天然氣液化工藝優(yōu)化節(jié)能2016-5-17

天然氣液化工藝優(yōu)化節(jié)能Contact:LuChenTel:+44-161-974-0090Lu.chen@公司背景LNG工廠背景介紹操作優(yōu)化技術(shù)介紹技術(shù)安全性工業(yè)案例小結(jié)公司背景英國曼徹斯特大學(xué)化工及分析科學(xué)學(xué)院過程集成研究中心（CPI）PIL過程集成概念設(shè)計的世界領(lǐng)先地位廣泛成功的工業(yè)應(yīng)用商業(yè)分支公司背景過程集成研究中心（CPI）廣為業(yè)界熟知的多項節(jié)能降耗先進(jìn)技術(shù)的發(fā)源地，并保持這些技術(shù)的世界領(lǐng)先地位，例如:用于工藝裝置內(nèi)部節(jié)能的熱集成夾點分析與優(yōu)化技術(shù)用于全廠公用工程系統(tǒng)節(jié)能的夾點分析與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)用于煉油廠氫資源管理的氫夾點分析與優(yōu)化技術(shù)用于工業(yè)水資源管理的水夾點分析與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)BodoLinhoff（夾點分析技術(shù)創(chuàng)始人）CPI首任主任RobinSmith（院士）CPI現(xiàn)任主任PIL董事會成員1984年成立的研究基金會專門為CPI提供研究資金過程集成研究中心的研究基金會研究基金會的成員公司：BPShellExxonMobilTotalSaudiAramcoPetronasPetrobrasUOP

KBR等近20家會員企業(yè)RobinSmith：院士，CPI現(xiàn)任中心主任。PIL董事會董事、總裁KeithGuy：院士,PIL董事會主席。公司在冊員工獲得博士及碩士研究生學(xué)位比例超過全公司75%。PIL人員構(gòu)成PIL董事會PIL首席執(zhí)行官PILUKPILChinaPILUSA辦公地址英國曼徹斯特中國北京美國休斯敦國內(nèi)合作單位與中石化洛陽石化工程公司及中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系與洛陽院在常減壓裝置新設(shè)計和改造設(shè)計、公用工程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、煉廠氫網(wǎng)絡(luò)改造設(shè)計等領(lǐng)域進(jìn)行合作。與華東院在常減壓裝置新設(shè)計和改造設(shè)計方面進(jìn)行合作與石化盈科建立了分子煉油技術(shù)開發(fā)聯(lián)合試驗室PIL近年相關(guān)業(yè)績客

戶項

目

石化盈科廣州、九江、茂名、洛陽、武漢、金陵、石家莊、青島石化、天津、揚子、海南、上海石化、燕山、長嶺、荊門（15家）公用工程系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)能項目

石化盈科茂名1、2、3套常減壓裝置操作優(yōu)化節(jié)能項目

石化盈科中原、茂名、廣州3套乙烯裝置分離系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)能項目

中石化石家莊焦化裝置改造優(yōu)化項目洛陽石化工程公司茂名1800萬噸/年改擴建氫網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)管理與改造優(yōu)化洛陽石化工程公司揚子800萬噸/年常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)全新設(shè)計優(yōu)化中化泉州1200萬噸/年常減壓裝置換熱網(wǎng)絡(luò)全新設(shè)計優(yōu)化洛陽石化工程公司湛江中科1500萬噸/年全新煉廠深度熱聯(lián)合設(shè)計優(yōu)化洛陽石化工程公司湛江中科1500萬噸/年全新煉廠蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中石化撫順研究院金陵石化氫氣系統(tǒng)優(yōu)化項目PIL相關(guān)業(yè)績（續(xù)）客

