分子筛脱水系统—再生气加热炉控制系统的设计(doc 54页)

1、本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：分子筛脱水系统再生气加热炉控制系统的设计学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师： 教授61 / 68分子筛脱水系统再生气加热炉控制系统的设计摘要液化天然气(LNG)作为天然气的一种应用形式,在天然气的储存和运输方面都具有十分明显的优越性。液化天然气中的饱和水分在一定条件下可能形成碳氢水合物,严重时可能堵塞液化系统的管路和设备。对于含H2S、CO2的天然气,由于水分的作用,它们将形成具有腐蚀性的酸液,从而造成设备与管线的严重腐蚀。所以,对液化天然气原料气必须进行脱水处理。本课题结合巴彦淖尔华油天然气LNG项目的实际情况,介绍了液化天然气技术的基本知识及

2、天然气的脱水工艺流程,采用分子筛脱水系统对天然气进行深度脱水。再生气加热炉是脱水工艺的关键设备之一,采用计算机控制,控制系统由PCI-6011A板卡和IPC-610工控机组成,对燃烧过程采用串级比值控制方案。在系统运行过程中,需要随时跟踪和了解生产的实际情况,所以本课题采用MCGS组态监控软件设计了人机交互界面,对生产过程进行实时监控,保证生产的安全和正常运行。关键词：液化天然气；分子筛脱水；再生气加热炉；计算机控制Molecular sieve dehydration system - recycle gas furnace control system designAbstractLiqu

3、efied natural gas (LNG) as an application form of natural gas, natural gas storage and transportation in all aspects of the superiority is very obvious. Liquefied natural gas in saturated water under certain conditions may form hydrocarbon hydrate, serious when may jam liquefaction system equipment

4、and piping. To contain the H2S, CO2 gas, due to the effect of water, they will form corrosive acid, thus causing serious corrosion equipment and piping. So, for LNG feedgas must undertake dehydration.The subject of oil gas LNG project bayinnaoer China's actual situation, introduces the basic kno

5、wledge of liquefied natural gas (LNG) technology and the dehydration process, natural gas system using molecular sieve dehydration in-depth dehydration. Recycle gas is dehydration process of reheating furnace is one of the key equipment, computer control system, control of PCI card and IPC 6011A - 6

6、10 - of combustion process control computer adopted cascade ratio control scheme. In the system operation process, for the production of tracking and actual conditions, so this topic by MCGS software design for the man-machine interface, real-time monitoring of production process, and ensure the nor

7、mal operation of production safety.Key words: liquefied natural gas； Molecular sieve dehydration；Recycle gas furnace；Automatic control目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 引言11.1 液化天然气概述11.1.1 液化天然气的概念和基本性质11.1.2 液化天然气的特性21.1.3液化天然气在国民生活中的重要性21.2 国内外研究现状和发展趋势41.2.1国外LNG的发展现状41.2.2 国内LNG研究现状61.2.3 LNG未来的发展趋势71.3

8、 本文研究的主要内容及意义8第二章 分子筛脱水系统的设计92.1液化天然气工艺流程概述92.2 分子筛脱水系统92.2.1 天然气脱水方法的选择102.2.2脱水系统吸附剂的选择112.2.3分子筛脱水工艺132.2.4 分子筛脱水的设备14第三章 再生气加热炉控制系统163.1再生气加热炉工艺及要求163.2方案设计173.2.1 自动控制方案的选择173.2.2 被控参数和控制参数的选择183.2.3 测控仪表的选择193.3控制原理图及系统方框图253.4加热炉计算机控制系统293.4.1计算机控制系统原理293.4.2加热炉计算机控制系统设计303.4.3控制算法的选择343.5 调节

9、器PID参数整定36第四章 监控系统的设计384.1 MCGS组态软件概述384.1.1 MCGS组态软件简介384.1.2 MCGS组态软件的系统组成394.1.3 MCGS组态软件的效用和特点394.2 加热炉监控系统设计414.2.1控制系统工程设计414.2.2 报警显示和报警数据424.2.3 报表与曲线显示43第五章 结论46参考文献47致谢49 第一章 引言1.1 液化天然气概述随着世界经济的快速发展及人口数量的急剧增长,世界能源的需求量也不断增长,而温室效应和各种有害物质的排放对人类生存环境造成了极大的挑战。在这一背景下,天然气作为一种优质、高效、清洁的能源与化工原料正日益受到

10、人们的重视,其应用范围也日益扩大。现已广泛用于工业部门、发电、天然气汽车、天然气化工及天然气合成油等方面。合理利用天然气己成为世界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选择。据世界能源专家预测,大约在2020年以后,天然气在世界能源结构中的占比将赶上并超过石油,成为世界第一大能源,二十一世纪将成为“天然气的世纪”。【1】我国有丰富的天然气资源,是世界天然气大国之一。目前,我国的 “西气东输”工程正在建设中,南北方向跨国天然气干线也正在进行可行性研究。到“西气东输”管线建成时,上海将成为我国天然气的集中聚集地,这必然引起天然气的储存空间问题。而液化天然气正可解决这个问题。但目前我国在液化天然气生

