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天然气浅冷装置运行参数优化技术研究 摘要 天然气公司现有浅冷装置1 0 套，均为氪制冷装置，多在八十年代初建成投产，为七十年代的工 艺水平。随着技术的发展，这些装置部分l ：艺趋丁落后。存在较多不合理环惰。同时随着装鹫的多 年运行装置运行参数偏离殴计值，存在水冷器与前后单元传热温差匹配不合理、装置运行参数不 匹配、循环水使用不合理、装置中有效余冷、余热朱同收、制冷机与系统匹配不合理等问题。 本课题通过对分公司1 0 套浅冷装置运行现状、存在问题的综合比较，确定以中七浅冷为研究 对象，先后四次到中七浅冷装置进行装置i ：艺流程、各季节运行典型i ：况、装置标定数据、单元设 备性能参数进行调研，掌握了装置目前存在的制冷能力f 降、轻烃收率低等问题。通过运用制冷系 统热动力学分析方法、过程系统悼能分析方法及目前化l ：行业普遍廊心的p r o i i 计算软件对日前装 置的运行参数进行分析和计算，确定研究方向和研究内容；运用最优化方法，以装置效益最大和公 用工程消耗最低为原则确定优化目标优化参数和优化计算的约束条件，进行系统优化设计，制定 优化方案并进行装置优化改造和考核。 本课题于2 0 0 6 年8 月在中七3 0 | 0 4 n m d 浅冷装置上实施优化改造，经现场考核：中七浅冷装 置流程优化后，制冷温度由2 0 2 c 降至2 8 5 c ，年增产轻烃2 8 0 0 吨，少产干气1 2 0 万方，节约循环 水6 s 万吨。节电5 3 5 万度，年创经济效益3 8 9 。5 万元。 关键词：浅冷装置；轻烃；运行参数；优化；制冷温度 t e c h n o l o g ys t u d y 蚰o p t i m i z i n go p e r a t i o np a r a m e t e r s o fn a t u r a lg a ss h a h o w c o n d e n s i n gu n i t a b s t r a c t t h e r ea r e1 0s e t so f n a t u r a lg a ss h a l l o wc o n d e n s i n gu n i ti nn a t u r a lg a sc o m p a n yo f d a q i n go i l f i e l d c o ，l t d ，a l lo fw h i c ha d o p ta m m o n i ac o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o np r o c e s s m o s to ft h e s eu n i t sw e r ep u t i n t oo p e r a t i o ni n1 9 8 0 sa n da l lo f t h e mw e r ed e s i g n e di n l 9 7 0 s ，w h i c hb e c o m eb a c k w a r da n dh a v es o m e u n r e a s o n a b l ea s p e c t s t h ep r o b l e m s ，s u c ha si r r a t i o n a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c em a t c h i n gb e t w e e nw a t e r c o o l e ra n dt h eu n i t sb e f o r ea n da f t e ri t , u n m a t c h e do p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h eu n i t s u n r e a s o n a b l eu s eo f c y c l i n gw a t e r , i n e f f i c i e n tr e c o v e r yo fw a s t eh e a ta n dc o l da n dm i s m a t c h i n go fr e f r i g e r a t i o nm a c h i n e sa n d o t h e rs y s t e m s , o c c u ri nt h e s eu n i t sa f t e rm a n yy e a r si no p e r a t i o n a f t e rt h ea n a l y s i so nr u n n i n gs t a t u sa n dt h ec o m p a r i s o no fe x i s t i n gp r o b l e m s ，t h i ss u b j e c tt a k e s z h o n g q is h a l l o wc o n d e n s i n gu n i t 豁i n v e s t i g a