戶項

目

中石油長慶、錦西、遼化2套常減壓裝置改造優(yōu)化項目中石油獨山子、克拉瑪依、錦西、大慶、錦州全廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化項目中石油錦西160萬/年焦化裝置節(jié)能改造項目中石油大慶煉廠水系統(tǒng)優(yōu)化項目KBRIGCC系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計項目匈牙利MOL煉廠全廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化項目Sabic汽油緩和加氫裂化流程設(shè)計與優(yōu)化Shell2個全廠二氧化碳減排項目Shell氫網(wǎng)絡(luò)管理與優(yōu)化JohnsonMatthey煉油過程項目培訓(xùn)WSAtkins系統(tǒng)可靠性、有效性和可維護(hù)性培訓(xùn)中華石油集團(臺灣)全廠能量集成

PIL相關(guān)業(yè)績（續(xù)）客

戶項

目

BritishGas液化天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能KBC夾點技術(shù)在節(jié)能方面的應(yīng)用BP全廠能量集成原油精餾設(shè)計去二氧化碳火力電站設(shè)計

ExxonMobil氫網(wǎng)絡(luò)管理與優(yōu)化原油精餾系統(tǒng)改造設(shè)計

系統(tǒng)能量利用效率方面的咨詢項目TataSteel工業(yè)水系統(tǒng)優(yōu)化項目OFT生物柴油精制技術(shù)優(yōu)化項目LNG工廠背景介紹有利因素環(huán)境惡化清潔能源不利因素進(jìn)口量增加產(chǎn)能過剩經(jīng)濟下行需求疲軟

天然氣作為一種清潔能源，越來越受歡迎。但在目前整體經(jīng)濟下行的情況下，LNG生產(chǎn)企業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。開源不太現(xiàn)實的話可否考慮節(jié)流？LNG工廠現(xiàn)狀高耗能因素運行偏離設(shè)計工況氣源條件變化冬夏環(huán)境溫度變化產(chǎn)品出口溫度要求變化生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生變化技術(shù)改造后操作環(huán)境變化實際工況分析綜合考慮設(shè)備性能系統(tǒng)分析操作參數(shù)工藝優(yōu)化節(jié)能通用流程模擬軟件：能耗評估專業(yè)優(yōu)化軟件：尋找最小能耗操作條件現(xiàn)場運行調(diào)試：達(dá)到節(jié)能效果定制在線優(yōu)化軟件LNG工廠問題分析及解決方法操作優(yōu)化技術(shù)介紹工藝優(yōu)化節(jié)能的流程采集設(shè)計和實際操作數(shù)據(jù)并深入分析在模擬軟件Unisim中模擬基礎(chǔ)工況并與實際數(shù)據(jù)對比在優(yōu)化軟件中優(yōu)化操作參數(shù)導(dǎo)回到流程模擬軟件中計算節(jié)能效果現(xiàn)場調(diào)試工藝參數(shù)驗證節(jié)能效果并開發(fā)在線優(yōu)化軟件優(yōu)化理論：夾點技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)ANN和NLP優(yōu)化對液化工藝系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗組分摩爾組成

氮氣mol%甲烷mol%氧氣mol%二氧化碳mol%合計100組分摩爾組成

歸一化前摩爾組成

歸一化后氮氣mol%mol%甲烷mol%mol%乙烯mol%mol%丙烷mol%mol%異戊烷mol%mol%合計100.00天然氣進(jìn)冷箱前組成混合制冷劑組成基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)采集工藝參數(shù)名稱計量單位

參考位置

原料氣冷箱入口流量Nm3/h1原料氣冷箱入口溫度°C1原料氣冷箱入口壓力MPaG1LNG產(chǎn)品冷箱出口溫度°C2LNG產(chǎn)品冷箱出口壓力MPaG2原料氣基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)采集原料氣LNG12冷箱工藝參數(shù)名稱計量單位