11、产、储存技术方面所作的研究工作还很少,与发达国家还存在很大的差距。2我国尚无大规模LNG系统工程的实践,天然气液化技术的发展使得中、西部地区丰富的天然气资源低成本地走向东、南发达地区成为可能,从而缓解我国天然气资源分布不均的矛盾；天然气液化后作为汽车燃料和城市民用清洁燃料,可减小对大气的污染,对城市环境污染问题的解决十分有利；天然气液化技术的发展,给中、老油气区寻找新的经济增长点,解决资源不足问题提供了新的思路:天然气液化工艺技术的发展,将促进我国低温技术、低温设备制造、化工生产行业的发展,给我国经济的高速快速发展注入一份新的生机。所以深入研究天然气液化技术,对我国今后发展LNG工业具有非常重

12、要的现实意义。1.1.1 液化天然气的概念和基本性质液化天然气(Liquefied Natural Gas即LNG)是天然气的一种应用形式。其一般生产工艺过程是将气田开采出来的天然气,经过“三脱” (即脱水、脱烃、脱酸性气体)净化处理后,采用先进的制冷工艺,使甲烷在常压下冷冻至-162变为液体。由于其体积仅为原气态时的1/600,所以采用LNG形式在天然气的储存和运输方面都具有十分明显的优越性。【1】一般商业LNG的组成如表1-1所示。由表1-1所示,LNG的主要成分是甲烷,其中还有少量的乙烷,丙烷,丁烷及氮表1-1 商业LNG的基本组成组分组分甲烷9298丁烷04乙烷16其它烃类化合物01丙

13、烷14惰性成分03气等惰性组分。LNG的性质随组分变化而略有不同,一般商业LNG的主要性质为：在-162和0.1Mpa下,LNG为无色无味的液体,其密度约为430Kg/m3,燃点为650,热值一般为37.62MJ/m3,在-162时的气化潜热约为510KJ/Kg,爆炸极限为515,压缩系数为0.7400.820。【2】1.1.2 液化天然气的特性LNG不同于一般的低温液体,它还具有以下的特性。(1) LNG的蒸发 LNG储存在绝热储罐中,任何热量渗漏到罐中,都会导致一定量的LNG汽化为气体,这种气体被称为蒸发气。LNG蒸发气的组成主要取决于液体的组成,它一般含氮气20（约为LNG中N2含量的2

14、0倍）,甲烷80及微量乙烷。对于纯甲烷而言,-113以下的蒸发气比空气重；对于含有氮气20 的甲烷而言,低于-80的蒸发气比空气重。（2）LNG的溢出与扩散 LNG倾倒至地面上时,最初会猛烈沸腾蒸发,其蒸发率将迅速衰减至一个固定值。蒸发气沿地面形成一个层流,从环境中吸收热量逐渐上升和扩散,同时将周围的环境空气冷却至露点以下,形成一个可见的云团,这可作为蒸发气移动方向的指南,也可作为蒸发气-空气混合物可燃性的指示。(3) LNG的燃烧与爆炸 LNG具有天然气的易爆易燃特性,在-162的低温条件下,其燃烧范围为613（体积百分比）；LNG着火温度即燃点随组分的变化而变化,其燃点随重烃含量的增加而降

15、低,纯甲烷着火温度为650。【2】1.1.3液化天然气在国民生活中的重要性天然气应用包括直接利用(如用作能源、化工等)和转换利用。根据第14届世界石油大会报告资料,天然气在全球范围内主要用于城乡居民生活和商业部门,约占总消费量的41.5%,其次是工业燃料和化工利用占37%,发电占19%,交通运输业占1%上下。不过目前情况正在发生改变。我国1998年消费天然气214亿m3,总体利用如图1-2所示。预计今后50年内,天然气的应用将会显著扩大,天然气转化生产合成氨、甲醇和烯烃、芳烃等技术将会取得新的进展,天然气用作汽车燃料也将使天然气汽车得到进一步的推广。天然气与其它燃料相比,具有使用方便、经济、热

16、值高、燃烧产物对环境污染少等优点,是一种在技 图1-2 1998年中国天然气利用比例术上证实的优质清洁燃料【3】。天然气替代其它燃料,可以进一步减少一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、氧氮化物(NOx)及烃类等的排放有利于环境保护。因此,它不仅被广泛作为钢铁、非金属矿产、玻璃、食品、陶瓷、造纸等工业的能源,同时也是发电厂的主要燃料。天然气的一些特性使它有可能成为一种很具有吸引力的汽油替代燃料。它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油。截止目前,在全世界40多个国家推广了以天然气作为燃料的汽车约120多万辆,且发展势头还在扩大。【4】天然气主要成分是甲烷,此外还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以上的烷类

17、,是重要的基本有机化工原料。以天然气为原料,可以生产出合成氨、甲醇、低碳含氧合物、合成液体燃料等种类繁多的化工产品。至今,全世界己有10%的天然气用制取化 (GTM)生产低分子烯烃(MTO)的技术己在90年代初期完成中间实验,并正在加工产业化。由于它的投资回收率比石脑油裂解高很多,因此,对于天然气资源丰富、价格便宜的地区,这种生产稀烃的技术将有很强的竞争力。天然气产业本身是现代工业技术进步的产物,是智力密集、技术密集,低投入低风险的行业。科技进步是未来天然气产业发展的关键和全球化的重要驱动力,随着技术的不断开发和广泛应用,LNG、CNG、GTL、GTC、GTP、电子商务等将为天然气使用带来特别