t e do b j e c t a t i e r4t i m e s c o l l e c t i n gi n f o r m a t i o no i ls i t e t h e p r o c e s sf l o w , t y p i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n si n d i f f e r e n ts e a s o n s ，c a l i b r a t i o nd a t ao fu n i t , p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fe q u i p m e n ta mo b t a i n e da n d t h e p r o b l e m se x i s t i n gi n t h eu n i t i n c l u d i n gd e c l i n ei n r e f r i g e r a t i o nc a p a c i t ya n dl o wr e c o v e r yr a t eo fl i g h th y d r o c a r b o n sa r ek n o w n t h ec o n t e n t sa n dd i r e c t i o no f t h es t u d yw e r ed e t e r m i n e da f t e rt h e a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no nt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r si nt h i sf a c t o r y w i t ht h e r m a lk i n e t i ca n a l y s i so fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，p r o c e s ss y s t e m e n e r g yc o n s e r v a t i o na n a l y s i sa n d s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fp r o i i t or e a c ht h ea i mo fg e t t i n gm a x i m a lb e n e f i tw i t hl e a s tc o n s u m p t i o no f p u b l i ce n g i n e e r i n g , o p t i m i z i n go p e r a t i o np a r a m e t e r sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fc a l c u l a t i o nw e r ed o n e w i t ho p t i m u mt h e o r y a f t e rt h a t ，a l lo p t i m u md e s i g na n do p t i m i z e ds c h e m ew e r af i n i s h e da n daf a c t o r y r e v a m p i n ga n di t se v a l u a t i o nw e r ef o l l o w e d t h eo p t i m i z i n ga n dr e v a m p i n gw e r ef i n i s h e do nz h o n g q is h a l l o wc o n d e n s i n gu n i ti na u g u s t , 2 0 0 6 w h i c hp r o c e s s e sn a t u r a lg a so f 3 0 x1 0 n m d a f t e re v a l u a t i o no ns p o t , t h eo p t i m i z i n gi nz h o n g q is h a l l o w c o n d e n s i n gu n i tr e c e i v e ss a t i s f a c t o r yr e s u l t s ：c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r ed r o p p i n gf r o m 2 0 2 ct o - 2 8 5 c ， l i g h th y d r o c a r b o n sy i e l di n c r e a s i n g2 8 0 0 t , t h en a t u r a lg a sy i e l dd e c r e a s i n g1 2 0 x 1 0 4 m ，w a t e rc o n s