天然气液化工艺优化节能2016-5-17

天然气液化工艺优化节能Contact:LuChenTel:+44-161-974-0090Lu.chen@公司背景LNG工厂背景介绍操作优化技术介绍技术安全性工业案例小结公司背景英国曼彻斯特大学化工及分析科学学院过程集成研究中心（CPI）PIL过程集成概念设计的世界领先地位广泛成功的工业应用商业分支公司背景过程集成研究中心（CPI）广为业界熟知的多项节能降耗先进技术的发源地，并保持这些技术的世界领先地位，例如:用于工艺装置内部节能的热集成夹点分析与优化技术用于全厂公用工程系统节能的夹点分析与系统优化技术用于炼油厂氢资源管理的氢夹点分析与优化技术用于工业水资源管理的水夹点分析与系统优化技术BodoLinhoff（夹点分析技术创始人）CPI首任主任RobinSmith（院士）CPI现任主任PIL董事会成员1984年成立的研究基金会专门为CPI提供研究资金过程集成研究中心的研究基金会研究基金会的成员公司：BPShellExxonMobilTotalSaudiAramcoPetronasPetrobrasUOP

KBR等近20家会员企业RobinSmith：院士，CPI现任中心主任。PIL董事会董事、总裁KeithGuy：院士,PIL董事会主席。公司在册员工获得博士及硕士研究生学位比例超过全公司75%。PIL人员构成PIL董事会PIL首席执行官PILUKPILChinaPILUSA办公地址英国曼彻斯特中国北京美国休斯敦国内合作单位与中石化洛阳石化工程公司及中国石油工程建设公司华东设计分公司建立了战略合作关系与洛阳院在常减压装置新设计和改造设计、公用工程系统优化设计、炼厂氢网络改造设计等领域进行合作。与华东院在常减压装置新设计和改造设计方面进行合作与石化盈科建立了分子炼油技术开发联合试验室PIL近年相关业绩客

户项

目

石化盈科广州、九江、茂名、洛阳、武汉、金陵、石家庄、青岛石化、天津、扬子、海南、上海石化、燕山、长岭、荆门（15家）公用工程系统生产节能项目

石化盈科茂名1、2、3套常减压装置操作优化节能项目

石化盈科中原、茂名、广州3套乙烯装置分离系统生产节能项目

中石化石家庄焦化装置改造优化项目洛阳石化工程公司茂名1800万吨/年改扩建氢网络生产管理与改造优化洛阳石化工程公司扬子800万吨/年常减压装置换热网络全新设计优化中化泉州1200万吨/年常减压装置换热网络全新设计优化洛阳石化工程公司湛江中科1500万吨/年全新炼厂深度热联合设计优化洛阳石化工程公司湛江中科1500万吨/年全新炼厂蒸汽系统优化设计中石化抚顺研究院金陵石化氢气系统优化项目PIL相关业绩（续）客

户项

目

中石油长庆、锦西、辽化2套常减压装置改造优化项目中石油独山子、克拉玛依、锦西、大庆、锦州全厂氢气系统优化项目中石油锦西160万/年焦化装置节能改造项目中石油大庆炼厂水系统优化项目KBRIGCC系统优化设计项目匈牙利MOL炼厂全厂氢气系统优化项目Sabic汽油缓和加氢裂化流程设计与优化Shell2个全厂二氧化碳减排项目Shell氢网络管理与优化JohnsonMatthey炼油过程项目培训WSAtkins系统可靠性、有效性和可维护性培训中华石油集团(台湾)全厂能量集成

PIL相关业绩（续）客

户项

目

BritishGas液化天然气生产系统节能KBC夹点技术在节能方面的应用BP全厂能量集成原油精馏设计去二氧化碳火力电站设计

ExxonMobil氢网络管理与优化原油精馏系统改造设计

系统能量利用效率方面的咨询项目TataSteel工业水系统优化项目OFT生物柴油精制技术优化项目LNG工厂背景介绍有利因素环境恶化清洁能源不利因素进口量增加产能过剩经济下行需求疲软

天然气作为一种清洁能源，越来越受欢迎。但在目前整体经济下行的情况下，LNG生产企业也面临着巨大的挑战。开源不太现实的话可否考虑节流？LNG工厂现状高耗能因素运行偏离设计工况气源条件变化冬夏环境温度变化产品出口温度要求变化生产负荷发生变化技术改造后操作环境变化实际工况分析综合考虑设备性能系统分析操作参数工艺优化节能通用流程模拟软件：能耗评估专业优化软件：寻找最小能耗操作条件现场运行调试：达到节能效果定制在线优化软件LNG工厂问题分析及解决方法操作优化技术介绍工艺优化节能的流程采集设计和实际操作数据并深入分析在模拟软件Unisim中模拟基础工况并与实际数据对比在优化软件中优化操作参数导回到流程模拟软件中计算节能效果现场调试工艺参数验证节能效果并开发在线优化软件优化理论：夹点技术、神经元网络ANN和NLP优化对液化工艺系统进行节能降耗组分摩尔组成