18、广阔的发展空间【5.6】。扩大天然气利用是当今世界的潮流,天然气用将会越来越广,天然气应用技术也随之快速发展。因此,应该抓住大好机遇,迎挑战,依靠高科技,积极拓宽天然气应用领域,大力开发应用我国的天然气资源。推广高效燃气轮机联合循环发电技术、先进的燃气燃烧器、高效燃气制冷、加热系、家用小型燃气装置、燃气热、电、冷联供系统、天然气汽车、先进的天然气合油和天然气化工技术以及LNG系统技术。1.2 国内外研究现状和发展趋势天然气是现今世界上的主要能源之一。据预测,本世纪能源比例中,天然气将大幅度上升,而石油将有所下降。由于以气态贮存和运输天然气需庞大的体积和很高的压力,而在标准大气压下,液化天然气(

19、LNG)的密度约相当于气态的625倍,这使得以液态贮存和运输天然气具有很高的经济性。城市天然气是现代化城市人们生活和工业生产的一种主要能源,因其辛烷值高,燃烧充分,不留碳黑杂质,基本没有污染,被誉为“清净燃料”或“绿色燃料”。发展城市天然气可以节约能源、减轻城市污染、提高人民生活水平、同时它也是重要的化工原料,发展天然气也同时促进工业产品质量提高,社会综合效益显著。发展城市天然气是建设现代化城市必不可少的条件,对加速实现高度物质文明和精神文明具有重要的意义。1.2.1国外LNG的发展现状天然气液化技术始于1914年,但直到1941年才开始在美国的克利夫兰建成了世界上第一座工业规模的LNG生产装

20、置。1959年,世界上第一艘LNG运输船“甲烷先锋”(MethanePioneer)号从美国的路易斯安纳州载运sooom3LNG,横渡大西洋成功地抵达英国的坎威 (Canvey)岛。1964年9月27日,阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。同年,第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国,标志着世界LNG贸易的开始。1969年,位于美国阿拉斯加的肯奈LNG装置投产,开始向日本出口LNG。1970年,利比亚成为非洲第一个LNG生产与出口国,其目标市场是西班牙。文莱是亚洲第一个LNG生产国,1972年,其LNG装置投产,向日本出口。如今, LNG国际贸易已有将近40年的历史,全球已有8个LN

21、G出口国与9个LNG进口国或地区。自1990年以来,全球LNG贸易量以年均7%以上的速度增长。1997年贸易量达7921万吨,占全世界天然气消费量的4%。目前,国际LNG贸易已形成了几个基本流向。有两大出口地区北非地区(包括近东一些国家)和亚太地区(前者占1/4份额,后者占3/4份额);有三大进口地区西欧、北美和亚太地区(前两者占l/4,后者占3/4)。在西欧市场,从阿尔及利亚出口到法国、意大利和比利时,从利比亚出口到西班牙,从尼日利亚出口到法国、意大利和西班牙。葡萄牙、希腊、捷克、德国、克罗地亚及土耳其可能成为西欧地区LNG的新用户,挪威、俄罗斯可能成为新的出口国。亚太地区是LNG增长最快的

22、市场,年增长幅度为5%6%。长期以来,这一市场一直保持着并将继续保持对国际LNG市场的支配地位。日本一直是最主要的用户(约占LNG进口总额的2/3),其次是韩国和中国台湾。据外国专家预测,不久的将来,泰国、印度、和中国将成为这一地区LNG的需求国。LNG工厂按使用情况一般分为基地型、调峰型、终站型、卫星型四种类型。LNG工厂具有投资费用大、操作条件特殊、配套要求严格等特点【7】。(1)基地型(BaseLoad)基地型LNG工厂多建在气源附近,生产大量的LNG提供远离气源的用户或供出口。其特点是液化能力大,每天可将(534)×106m3的天然气液化,最大可达70xl06m3。此外,这类

23、工厂的储罐容量也较大,并附有码头及装载设施。(2)调峰型(peakshaving)调峰型LNG工厂多建在用户附近,主要用来调节用户高峰负荷或冬季为用户提供燃料,平时则用来液化管输来的相对富裕的天然气。其特点是液化能力较小,通常每天可处理天然气(1020)×104m3,而储存容量和LNG再气化能力相对较大。储罐一般可储LNG(2.510)×1O4m3。每年开工约200250天,若使储罐充满LNG在用气高峰时再气化可供612天使用。这类工厂在国外很普遍,仅美国和加拿大就建有100多套。此外,英国、德国、澳大利亚以及其它以天然气为主要燃料的国家也建有这类工厂。(3)终站型(Ter

24、minal)终站型LNG工厂主要用来大量接收由船从基地型工厂运来的LNG,加以储存并气化后再进入配气系统提供给用户。它的液化能力很小(主要是液化储罐中LNG蒸发出来的气体),而气化能力很大,储-罐容量也很大。这类工厂一般都配有冷量回收和利用装置。例如,将LNG再气化过程中产生的可观冷量用于海水淡化、空气液化、冷冻与冷藏、发电、空调及固体低温粉碎等。(4)卫星型(satellite)卫星型为调峰型的一种,靠用船或特殊槽车从中心运来LNG加以储存,到用气高峰时再气化以补充不足。其本身无液化能力。至1998年为止,在全世界8个LNG出口国中,有22座天然气液化工厂,共56系列,其设计能力为9420万