e r v a t i o n 6 9 x 1 0 t , a n de l e c t r i c i t y c o n s e | v a t j o n5 3 5 x 1 0 4 k w hp e r b m u l l l w h i c hc o u l d g e t3 8 9 5 x l o y u a n p e r a f m 啪 a t k , rc o n v e r t i n gi n t oe c o n o m yp r o f i t k e y w o r d s ：s h a l l o wc o n d e n s i n gu n i t ；l i g h th y d r o c a r b o n s ；o p e r a t i o np a r a m e t e r s ；o p t i m i z a t i o n ；e n e r g y c o n s e r v a f i o u i 学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名 跏i 是 日期：立：! ：! 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名： 珈霆 日期： 7 ，口 导师签名：但砼巧 日期：p ，y 创新点摘要 本论文针对天然气浅冷装置现存主要问题提出的装置运行优化方案在充分依托装置现有实际 的基础上，对装置的运行方式及运行参数进行调整，降低制冷温度，增产轻烃。节约水、电消耗， 属国内首创，可在人庆油田其他浅冷装置推广应用。 大庆石油学院t 程硕 ：专业学位论文 引言 油田伴生气，是指在地下储集层中伴随原油共生，或呈溶解气形式溶解在原油中， 或呈自由气形式在含油储集层上部游离存在( 即气顶气) 的天然气。伴生气一般多为富 气，主要成分是甲烷、乙烷，其次是一定数量的丙烷、丁烷和戊烷以上的烃类，有时还 有少量的非烃类气体。 原油从油井出来经过计量分离器计量其油气量以后，油气混输进转油站的油气分 离器。油田气从原油中分离出来进集气管网，由于分离出的气体中含有易冷凝的水分和 重烃，所以必须首先进甘醇脱水集气站。从自压站来的油田气进入甘醇脱水集气站进行 增压脱水后一部分送至油田冷冻分离装置，在这里进行增压、冷冻、分离，回收c 3 以 上的组分，其干气外输。 目前油田上应用的冷冻分离装置按制冷深度束划分可分为深冷装置和浅冷装置两 种，本课题主要应用过程能量系统分析方法和制冷系统热动力学分析方法对天然气浅冷 装置进行分析和研究，制定装置优化运行方案、实施优化改造。 过程能量系统分析是近十年来蓬勃发展的热力学第二定律和热经济学在过程工业 领域的应用和发展。它揭示了能量的质变化及其推动过程进行的本质，所涉及的不仅是 能耗，而且包括了系统和单元、工艺和设备各方面的匹配问题。国外在能量系统分析方 面的研究开发从七十年代初至今一直蓬勃开展，并已做了数百个工业应用项目，经济效 益十分可观。国内开展这方面的研究始于七十年代末，目前已有一批有特色的理论研究 和技术成果。 制冷系统热动力学分析方法是将制冷系统作为一个动态的分布参数系统，通过建立 单元仿真模型，进行制冷系统仿真优化确定装置中各参数问定量耦合关系。该技术于2 0 世纪7 0 年代开始兴起，目前已山稳态仿真发展为成熟的动态优化仿真方法。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 国内外天然气轻烃回收现状及发展 在油气阳开发过程中。为了满足天然气及油阳气管输的烃露点要求，必须从天然气 尤其是含重烃较多的油用气中脱除重烃组分，轻烃回收装置就是用于回收原油伴生气或 天然气中丙烷及以上重烃组分，并将这些重烃组分分离成液化石油气、稳定轻烃、净化 天然气其他有机化工原料的加工装置【1 】轻烃产品不仅作为优质的清洁燃料还可以作为 优质的化工原料。搞好油田气的轻烃回收，对于降低油气损耗，合理利用资源，减少大 气污染等方面具有重要的意义。 国外天然气轻烃回收一般称为天然气凝液( n a t u r a lg a sl i q u i d s ) ，简称n g l 回收， 国内习惯称为轻烃回收1 2 】。我国的轻烃回收工作开始于6 0 年代。进入8 0 年代后，各油 田都有了迅猛的发展，装箕增加到8 0 多套。特别是建有大、中型乙烯厂的油田都将它 作为生产乙烯的原料，如大庆油田i 引。至1 9 9 0 年底我国己拥有轻烃回收装置9 1 套，形 成了油田气加工能力2 3 7 3 2 万米3 ，天；轻烃回收装置的设计能力已占总产量的7 7 6 ， 约1 5 0 万吨年 4 1 。国外发展到9 0 年代，天然气加工装置近1 4 0 0 余套，其中9 0 在美国 和加拿大，这一数据表明美国和加拿大特别注意从天然气中充分回收经济价值较高的 n o l 。在美国，天然气轻烃回收率达8 0 以上i ”。 目前应用最广泛的轻烃回收方法主要有：吸附法、吸收法和冷凝分离法1 6 1 。冷凝分 离法与其它轻烃回收方法相比具有投资少、操作费用低、效率高等优点，我国各油气田 基本上是采用冷凝分离法【“。 