4 9 5 2 1 0 肖云汉．供能和用能系统优化组合的热 经济学分析．清华大学 博 士论文 ，1 9 9 3 作 者 简 介 王 志 国 男 ， 1 9 6 6年 4月生 ， 2 0 0 4年毕业 于天津大学 获博士学 位 ， 2 0 0 7年大连理工 大学 动力 工程及 工程 热物 理博 士后 流动 站 出 站 ， 大庆石 油学院土木建筑学 院教授 ， 主要从事油藏多孔介质热质传 递 机理及 能源综合利用技术研究 。 收稿 日期 2 0 0 8一 O 1一 O 1 编 辑 康 莉 石油与天然气化工 杂志近期 被国内外收录情况 石 油与 天然 气化 工 杂 志创刊 于 1 9 7 2年 ， 是 国 内唯 一 的涵 盖石 油天 然 气上 中下 游 专 业领 域 的 中文 核 心期刊 。已连续 1 6年被 中文核心期刊要 目总览 评定为石油天然 气“ T E ” 类核心期刊 。2 0 0 7年 ， 我刊 又为 中国科学院文献情报 中心中国科学引文数据库 C S C D 收录， 成为其扩展库来 源期刊。历年来， 本刊文章的 中文摘要被 中国石油文摘 收录率接近 1 0 0 ％。据不完全统计， 2 0 0 4年 ～ 2 0 0 7年 ， 我刊共发表 文章 5 9 6篇 ， 被美国 化 学文摘 C A 收录 4 7 8篇以上 ， 收录率超过 8 0 ． 2 ％。2 0 0 5年 ～ 2 0 0 6年 ， 我刊共发表 文章 2 5 0篇 ， 被美国 石油文摘 P A 收录 1 2 3篇 ， 收录率为 4 8 ％ 。此外， 我刊还被 中国期刊全文数据库、 清华 同方光盘 版与万方数据库、 维普网络、 华艺数据 中国台湾 等 国内重要全文数据库全文收录。 本刊 编辑 部报 道 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m