25、吨/年,1997年实际生产7921万吨,开工率为84%。而且,随着目前正在建造的5座共8系列的LNG工厂的建成,LNG生产能力将再增加2300万吨/年。另外,还有大量的LNG工厂正在计划建造,设计能力超过1亿吨/年,如全部投产,届时全球LNG生产能力将是目前的乙5倍左右。自60年代起,全世界生产LNG装置的数量与规模不断增加,已投产的LNG装置目前达160多套。其中70%左右是调峰型装置,它们主要分布在北美。最大的LNG工厂在马来西亚鼓蒂,其天然气处理能力为70×106m3/d。【1】1.2.2 国内LNG研究现状我国虽于1973年在四川建成了国内第一个天然气提氮工厂(可联产LNG)

26、,但总体来说我国的LNG工业仍处于起步阶段。在我国,液化天然气在天然气工业中所占占比几乎为零,这无法满足我经济发展中对液化天然气的需求,也与世界上液化天然气的高速度、大规模发展的形势相悖,但值得称道的是,我国的科研人员和从事天然气开发的工程技术人员为我国液化天然气工业做了许多探索性的工作。目前,有三套全部国产化的小型液化天然气生产装置分别在四川绵阳、吉林油田和长庆油田建成,三套装置采用不同的生产工艺,为我国LNG事业发展起到了很好的示范作用。中科院低温技术实验中心分别为四川绵阳燃气集团总公司、中国石油天然气总公司勘探局与吉林石油管理局研制一套实验性天然气液化示范装置,液化量分别为300升/小时

27、、500升/小时【8】。在四川的一套天然气液化装置采用天然气透平膨胀机,利用天然气自身压力膨胀制冷,将部分天然气液化,设备紧凑,除少量仪表及照明用电外,不消耗电能,但需安排有稳定的天然气用户来使用经过减压后大部分未液化的天然气。其主要参数及技术经济指标为:进气压力4MPa；出口压力0.5MPa；日处理天然气量(标准)4000m3；液化量300L/h；电能消耗12kw；燃气消耗(标准)500m3。该装置采用了天然气润滑的气体轴承透平膨胀机,具有国际先进水平。上海煤气公司建设的平湖燃气输配工程液化天然气调峰站位于上海市东北。该站接收通过浦东燃气输气管网输来东海海上油田气,其主要效用是:l)在气源或

28、输气系统发生故障时,利用调峰站的储备能力,保证浦东地区十天连续供气,2)在冬季用气高峰期,保证正常供气量外新增加的额外要求。该调峰站的设计能力为:LNG生产能力为174m3/d,LNG气化能力为120m3/h【9】。据悉,为解决沿海一带的能源短缺问题,我国已计划从国外进口一部分LNG。我国首家进口液化天然气(LNG)利用项目-广东液化天然气接收站和输气干线项目,于2002年4月18日在北京正式签署项目合作原则契约。该项目一期规模300万吨/年,总投资为51亿元人民币,计划2005年投产。二期规模500万吨/年,投资21亿元人民币,计划2008年投产。中国海洋石油总公司占股份33%,深圳市投资管

29、理公司、广东省电力集团公司、广州市煤气公司、东莞市燃料工业总公司和佛山市燃气总公司在内的广东5家项目发起方占31%,BP公司占30%,香港电灯集团有限公司和香港中华煤气有限公司各占3%。此外,2005年2010年,亚洲(包括我国大陆及台湾在内)LNG的供需缺口将由1535Mt扩大到3070Mt,因此,今后我国的LNG工业也将会有较大发展。1.2.3 LNG未来的发展趋势世界LNG工业总的发展趋势是：在保证安全性的前提下,发展规模经济,降低能耗,降低费用,提高效率,提高有效性和安全性,增强LNG价格在能源价格(以原油价格为基础)中的竞争能力。安全第一将继续成为LNG装置设计、施工和操作的基本原则

30、。不断改进设计手段,提高设计质量,改进技术参数,减少设计余量,正确合理的选择液化工艺和工艺设备,可节省大量的费用。实现LNG系统的优化。不但要对液化工艺和设备的选择优化组合,而且要对整个LNG系统实现优化,如输入输出站的储罐容量,海运效率和速度,气候条件和LNG季节性需求,原料提供等,都对LNG生产有影响,必须对所有变量或参数进行优化,获得最佳妙果。提高装置的有效性。提高装置的有效性是降低LNG费用的重要途径之一。装置停机,包括计划停机和非计划停机,对装置的有效工作时间有很大影响,要把计划停机和非计划停机控制到最低水平。延长装置的使用寿命。延长装置的使用寿命,也能降低LNG费用。目前主要研究那

31、些对装置维修次数和时间影响大的易损易磨元件上,如轴承和密封件。LNG工厂的生产线向大型化发展。扩大LNG生产能力,提高LNG生产线数量,提高LNG产量,发展规模经济,可以进一步节约能耗,降低LNG的生产成本。降低LNG工厂的能耗。目前世界上对降低LNG工厂能耗正进行不懈的努力,力求达到更低的能耗指标。随着LNG生产的发展,天然气液化工艺经历了繁一简一繁(在一个新的高度上)的变化过程,其主要目的是为了降低能耗,提高技术经济效益。1.3 本文研究的主要内容及意义天然气是一种清洁优质能源,近年来,世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。从今后我国经济和社会发展看,加快天然气的开发利用,对改善能源结构,