根据冷冻温度的不同，冷凝分离又可分为油田气浅冷分离( 2 3 7 0 ) 和油田气深 冷分离温度( 9 0 。c 一- 1 3 0 c ) ，将7 0 c - 9 0 c 的温度范围称为中冷其中浅冷回收法，最 适用于以下场合i s ： ( 1 ) 控制天然气露点为主，适量回收丙烷及更重组分。 ( 2 ) 气源中重组分较多。 ( 3 ) 气源压力较高，又要求进出口压差尽量小。如果气源压力较低而外输压力要求较 高时，所需增加的压缩动力主要由外输承担。 ( 4 ) 用较少的投资及时解决油田开发初期的需要。 1 2 浅冷装置 1 2 1 浅冷装置工艺流程 本文以中七浅冷装置为例，其工艺流程简图如图1 1 所示。来自采油厂的原料气压 力为o 0 3 m p a ，进入两段压缩机升压到0 9 5 m p a 后，进入空冷器冷却到1 9 3 6 ，再进 入水冷器冷却到1 3 3 0 ，然后再进入一级三分器，分离出液体，气相进入贫富气换热 器和已经冷到2 0 左右的贫气进行热交换，富气被冷到2 1 2 后进入氨蒸发器再进一 步冷至一l 孓一2 2 ，富气进入二级三分器，分出液态烃产品，气相为贫气经贫富器换热器 2 大庆缸油学院t 程坝l j 专业学位论文 后温度升到9 2 2 c 作为外输天然气出装置。 图1 1 中七浅冷装置工艺流程简图 f 嘻1 1t h ed i a g r a mo f p r o c e s sf l o wo f z h o n g q is h a l l o wc o n d e n s i n gu n i t 浅冷装置的目的是尽可能多的从天然气中回收轻烃组分，尤其是c 3 ，c 4 组分，以 生产合格的外输天然气，并获取液化气 9 - 昭】。 1 2 2 浅冷装置生产中存在的主要问题 天然气公司现有浅冷装置l o 套，其主要存在问题如下： 1 水冷器与前后单元传热温差匹配不合理 天然气经空冷器后进入水冷器，与循环水传热温差很小，尤其是在春秋两季经常出 现进入水冷器的天然气温度比循环水温度还低的现象，水冷器变成了水加热器，不仅浪 费了循环水电能，还导致致冷深度下降，影响轻烃收率。 2 装置运行参数不匹配 部分换热设备冷热介质传热温度不到2 ，没有达到设计的冷却效果。 3 循环水使用不合理 水冷器和氨冷凝器的循环水进出口温差小于2 ，共用工程冷源没有有效利用。 4 装置中有效余冷、余热未回收 5 制冷机与系统匹配不合理 ( 1 ) 夏季制冷负荷增加，采用两台制冷机一台蒸发器的运行方式，氨蒸发器传热温差 增大，氨机效率下降，不能发挥双机应有的制冷能力； ( 2 ) 冷凝器和过冷器同时用循环水作为冷却介质，起不到过冷效果。 1 3 最优化技术的发展 最优化技术是一门新兴的应用性很强的技术，它是研究在一定条件下如何用最小的 第一章文献综述 代价以获得最佳的效果i l “。第二次世界大战后，由于经济、军事、科技等领域的迫切 需要，以及运筹学、控制论、系统工程、计算机技术等的发展，为最优化发展提供了理 论上和手段上的基础条件。现在，它己逐步成为工业、农业、交通、能源等部门不可缺 少的重要技术。国内外的应用实践表明，在同样条件下，经过优化技术的处理，对过程 系统效率的提高，能耗的降低，资源的合理利用，经济效益的提高等，均有显著的效果 1 7 , 1 s l 。 2 0 世纪6 0 年代美国b o x 教授根据进化论的观点提出了e v o p 法调优；日本目崎 令司提出了m e v o p 法；黄华南提出了o s a 法。7 0 年代后，我国在统计调优、模拟调 优以及模式识别调优等方面做了大量工作，2 0 年来在己有的几十套工业生产装置实现了 优化操作，取得了明显的经济效益【l9 2 0 】。 化工领域中同样存在大量的最优化问题，由于化工系统自身的特点和复杂性，最优 化的研究与应用起步较晚，研究应用的潜力巨大。 对化工装置进行优化的方法主要有两种，即统计调优和模拟调优。统计调优方法需 要在运行装置上收集大量的数据，且需要运用统计的方法进行线性回归，工作量大且不 易准确。模拟调优法需要建立数学模型，然后结合现场收集的运行数据，进行全流程的 模拟优化，最后再拿到装置上检验优化结果，优化计算均采用先进的计算机技术，计算 结果令人满意。模拟调优方法在工业上的应用更为广泛。 1 4 轻烃回收装置优化的研究进展 随着科学技术的不断发展，人们对轻烃回收的技术水平提出了越来越高的要求，轻 烃回收工作逐渐引起人们的重视，这对于合理利用天然气资源，提高油气综合利用水平 具有重要的现实意义。轻烃回收及综合利用水平的高低标志着油气田开发水平的高低， 也标志着一个国家在石油化工方面的技术水平1 2 l 】。轻烃回收装置应克服老装置普遍存在 的工艺方案不合理。产品收率低，能耗高等突出问题，向高收率、低能耗、撬装化、自 动化的方向发展i lj 。 如前所述。从上个世纪，国内外就开始对工业装置进行优化工作 2 2 】，调优方法也逐 步完善，主要有统计调优和模拟调优两类，其中模拟调优还可迸一步细分为对装置中各 操作单元建立数学模型，和应用已经商业化的模拟软件进行调优两大类。我国在轻烃回 收装置的模拟调优方面也有一定的进展。 