參考位置

冷劑壓縮機段數(shù)二段一段壓縮前溫度°C1一段壓縮前壓力MPaG1一段壓縮后溫度°C2一段壓縮后壓力MPaG2一段間冷后溫度°C3一段間冷后壓力MPaG3二段壓縮后溫度°C4二段壓縮后壓力MPaG4二段冷卻后溫度°C5二段冷卻后壓力MPaG5冷劑壓縮機基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)采集2混合制冷劑MR一段壓縮1ststagecompression二段壓縮2ndstagecompression一段間冷1stinter-cooler二段間冷2ndinter-cooler3451工藝參數(shù)名稱計量單位

參考位置

冷劑進(jìn)冷箱流量Nm3/h1冷劑預(yù)冷前溫度°C1冷劑預(yù)冷前壓力MPaG1冷劑預(yù)冷后溫度°C2冷劑預(yù)冷后壓力MPaG2冷劑膨脹后溫度°C3冷劑膨脹后壓力MPaG3冷劑蒸發(fā)后溫度°C4冷劑蒸發(fā)后壓力MPaG4冷箱基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)采集混合制冷劑MR冷箱Coldbox12膨脹閥Valve34冷卻器Condenser多段壓縮機Multi-stagecompressor冷劑預(yù)冷冷劑蒸發(fā)

液化工藝數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化理論夾點技術(shù)ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NLP非線性規(guī)劃優(yōu)化方法優(yōu)化方法采集歷史數(shù)據(jù)換熱夾點分析找出操作范圍夾點技術(shù)優(yōu)化方法xyaArtificialNeuralNetworks收集數(shù)據(jù)建立過程模型選擇方程個數(shù)和類型確定變量范圍培訓(xùn)ANN回歸方程驗證ANN模型ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法找出設(shè)備限制條件NLP優(yōu)化算法系統(tǒng)能耗最小的優(yōu)化參數(shù)NLP非線性規(guī)劃優(yōu)化參數(shù)名稱單位制冷劑返回壓力MPaG制冷劑壓縮機一級入口流量Nm3/h制冷劑一級液相預(yù)冷后溫度°C制冷劑二級液相預(yù)冷后溫度°C制冷劑二級氣相預(yù)冷后溫度°C制冷劑二級氣相與二級液相膨脹后混合時溫度°C三股制冷劑膨脹后混合時溫度°C組分摩爾組成

氮氣mol%甲烷mol%乙烯mol%丙烷mol%異戊烷mol%合計1冷箱優(yōu)化參數(shù)混合制冷劑組成優(yōu)化計算輸出結(jié)果技術(shù)安全性操作變量調(diào)節(jié)手段X混合冷劑組成可通過補充或?qū)С霾糠掷鋭崿F(xiàn)PIn冷劑壓縮機入口壓力可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度實現(xiàn)F冷劑流量可通過調(diào)節(jié)壓縮機進(jìn)口閥開度及補充或?qū)С霾糠掷鋭﹣韺崿F(xiàn)其它工藝條件由現(xiàn)有設(shè)備（壓縮機及冷箱）自身的性能決定

操作優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)都是日常生產(chǎn)會經(jīng)常改變的參數(shù)，調(diào)整這些參數(shù)不會對生產(chǎn)的安全性產(chǎn)生影響工藝調(diào)整安全性工藝優(yōu)化技術(shù)對生產(chǎn)安全及穩(wěn)定性的影響節(jié)能技術(shù)是否會影響生產(chǎn)安全，是否會影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性？1、我們是在考慮設(shè)備運行限制條件的基礎(chǔ)上做的參數(shù)優(yōu)化，且各參數(shù)的變化幅度不是很大；2、實際現(xiàn)場調(diào)試是在與工廠技術(shù)人員商量好調(diào)試方案的前提下分步完成的，每步只調(diào)整很小的幅度，是從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的逐步過渡；3、調(diào)整的整個過程是可逆的，即使出現(xiàn)不利于生產(chǎn)的變化趨勢，可以立即還原到調(diào)整前的狀態(tài)；4、調(diào)試的時候不需要停車，只是對平時生產(chǎn)人員經(jīng)常調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行有方向性的微調(diào)，不會對生產(chǎn)的連續(xù)性有影響。綜上所述，本操作優(yōu)化不會對工廠生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性造成影響。工業(yè)案例