32、保护生态环境,提高人民生活质量,具有十分重要的战略意义。分子筛脱水系统在天然气液化过程中占有重要的地位,只有在分子筛脱水系统中脱除天然气中的水分,才能保证后面的液化过程顺利进行,从而也保护了设备和管线不被腐蚀,延长设备的使用寿命,提高了经济效益。本文主要针对巴彦淖尔华油天然气LNG项目天然气液化过程中的脱水系统进行了研究。脱水方法有溶剂吸收法、低温冷凝法,固体吸附法等多种方法,而固体吸附法中以分子筛脱水的应用最为广泛,技术最成熟可靠。在脱水工艺中的一个很重要的设备是再生气加热炉。稳定的控制再生气加热炉的炉温,是保证脱水系统深度脱水的必要条件。所以如何控制再生气加热炉中气体的温度,采用什么样的控

33、制系统是本文研究的关键。第二章 分子筛脱水系统的设计2.1液化天然气工艺流程概述天然气液化(见图2.1)一般包括天然气净化(也称预处理)过程和天然气液化过程两部分,后者则是核心。通常,先将原料天然气经过预处理,脱除液化过程的不利组分(酸性组分、水分、较重烃类及汞等),之后再进入制冷系统的高效换热器不断降温,并将丁烷、丙烷、乙烷等逐级冷凝分离,最后在常压下使温度降低到-162左右,即可得到LNG产品【10】。将LNG送入保冷良好的绝热容器,可以在常压下储存、运输和使用。由于天然气在液化前经过净化处理,清除掉了不利于天然气液化流程顺利进行的成分,因此它比管输气更为清洁的燃料。现代LNG工业技术的内

34、容包括了LNG生产、储运与利用的全过程,即天然气液化(含预处理、深冷液化、LNG储存)、LNG运输(船运、车运)、LNG接受终端、LNG卫星站及LNG利用等。与气态天然气相比,液化后的天然气只有原体积的1/625,因此采用LNG的形式对远离能源消耗地区,海上天然气田的开发利用,都具有十分明显的优越性。图2-1 天然气液化过程工艺流程图2.2 分子筛脱水系统天然气作为液化装置的燃料气,首先必须对其进行预处理。天然气预处理主要是脱除其中的有害杂质及深冷过程中可能结晶的物质,也就是天然气中的H2S、CO2、水分、重烃和汞等杂质。天然气预处理主要目的有：避免低温下水与烃类组分冻结而堵塞设备和管道,降低

35、管线的输气能力；提高天然气的热值,满足气体质量标准；保证天然气在深冷条件下液化装置能正常运行；避免腐蚀性杂质腐蚀管道及设备。由于LNG原料气中的饱和水分在一定条件下可能形成碳氢水合物,严重时可能堵塞液化系统的管路和设备,最终影响LNG生产。另外,对于含CO2、H2S的天然气,由于水分的作用,它们将形成具有腐蚀性的酸液,从而造成设备与管线的严重腐蚀。所以,对LNG原料气必须进行脱水处理。天然气液化过程中需深冷至约-162,为避免在低温液化过程中出现结冰堵塞设备和管线,天然气在液化之前必须进行净化,脱除天然气中的酸性气体(如H2S,CO2等)和水。因为天然气液化的温度非常低,对含水量要求相应很高,

36、故需要进行深度脱水。2.2.1 天然气脱水方法的选择为避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象,通常需在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除,使其露点达到-100以下。目前,LNG原料气的脱水方法可援用天然气的常用脱水法,主要包括低温冷凝法、溶剂吸收法、固体吸附脱水法和膜法脱水法。 低温冷凝法 利用高压天然气节流膨胀降温或利用透平膨胀机使天然气膨胀降温,借助于天然气和水气凝结为液体的温度差,使天然气中的水汽和重烃冷凝为液体,再借助于液烃和水的密度差进行重力分离。该法适用于高压天然气,对低压天然气则必须首先增压。但是,节流膨胀、透平机膨胀等低温冷凝法的适用范围窄、造价高、系统复杂、应用局限性

37、较大、工程投资和能耗因脱水过程而增大。 溶剂吸收脱水法 该法利用某些溶剂对天然气中的水有很好的溶解能力且不与天然气中的水或烃类发生化学反应的特点,它们的混合液的蒸气压很低,溶剂可再生和循环使用。这样的溶剂一般是相对分子质量较高的醇类,如三甘醇（TEG）、二甘醇（DEG）和乙二醇（EG）等。该方法处理量大、脱水成本低、应用广。 膜法脱水法 与传统的化学吸收、物理吸收和深冷法相比,膜分离法具有无额外材料及试剂的加入、无再生、无二次污染、设备简单、操作简单、操作费用低等优势。但在天然气脱水过程中,膜材料的渗透将损失部分甲烷,且处理量不大。 固体吸附脱水法 使用具有内部多孔结构的、比表面积较大的吸附剂