1 4 1 通过建立优化模型实现优化 高建保等 2 3 2 4 1 通过建立轻烃回收装置操作参数优化模型，对某套轻烃回收装置进行 了操作参数的优化，实现轻烃收率最大这一优化目标。过程系统参数优化的结构如图1 2 所示。 对一工艺流程建立优化模型实际是在原流程模拟型流程计算基础上增加一个优化 目标外壳，一般为经济型外壳如轻烃收率最大，能耗最低等，再确定若干个独立变量作 为优化变量，并将对产品质量的要求或其它工艺和设备条件的限制作为模型的约束条 大庆机油学院t 程硕卜争业学位论文 件，建立起优化模型，再用非线性最优化问题的求解方法对优化问题进行求解，得到问 题的最优可行解。优化计算就是不断改变各个决策变量以求满足约束条件下目标函数达 到最大或最小伫m 卯。 给定过程参数经济参数 图1 2 过程系统参数优化的结构 f i g i 2s t r u c t u r e o f p r o c e s ss y s t e mp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n 1 4 2 轻烃回收模拟软件的开发 应用化工流程模拟软件可以方便的对装置的操作参数进行调整，对操作单元进行随 意搭接，从而实现装置的工艺参数及工艺流程的优化。随着化工流程模拟技术的推广以 及一大批应用软件的丌发与引进，如h y s i m 、h y s y sp l a n t 等，使得轻烃回收装置 的优化工作更加简便易行 国内在模拟软件方面也有一定的研究进展，彭进 2 6 1 等人目前开发出轻烃回收全流程 模拟软件，它是利用美国s i m s c i ( 模拟科学公司) 的p r o f l i5 1 1 版软件和 w i n d o w s 9 8 m e ，2 0 0 0 系统环境。包括液化气生产和丙烷生产的两套全流程模拟计算模 型。该模型既可以对全流程进行模拟计算，也可以对单体设备进行模拟计算。具有通用 性、修改数据灵活、查询结果简便和收敛性较好等特点。这一模型的开发和使用，对于 优化设计、优化操作条件，改造方案评估、节能降耗等起到了良好的作用。 轻烃回收装置全流程模拟计算模型具有很强的通用性和可移植性【2 ”，非常易于推广 应用。该模型在河南江河净化站轻烃装置和魏岗液化气站技改工程中得到了实际应用， 达到了预期的效果。 1 5 课题研究的背景和意义 天然气初加工系统是集原油稳定，天然气集、加、返、销与轻烃储运、销售为一体 的系统工程。由于集输管网、工艺路线及设备等因素所限，外输干气中与稳后原油中仍 ， 一含有大量的轻烃，造成了资源浪费 2 8 1 。如何进一步提高轻烃收率、提高天然气综合利 用水平，是值得研究的问题。 国外油田的原油外输前，大多经过原油稳定装置，对于油田伴生气的处理，亦大多 采用深冷分离工艺及深加工技术，尽最大可能提高轻烃回收率，降低单位产品能耗，提 高经济效益【驯。国内目前对油用伴生气的处理是采用浅冷和深冷装置并用的方式，其中 由浅冷装簧生产的轻烃在轻烃生产总量中占有相当大的比例，因此对浅冷装置进行挖 潜、改造和优化运行非常有意义l 州。本研究对中七浅冷装置进行优化改造，提高了轻烃 收率，合理有效地回收了能量，创造了一定的经济效益。 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 第二章实际生产数据分析 应用计算机化工流程模拟和优化技术对装置进行分析和调优必须首先具备准确可 靠的装置生产运行数据。优化是否成功，可以说在很大程度上取决于生产数据的准确性。 2 1 原料气 原料气的组成数据如表2 1 所示。 表2 1 瘴科气组成数据( v 0 1 ) ! 垫：2 ：! ! 生垒垫2 1 巴坐j 型g 磐! ! 里e 竺i ! i ! 15 翌! 堑2 组分c l c 2 c 3 i c 4 b c 4i c 5 n c 5 c 6c 7 + n 2 c 0 2 组成 7 6 55 97 2 61 1 l3 1 5o 5 91 10 30 m1 3 81 5 5 2 2 实际生产装置运行参数 中七浅冷装置实际生产运行参数取2 0 0 3 2 0 0 4 年数据如表2 2 所示。 根据实际运行数据可以看出春、夏、秋、冬四季的数据相差都比较大，故在本研究 报告的流程模拟、优化以及分析中，均分别按四个工况进行。 此外，在所提供的浅冷装置参数运行数据表中，某些参数的平均值与实际运行记录 的数值不符。例如，所提供的冬季永冷却器物料进口温度平均值是1 7 6 ，丽实际运行 记录数据为2 0 ，在本研究报告的流程分析、模拟中，还是以实际运行数据2 0 进行。 2 3 换热器参数 浅冷装萱中有较多的换热器，装置的运行情况和换热器的设计参数和工艺条件是否 恰当有着密切的关系。装置模拟和优化过程中也需对换熟器进行严格的核算。有关换热 器主要参数如表2 3 所示。 