某液化工藝數(shù)學(xué)模型此液化工藝?yán)鋭嚎s機系統(tǒng)是二級壓縮預(yù)冷系統(tǒng)是冰機預(yù)冷液化系統(tǒng)是壓縮機一段出口液相經(jīng)冰機預(yù)冷后進(jìn)冷箱，壓縮機二級出口氣液分離分別進(jìn)冷箱性能參數(shù)單位計算結(jié)果冷劑蒸發(fā)后離開冷箱的溫度°C-1.810換熱負(fù)荷kW8400最小換熱溫差°C2.988最大換熱溫差°C12.886UAkW/°C1104.24性能參數(shù)單位計算結(jié)果冷劑蒸發(fā)后離開冷箱的溫度°C0.55換熱負(fù)荷kW7619.52最小換熱溫差°C2.32最大換熱溫差°C10.64UAkW/°C1204.03注：1、廠方提供的基礎(chǔ)工況DCS截屏顯示冷劑蒸發(fā)后離開冷箱的溫度為-1.983°C，與模擬計算結(jié)果-1.810相

比，僅有0.173°C的偏差，由此可看出模擬結(jié)果與現(xiàn)場工況吻合較好。2、考慮實際換熱過程傳熱系數(shù)隨操作條件的變化略微變化，優(yōu)化過程中UA考慮變化余量是10%。通過比較最優(yōu)操作與當(dāng)前工況的冷箱性能可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)操作下冷箱的換熱負(fù)荷降低了9.3%。這意味著在滿足天然氣冷卻要求的前提下最優(yōu)操作的冷劑使用更加高效?；A(chǔ)工況冷箱參數(shù)優(yōu)化后冷箱參數(shù)優(yōu)化前后冷箱性能參數(shù)對比基礎(chǔ)工況冷箱冷熱組合曲線優(yōu)化后冷箱冷熱組合曲線優(yōu)化前后冷箱冷熱組合曲線對比天然氣性能參數(shù)單位計算結(jié)果第一級壓縮功耗kW1925第二級壓縮功耗kW1581合計kW3506電動機功耗（廠方提供）KW3705注：廠方提供的電動機電耗為3705kW。根據(jù)冷劑壓縮機模擬結(jié)果及提供的電動機電耗可以計算出電動機的效率為0.9463。后續(xù)的性能分析假定電動機的效率不變，并以此為依據(jù)估算新操作條件下的電動機電耗。參考電動機效率0.9463，可以估算出最優(yōu)操作下的電動機電耗為3391kW，較當(dāng)前工況下的電動機電耗減少8.48%，即314kW。若電價以0.5元/度計算，液化工廠年運行8000小時可節(jié)省電費125.6萬元。性能參數(shù)單位計算結(jié)果第一級壓縮功耗kW1771第二級壓縮功耗kW1438合計kW3209電動機功耗（反算）KW3391基礎(chǔ)工況壓縮機功耗優(yōu)化后壓縮機功耗優(yōu)化前后壓縮機功耗對比

推薦方案與當(dāng)前工況對比如下表所示：工藝參數(shù)名稱計量單位當(dāng)前工況與推薦操作模擬結(jié)果對比原料氣冷箱入口流量Nm3/h不變LNG產(chǎn)品出冷箱壓力MPaG不變原料氣液化過程壓降kPa不變原料氣冷箱入口溫度°C不變LNG產(chǎn)品冷箱出口溫度°C不變冷劑壓縮機一級入口流量Nm3/h變小冷劑壓縮機一級入口溫度°C升高冷劑壓縮機一級入口壓力MPaG變大冷劑壓縮機一級出口溫度°C升高冷劑壓縮機一級出口壓力MPaG變大間冷分離罐氣相流量Nm3/h變小間冷分離罐氣相溫度°C升高間冷分離罐氣相壓力MPaG變