38、来脱水。脱水后的天然气含水量可降至1mg/kg,或天然气的露点达到-101,常用的固体吸附剂有硅胶、活化氧化铝、4A分子筛和5A分子筛。固体吸附剂一般容易被水饱和,可采用热吹脱附再生,以便循环使用。固体吸附剂一般用于低含水天然气的深度脱水。【2】本项目要求进入液化厂的天然气中水含量小于1×10-6,所以我们选用固体吸附脱水法进行深度脱水。2.2.2脱水系统吸附剂的选择目前在天然预处理过程中,主要使用的固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。活性炭的脱水能力甚微,主要用于从天然气中回收液烃。活性氧化铝是一种极性吸附剂,它对多数气体和蒸汽都是稳定的,是没有毒性的坚实颗粒,浸入水或液体

39、中不软化、溶胀或破裂,抗冲击和抗磨损的能力强。它常用于气体、油品和石油化工产品的脱水干燥。活性氧化铝干燥后的气体露点可低达73。循环使用物化性能变化不大。为了防止生成胶质沉淀,活性氧化铝宜在177316下再生,即床层再生气体在出口时最低温度需维持在177,方可恢复至原有的吸附能力,因此其再生耗热量较高。活性氧化铝吸附重烃后,再生时不易清除。活性氧化铝呈碱性,可与无机酸发生化学反应故不宜处理酸性天然气。硅胶是一种亲水性的极性吸附剂。硅胶对极性分子和不饱和烃具有明显的选择性,因此可用于天然气脱水。硅胶的吸附性能和其它吸附剂大致相同,一般可使天然气的露点达-60。硅胶很容易再生,再生温度为18020

40、0。虽然硅胶的脱水能力很强,但易于被水饱和,且与液态水接触很易爆裂,产生粉尘。分子筛是一种天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐。在分子筛的结构中有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的孔穴。这些孔穴不仅提供了很大的比表面,而且它只允许直径比孔径小的分子进入,而比孔径大的分子则不能进入,从而使分子筛吸附分子有很强的选择性。根据孔径的大小不同,以及分子筛中SiO2与Al2O3的摩尔比不同,分子筛可分为几种不同的型号,见表2.1。X型分子筛能吸附所有能被A型分子筛吸附的分子,并且具有稍高的湿容量【11】。在天然气净化过程中,常见的几种物质分子的公称直径见表2.2 所列。其中,H2O、CO2和H2S分子的直径小于4

41、×10-10m,烃类分子的直径均大于4×10-10m。表2-1 几种常用的分子筛型号SiO2/Al2O3摩尔比孔径/(×10-10m)化学组成（M2/nO·Al2O3·x SiO2·yH2O）3A（钾A型）233.32/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·SiO2·4.5H2O4A(钠A型）24.24.7Na2O·Al2O3·2SiO2·4.5H2O5A（钙A型)24.95.60.7CaO·0.3Na2O·Al2O3·2SiO2

42、83;4.5H2O10X(钙X型)2.23.3890.8CaO·0.2Na2O·Al2O3·2.5SiO2·6H2O13X（钠X型）2.33.3910Na2O·Al2O3·2.5SiO2·8H2OY（钠Y型）3.36910Na2O·Al2O3·5SiO2·8H2O钠丝光沸石3.36约5Na2O·Al2O3·10SiO2·67H2O表2-2 常见的几种分子公称直径分子公称直径/(10-10m)分子公称直径/(10-10m)H22.4CH44CO22.8C2H64.4N

43、23C3H84.9H2O3.2nC4nC224.9H2S3.6iC4iC225.6CH3OH4.4苯6.7从表2.1和表2.2可以看出,要用分子筛脱水,选择4A（或者3A）分子筛是比较合适的,因为3A分子筛的孔径为(33.3)×10-10m,4A分子筛的孔径为(4.24.7)×10-10m,水的公称直径为3.2×10-10m。4A分子筛不仅可以吸附水同时还可以吸附CO2、H2S等杂质。在上游的脱碳装置出现短时间波动而导致天然气没有达标时,分子筛可以发挥一定的净化作用,因此本项目选择4A分子筛作为脱水吸附剂。分子筛脱水属于气固吸附过程,是一个可逆过程。分子筛在低温高

44、压下吸附至临近转效点时,通过升高温度、降低压力让被吸附物质从分子筛表面脱附再生。12综上所述,分子筛与活性氧化铝和硅胶相比较,具有以下显著优点： 1吸附选择性强,只吸附临界直径比分子筛孔径小的分子；另外对极性分子也具有高度选择性,能牢牢地吸附住这些分子。2脱水用分子筛如3A或4A分子筛,它不吸附重烃,从而避免因吸附重烃而使吸附剂失效。用硅胶或活性氧化铝进行脱水时,由于共吸附天然气中的重烃,操作寿命一般比较短,而且脱水的深度也受到限制。3具有高效吸附性能,在相对湿度或分压很低时,仍保持相当高的吸附容量,特别适用于深度干燥。4吸附水时,同时可以进一步脱除残余酸性气体。5不易受液态水的损害。132.