7 表2 2 中七浅冷装置运行参数统计( 2 0 0 3 2 0 0 4 年) l 爿2 1 日4 月2 日7 爿1 8 日1 0 月2 9 日 序号项目 ( 冬季)( 春季)( 夏季)( 秋季) l原压力( m p a )0 0 90 0 50 1 80 1 5 2 温度( ) 7 71 4 12 5 21 7 3 料 3流量( n m 3 1 1 )1 4 0 9 31 5 2 7 61 5 7 3 9 1 3 1 0 6 气 4压 尸进( m p a )0 0 40 0 40 0 30 0 5 缩 5p 出( m p a )1 0 31 0 61 1 91 1 7 机 6空r 进( )1 1 6 41 2 s ，71 2 9 ，2l 船2 冷 7 r 出( )2 8 12 8 23 5 23 9 器 8 物科 r 出( ) 2 01 22 5 21 4 5 9 水冷 尸出( m p a )o 9 3l - 0 11 1 41 1 3 1 0器 循环水 r 进( ) 1 482 2 2 39 一1 0 l l7 1 出( )1 81 02 5 ，2 61 2 1 3 1 2r 山( ) 1 8 - 5 4 53 1 贫富富气 1 3 尸出( ) 0 9 2o 9 8i 1 11 1 0 换热 1 4r 进( )2 口2 3- 2 0 2 32 m 2 32 m 2 3 器 贫气 1 5r 山( )3 21 5i j 43 6 表2 - 3 中七浅冷装置换热器主要参数表 t a b 2 - 3 t h e m a i np a r a m e t e r t a b l e o f h e 越e x c h a n g e r o f z h o n g q is h a l l o wc o n d e n s i n g 吼n 8 夫庆石油学院丁程倾l j 专业学位论文 2 4 实际生产数据初步分析 2 4 1 冬季工况 l ，水冷却器 冷却水流速过低 水冷却器的一个问题是水在管程的流速过低，由于现场没有冷却水的流量数据，我 们根据物料侧的流量和温度变化可以算出热负荷，从而计算出所需的水量为1 3 8 5 0 k g h r ， 由此可算出冷却水在管程的流速为0 1 2 m s 。通常换热器的设计要求管内冷却水的流速 应不小于0 6 m s 否则因湍流程度太低。而造成管内给热系数太小影响到传热。故可以 说该流速的设计是十分不合理的。 冷热侧换热温差较低 水冷却器冷热物流的温差只有6 8 左右，温差小传热推动力就小，所需传热面积 就大。般来说传热温差控制在i o 以上是比较合理的。 冷却水进出口温差太小 冬季工况中，水冷却器冷却水进口温度1 4 ，出口温度1 8 ，温差只有4 0 ，冷却 水利用不充分。一般来说，冷却水进出口温差在8 1 0 比较合适。 2 贫富器换热器 出现温度交叉，逆向传热 根据实际运行数据，选取出现频率较多的数据，该贫富换热器富气进口温度为2 0 ，出口温度为2 ；贫气进口温度为2 i ，出口温度为3 。同样可以画出该换热器 进出口温度随管长的变化曲线如图2 1 所示。从图中可以明显看出，冷物流出口温度3 ，高出热物流的出口温度2 达5 之多，这样就出现了温度交叉现象，也即换热器 中会出现逆向传热。由于冷物流的温度在某一定管长处高于热物流，热量会从冷物流传 向热物流。这在换热器设计中是不允许的。逆向传热不仅引起换热过程的紊乱和操作不 稳定，而且也造成效率的下降和能源的浪费。显然，贫富换热器在实际运行中也存在较 严重的工艺参数不合理的问题。 9 蝥二耋兰坚耋i 蝥篓21 i 憾 赠 管长 图2 1 冬季工况贫富换热器温度变化曲线图 f i g 2 1t c m 雕髓钿他v a r i a t i o nc u i n e o f p o o r a n dr i c h g 笛h e a t - e x c h a n g e r i n w i n t e r c o n d i t i o n 立敛p 图2 2 对数平均温差校正系数 f i g 2 2l o g a r i t h m i ca v e r a g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec o r r e c t i o nf a c t o r 喜埘掣霉饼一一t牛# 人庆油学院t 程坝 ：专业学位论文 冷热流体位置不当 贫富气换热器，冷流体走壳程，热流体走管程。由于冷流体温度较低达2 l ，走 壳体很容易造成冷损失，尤其在夏季将更为严重。故在此情况下冷流体应走管内为好。 对数平均温差校j 下系数过低 换热器对数平均温差求出后还必须求解对数平均温差校正系数e ，两者相乘得到 有效平均温差后，才能用于传热计算公式。通常要求月不得小于o 8 ，否则一方面经济 上不合理，另一方面当只值在0 7 左右时，如果操作温度稍有变化，e 值就可能急剧降 低，将影响到操作的稳定性。 对数平均温差校正系数一般通过图表查出，图2 2 是单壳程的图表。查图之前需先 根据换热器的两端温度计算出p 和r 参数，乃和乃分别为热流体的进出口温度，j 和 b 分别为冷流体的进出口温度。 由图2 2 可以计算出贫富换热器的温度校j 下系数。对于冬季工况，可以计算出 卢0 5 9 ，r = 0 9 2 ，查图得到r = 0 ，5 。显然这是不合理的。 若假设热流体出口温度不是2 ，而是提高到3 ，则此时p - - 0 5 9 ，r = 0 7 1 ，查图 得到r o 7 8 。 