45、2.3分子筛脱水工艺目前天然气工业用的脱水吸附器主要是固定床吸附塔,为保证装置连续操作,至少需要两个吸附塔。分子筛工艺一般分为两塔流程、三塔或多塔流程。在两塔流程中,一塔进行脱水操作,另一塔进行吸附剂的再生和冷却,然后切换操作。在三塔或多塔流程中,受进料条件等因素影响切换程序可以有多种选择,例如三塔流程可采用一塔吸附、一塔再生、另一塔冷却或二塔吸附、一塔再生及冷却的切换程序。在同等吸附周期的情况下,两塔流程相对三塔流程而言,设备少,投资较为节省。由于设备数量的减少,今后的操作维护费用也将大大降低。同时由于减少了设备、工艺管线数量,实际上也相应削减了管线、设备穿孔泄漏的风险,提高了安全可靠性。

46、分子筛脱水一般采用两塔或三塔流程,巴彦淖尔市磴口县项目中采用的是两塔流程。正常生产中,一塔吸附,另一塔再生。图2.2所示为其工艺流程示意图。脱水吸附：吸附时,经醇胺法脱碳后,含饱和水的天然气自上而下通过分子筛（分子筛塔1）床层,从而减少气流对吸附剂床层的扰动,脱水后的干气含水量低于1×10-6(),再经过分子筛塔出口粉尘过滤器滤除气体中携带的分子筛颗粒后去冷箱液化。再生：在加热期间,再生气由再生气加热炉加热到300后,自下而上地进入分子筛脱水塔(分子筛塔2)并将分子筛加热并稳定在280,恒温一小时后脱水结束。分子筛脱水塔(分子筛塔2)塔顶出来的再生气经过再生气换热器换热后温度降低,再

47、经过再生气冷却器冷却后进入再生气分离器分离出凝液,之后再生气可返回到湿原料气中,也可掺入产品气中,还可进入工厂燃料气系统中。一旦分子筛床层被再生完全后,再生气将走再生气加热器旁通,进入分子筛脱水塔(分子筛塔2)以使床层冷却下来,当冷吹气流出口温度低于40时,冷却过程即可停止。再生后的床层需经冷却降温后才具有较好的吸附效果,为此进行冷吹,用低温气体带走分子筛的热量。冷却气通常是自上而下流过吸附剂床层,从而使冷却气中的水分被吸附在床层的顶部。这样,在脱水操作中,床层顶部的水分就不会对干燥后的天然气露点产生过大影响。图2-2 分子筛脱水系统工艺流程图2.2.4 分子筛脱水的设备分子筛塔 在分子筛脱水

48、系统中需要用到两个分子筛塔。一塔进行脱水操作,另一塔进行吸附剂的再生和冷却,然后切换操作。在再生期间,所有被吸附的物质通过加热而被脱吸,为该塔的下一个吸附周期作准备。粉尘过滤器 在分子筛脱水以后设置分子筛粉尘过滤器。粉尘过滤器的作用是分离脱水后的天然气中携带的分子筛粉尘等杂质颗粒。在高速流动条件下,细小的固体颗粒会使设备产生很大的磨损,因此粉尘过滤器对系统的长期稳定运行是必需的。再生气加热炉 再生气加热炉的作用是对天然气进行加热,使再生气的温度达到300。加热的再生气进入分子筛塔恒温到280一段时间后,脱除分子筛上吸附的水,使分子筛塔重新具有吸附效用。再生气换热器 本项目的换热器选用气-气换热

49、器。气-气换热器的作用是使进口天然气与输出的低温干气进行换热,可进一步降低进口天然气温度,并且可提高输出干气的温度,达到能源的充分利用。再生器冷却器 再生气冷却器的作用是降低进入分离器的天然气的温度,可以采用水冷或气冷等冷却方法。降低进口温度在天然气低温冷凝法脱水工艺中的应用是很普遍的,在相同的条件下可以达到更低的露点,有利于提高脱水的深度。再生气分离器 在分离后的液体中,还包含一些气体,再生气分离器的作用是将这部分气体分离出来, 并将气体输入干气系统。第三章 再生气加热炉控制系统3.1再生气加热炉工艺及要求在分子筛脱水脱酸后的原料气经过滤分离器除去所携带大于0.3m的液体与固体杂质后去脱水塔

50、脱水,气体自上而下流过脱水塔1吸附剂床层。原料气中的水分被吸附剂选择吸收,从床层底部流出的干气进入后面的液化工艺。整个吸附周期为8 h。塔1进行干燥吸附时,同时塔2则进行再生。再生气进入加热炉加热到300后从下而上进入干燥塔2,热的再生气将床层加热,加热时间为4h。随着床层温度的不断升高,水从吸附剂上脱附,脱附出来的水蒸汽随再生气一起进入空冷器冷却到40以下,大部分水蒸汽被冷凝下来并在再生分离器中分离。加热结束后,加热炉停止运行,接着对床层进行冷吹,冷吹时间也为4 h,直到床层温度低于40为止。加热炉主要是用来加热再生气,再生气的温度需要加热到300,由于加热和冷却时间均为4 h,因此,加热炉

51、只有50%工作时间。为了保证安全,停止加热时,冷吹气仍要通过炉内翅管,同时在加热炉选择上,选择了美国生产加热炉的专业厂家GTS公司生产的对流式加热炉。该加热炉与普通加热炉不同之处在于增加了一个循环风机,让出口烟气2/3的气体重新返回燃烧室,不但可防止炉膛温度超高,而且炉膛温度分布更均匀,热效率高于89%,常用的辐射加热炉热效率只有69%左右,因此更节约燃料气。加热炉形状为"",这种加热炉主要由两部分组成：燃烧段和对流传热段。在燃烧段,燃烧器采用短火焰燃烧器,防止火焰直接与盘管接触,燃料气和空气混合燃烧产生的高温烟气与循环气混合后流向对流段的盘管,使工艺流体均匀的被加热,同时