若热流体出口温度提高到6 c ，则p - - 0 5 9 ，r = 0 5 8 ，查图得e o 8 7 ，因而温度的 变化对对数平均温差校正系数有着较大的影响，如能避免温度交叉，温度校正系数也会 趋于正常。 2 4 2 春季工况 1 水冷却器 冷却水流速偏低 水冷却器的一个问题是水在管程的流速偏低。我们根据物料侧的流量和温度变化可 以算出热负荷，从而计算出所需的水量为4 4 8 0 0 k g h r ，由此可算出冷却水在管程的流速 为o 4 m s 。通常换热器的设计要求管内冷却水的流速应不小于0 6 m s ，否则因湍流程度 太低，而造成管内给热系数太小影响到传热。故可以说该流速的设计是十分不合理的。 冷热侧换热温差较低 水冷却器冷热物流的温差只有7 2 左右，温差小传热推动力就小，所需传热面积 就大。一般来说传热温差控制在1 0 以上是比较合理的。 冷却水进出口温差太小 春季工况中，水冷却器冷却水进口温度1 2 ，出口温度1 0 1 2 ，温差只有2 ，冷却 水利用不充分。一般来说，冷却水进出口温差在s 1 0 比较合适。 2 贫富器换热器 出现温度交叉，逆向传热 第二牵实际生产数据分析 根据实际运行数据，取出现频率较多的数据，该贫富换热器富气进口温度为1 2 ， 出口湿度为- 5 ；贫气进口温度为2 l ，出口温度为2 。同样可以画出该换热器进出 口温度随管长的变化曲线如图2 3 所示。从图中可以明显看出，冷物流出口温度2 ， 高出热物流的出口温度5 c 达7 c 之多，这样就出现了温度交叉现象，也即换热器中会 出现逆向传热，存在较严重的工艺参数不合理问题。 冷热流体位置不当 贫富气换热器，冷流体走壳程，热流体走管程。由于冷流体温度较低达2 l ，走 壳体很容易造成冷损失。尤其在夏季将更为严重。故在此情况下，冷流体应走管内为好。 对数平均温差校正系数过低 换热器对数平均温差求出后，还必须求解对数平均温差校正系数只，两者相乘得到 有效平均温差后，才能用于传热计算公式。通常要求e 不得小于0 8 ，否则一方面经济 上不合理，另一方面当e 值在o 7 左右时，如果操作温度稍有变化，e 值就可能急剧降 低，将影响到操作的稳定性。 该春季工况水冷却器的对数平均温差校j 下系数为0 7 7 ，数值较低，是不合适的。 倒 赠 管长 图2 3 春季工况贫富换热器温度变化曲线图 f i g 2 3t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v eo f p o o ra n dr i c hg a sh e a t - e x c h a n g e ri ns p r i n gc o n d i t i o n 2 a 3 夏季工况 1 水冷却器 冷却水流速偏低 水冷却器的一个问题是水在管程的流速偏低。我们根据物料侧的流量和温度变化可 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 以算出热负荷，从而计算出所需的水量为2 3 5 0 0 k g b a ，由此可算出冷却水在管程的流速 为o 2 m s 。通常换热器的设计要求管内冷却水的流速应不小于0 6 m s ，该流速的设计是 十分不合理的。 冷热侧换热温差较低 水冷却器冷热物流的温差只有4 6 c 左右，传热推动力小，所需传热面积就大。传 热温差应达到1 0 c 以上较合理。 冷却水进出口温差太小 夏季工况中，水冷却器冷却水进口温度2 2 c ，出口温度2 5 ( 2 ，温差只有3 c ，冷却 水利用不充分。一般来说，冷却水进出口温差在g - - l o 比较合适。 2 贫富气换热器 出现温度交叉，逆向传热 根据实际运行数据，取出现频率较多的数据，该贫富换热器富气进口温度为2 6 3 2 ， 出口温度为5 1 2 ；贫气进1 2 1 温度为2 1 ，出口温度为1 2 ( 2 。同样可以画出该换热器进 出口温度随管长的变化曲线如图5 4 所示。从图中可以明显看出，冷物流出口温度1 2 ，高出热物流的出e l 温度5 c 达7 之多，出现了温度交叉现象，导致换热器中会出 现逆向传热。逆向传热不仅引起换热过程的紊乱和操作不稳定，而且也造成效率的下降 和能源的浪费。显然，贫富换热器在实际运行中也存在较严重的工艺参数不合理的问题。 管长 田2 4 夏季工况贫富换热器温度变化曲线图 f i g 。2 4t e m l x r a t u mv a c a t i o ng l a iv eo f p o o ra n dr i c hg a sh e a t - e x c h a n g e ri ns u m m e rc o n d i t i o n 第二章实际生产数据分析 冷热流体位置不当 贫富气换热器，冷流体走壳程，热流体走管程。由于冷流体温度较低达2 1 ，走 壳体很容易造成冷损失，尤其在夏季将更为严重。故在此情况下，冷流体应走管内为好。 对数平均温差校正系数过低 换热器对数平均温差求出后，还必须求解对数平均温差校正系数e ，两者相乘得到 有效平均温差后，才能用于传热计算公式。通常要求e 不得小于0 8 ，否则一方面经济 上不合理，另一方面当月值在o 7 左右时，如果操作温度稍有变化，月值就可能急剧降 低，将影响到操作的稳定性。 