52、使烟囱的烟道气温度低于245,远远低于天然气的自燃温度538。在冷吹停炉时,由于有循环风机,整个炉内温度可很快的均匀冷却下来,保证冷吹过程不受影响。在加热炉控制系统中,干气通过再生气换热器升温后进入加热炉加热,再生气加热到300自下而上进入分子筛再生塔,对分子筛塔加热并稳定在280。加热炉控制系统结构组成图如图3-1所示：图3-1 加热炉系统结构组成图再生气加热炉再生冷却操作参数：再生操作 通常在湿原料气或干燥气中分出部分气体作为再生原料气,当其加热到一定温度后进入再生塔床层,然后再进入湿原料气总管； 再生温度 一般为175260,这取决于吸附刘的种类；温度越高,再生后的吸附剂的湿容量越大,同

53、时也将缩短吸附剂的使用寿命,本项目中再生温度为280； 再生气流量 再生气流量应该满足在规定时间内把再生吸附剂提高到规定的温度,一般为总原料湿气的5%-15%； 再生时间 使再生吸附器出口温度达到预定再生温度的时间约占总时间的65%75%.若采用周期为8h的双塔流程,则加热再生吸附剂床层的时间为56h。本项目根据项目的实际需要,再生时间为4h； 冷却操作参数 冷却气流量一般与再生气流量相同,最后的冷却温度为4055,床层冷却时间约占总时间的25%35%。若采用周期为8h的双塔流程,则冷却床层时间为23h,本项目的冷却时间为4h；3.2方案设计3.2.1 自动控制方案的选择自动化水平是根据工艺装

54、置的要求,结合国内外同类生产装置的自动化水平及业主方的要求所确定。根据磴口项目工艺和生产管理的要求,自控系统本着安全、可靠、经济的原则进行设计,自动化水平位于国内同类装置的先进水平。为保证生产装置的安全、平稳、长期运行,采用集散式控制系统（DCS-Distributed Control System）对工艺过程进行集中控制、显示、记录和报警。全厂生产装置设置一个控制室（CCR）,一个工程师站,两个操作员站。DCS控制系统采用独立的主控卡、独立的操作站,同时设置ESD、F&G控制系统。集散控制系统（DCS）实现对工厂所有生产过程的连续检测和控制操作；紧急关断系统（ESD）实现对工厂装置进

55、行紧急关断操作；火灾及可燃气体探测系统（F&G）实现对工厂内生产区域进行可燃气及火焰的探测、报警操作。利用火焰探头、感温探头、感烟探头和可燃气体探头及时发现生产过程中出现的火光、热、烟和可燃气体的泄漏,当其超过安全设定时,F&G系统将进行报警或启动灭火设备进行灭火操作；安全监视系统CCTV（Close Circuit Television）实现对工厂内安全状况及厂区环境进行监视。计算机信息管理系统能够完成整个工厂管控一体化。为了提高整个集散式控制系统的安全性、可靠性,DCS、ESD将独立设置,并各自完成不同的效用。DCS系统位于中心控制室（CCR）内,主要由五部分组成：I/O板

56、、控制器、工程师站、操作站、通讯网络系统。DCS控制系统选用浙江中控技术有限公司生产的JX-300XP系统,该系统是目前国内应用最广泛的单一型号控制系统产品。本设计中再生气加热炉采用计算机控制,操作过程中的信号引进计算机系统,分别实现显示、报警及连锁效用。在现场,PLC通过硬线与DCS实现连锁保护。现场PLC系统采用MODBUS契约的RS485（俩线）通讯接口送至DCS集散控制系统,提供标准的MODBUS RTU契约。3.2.2 被控参数和控制参数的选择一、被控参数的选择在加热炉控制系统中,再生气的温度需要加热到300,而再生气的温度需要通过加热炉加热,这就需要对加热炉进行控制。在该控制系统中

57、,被控参数和控制参数的选择恰当与否,是保证控制系统达到控制要求的必要保证。被控参数选择的一般原则： 一般选取可直接测量的工艺参数为被控参数； 选择与直接参数有单值函数关系的间接参数； 被控参数必须具有足够大的灵敏度； 考虑工艺过程的合理性和国内、外仪表生产的现状。本加热炉控制系统要求再生气的温度达到一定要求,所以选择再生气温度为被控参数。二控制参数的选择1.干扰通道特性对控制质量的影响（1）放大倍数 Kf的影响Kf越大,系统的余差越大,控制质量越差。（2）时间常数 Tf的影响Tf 越大,个数越多,或者说干扰进入系统的位置越远离被控参数而靠近调节阀,干扰对被控参数的影响就越小,系统的控制质量就越高。（3）纯滞后 0的和容量滞后c的影响造成控制作用不及时,使控制质量下降。c的影响比纯滞后0对系统的影响缓和。若引入微分作用,对于克服c对控制质量的影响有显著的效果。14由于在该加热炉控制系统中,再生气是通过燃料气和空气的燃烧来加热的,在该加热炉控制系统中,再生气温度作为被控变量,风机的进风量是控制变量,燃料气和风量以一定的空燃比燃烧加热再生气。通过控制风机的风量,控制燃烧的空燃比达到控制再生气温度的效果。3.2.3 测