该夏季工况水冷却器的对数平均温差校正系数为o 7 5 ，数值较低，是不合适的。 2 4 4 秋季工况 1 水冷却器 冷却水流速偏低 水冷却器的一个问题是水在管程的流速偏低。现场没有冷却水的流量数据，根据物 料侧的流量和温度变化可以算出热负荷，从而计算出所需的水量为4 5 0 0 0 k g h r ，由此可 算出冷却水在管程的流速为0 4 m s 。通常换热器的设计要求管内冷却水的流速应不小于 0 6 m s ，否则因湍流程度太低，而造成管内给热系数太小影响到传热。故可以说该流速 的设计是十分不合理的。 冷热侧换热温差较低 水冷却器冷热物流的温差为9 5 左右，温差较小致使传热推动力小，需较大的传 热面积。一般来说传热温差应大于1 0 。 冷却水进出口温差太小 秋季工况中，水冷却器冷却水进口温度l o ，出口温度1 2 ，温差只有2 ，冷却 水利用不充分。未达到冷却水进出1 3 温差在8 l o 之间的要求。 2 贫富器换热器 出现温度交叉，逆向传热 根据实际运行数据，取出现频率较多的数据，该贫富换热器富气进口温度为1 6 ， 出口温度为3 ；贫气进1 3 温度为2 l ，出口温度为4 c 。同样可以画出该换热器进出 口温度随管长的变化曲线如图2 5 所示。从图中可以明显看出，冷物流出口温度4 c ， 高出热物流的出口温度3 达7 之多，这样就出现了较严重的温度交叉问题，换热器 中会出现逆向传热，引起换热过程的紊乱和操作不稳定，造成效率的下降和能源的浪费。 显然，贫富换热器在实际运行中存在较严重的工艺参数不合理的问题。 l 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 管长 图2 5 秋季工况贫富换热器温度变化曲线图 f i g 2 5t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v eo f p o o ra n dr i c hg a sh e a t - e x c h a n g e ri na l l t l g l f l nc o n d i t i o n 冷热流体位置不当 贫富气换热器，冷流体走壳程，热流体走管程。由于冷流体温度较低达2 l ，走 壳体很容易造成冷损失，尤其在夏季将更为严重。故在此情况下，冷流体应走管内为宜。 对数平均温差校正系数过低 换热器对数平均温差求出后，求解对数平均温差校正系数e ，两者相乘得到有效平 均温差后，用于传热计算公式。通常要求e 不得小于0 8 ，否则一方面经济上不合理， 另一方面当e 值在0 7 左右时，如果操作温度稍有变化，只值就可能急剧降低，将影响 到操作的稳定性。 该秋季工况水冷却器的对数平均温差校正系数为o 7 5 ，数值较低，是不合适的。 第三章装置建模及流程模拟 第三章装置建模及流程模拟 3 1 现有生产装置建模 现有生产装置的建模需考虑流程的特点以及所需模拟的内容、要求的计算结果、需 着重分析的问题等因素，所以应选取适当的过程模型建立起装置模型。 中七浅冷装置主要化工单元过程包括压缩机、气液分离罐、换热器等。对于空冷器 可采用简单换热器模型；水冷却器、贫富气换热器和氨蒸发器则需采用严格法换热器计 算模型；压缩机可用压缩模型：气液分离罐采用绝热闪蒸模型。 根据上述原则建立的流程模拟模型如图3 1 所示。 s i 原科气；e l - 空冷器：e 2 水冷却器；e 3 贫富气换热器；e 4 氨蒸发嚣 f 1 一级三分器：f 2 二级三分器 s l - m a l e t i a lg a s ；e l - a i rc o n d e n s e r ；e 2 - w a t e rc o n d e n s e r ；e 3 - p o o ra n dr i c hg a sh e a t - e x c h a n g e r ； e 4 - a m m o n i ae v a p o r a t o r , f 1 - t h ef i r s t - l e v e lt r i - s e e t o ri m p l e m e n t ；f 2 - t h es e c o n d - l e v e lt r i - s e e t o ri m p l e m e n t 1 6 图3 1 中七浅冷装置流程模拟模型 f i g 3 1s i m u l a t e dm o d e lo f z h o n g q is h a l l o wc o n d e n s i n gu n i t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 3 2 实际工况流程模拟 3 2 1 冬季工况 生产装置模型建立之后，按照冬季的平均运行参数输入有关工艺参数和设备条件， 进行实际生产工况的模拟。其目的，一是考察模拟结果和实际生产数据的符合情况，二 是通过模拟结果进一步分析装置存在的问题，以便为下步的优化打下基础。 对于压缩机需要输入气体流量，出入口压力，压缩机效率，便可算出压缩机功率、 出口温度；对于严格法换热器计算，需要给出冷熟物流进口的温度、压力、流量、组成 以及换热器的详细结