氮气mol%甲烷mol%氧气mol%二氧化碳mol%合计100组分摩尔组成

归一化前摩尔组成

归一化后氮气mol%mol%甲烷mol%mol%乙烯mol%mol%丙烷mol%mol%异戊烷mol%mol%合计100.00天然气进冷箱前组成混合制冷剂组成基础工况数据采集工艺参数名称计量单位

参考位置

原料气冷箱入口流量Nm3/h1原料气冷箱入口温度°C1原料气冷箱入口压力MPaG1LNG产品冷箱出口温度°C2LNG产品冷箱出口压力MPaG2原料气基础工况数据基础工况数据采集原料气LNG12冷箱工艺参数名称计量单位

参考位置

冷剂压缩机段数二段一段压缩前温度°C1一段压缩前压力MPaG1一段压缩后温度°C2一段压缩后压力MPaG2一段间冷后温度°C3一段间冷后压力MPaG3二段压缩后温度°C4二段压缩后压力MPaG4二段冷却后温度°C5二段冷却后压力MPaG5冷剂压缩机基础工况数据基础工况数据采集2混合制冷剂MR一段压缩1ststagecompression二段压缩2ndstagecompression一段间冷1stinter-cooler二段间冷2ndinter-cooler3451工艺参数名称计量单位

参考位置

冷剂进冷箱流量Nm3/h1冷剂预冷前温度°C1冷剂预冷前压力MPaG1冷剂预冷后温度°C2冷剂预冷后压力MPaG2冷剂膨胀后温度°C3冷剂膨胀后压力MPaG3冷剂蒸发后温度°C4冷剂蒸发后压力MPaG4冷箱基础工况数据基础工况数据采集混合制冷剂MR冷箱Coldbox12膨胀阀Valve34冷却器Condenser多段压缩机Multi-stagecompressor冷剂预冷冷剂蒸发

液化工艺数学模型

优化理论夹点技术ANN神经网络NLP非线性规划优化方法优化方法采集历史数据换热夹点分析找出操作范围夹点技术优化方法xyaArtificialNeuralNetworks收集数据建立过程模型选择方程个数和类型确定变量范围培训ANN回归方程验证ANN模型ANN神经网络优化方法找出设备限制条件NLP优化算法系统能耗最小的优化参数NLP非线性规划优化参数名称单位制冷剂返回压力MPaG制冷剂压缩机一级入口流量Nm3/h制冷剂一级液相预冷后温度°C制冷剂二级液相预冷后温度°C制冷剂二级气相预冷后温度°C制冷剂二级气相与二级液相膨胀后混合时温度°C三股制冷剂膨胀后混合时温度°C组分摩尔组成

氮气mol%甲烷mol%乙烯mol%丙烷mol%异戊烷mol%合计1冷箱优化参数混合制冷剂组成优化计算输出结果技术安全性操作变量调节手段X混合冷剂组成可通过补充或导出部分冷剂实现PIn冷剂压缩机入口压力可通过调节节流阀开度实现F冷剂流量可通过调节压缩机进口阀开度及补充或导出部分冷剂来实现其它工艺条件由现有设备（压缩机及冷箱）自身的性能决定

操作优化调整的参数都是日常生产会经常改变的参数，调整这些参数不会对生产的安全性产生影响工艺调整安全性工艺优化技术对生产安全及稳定性的影响节能技术是否会影响生产安全，是否会影响生产的稳定性？1、我们是在考虑设备运行限制条件的基础上做的参数优化，且各参数的变化幅度不是很大；2、实际现场调试是在与工厂技术人员商量好调试方案的前提下分步完成的，每步只调整很小的幅度，是从一个稳态到另一个稳态的逐步过渡；3、调整的整个过程是可逆的，即使出现不利于生产的变化趋势，可以立即还原到调整前的状态；4、调试的时候不需要停车，只是对平时生产人员经常调整的参数进行有方向性的微调，不会对生产的连续性有影响。综上所述，本操作优化不会对工厂生产的安全性和稳定性造成影响。工业案例

某液化工艺数学模型此液化工艺冷剂压缩机系统是二级压缩预冷系统是冰机预冷液化系统是压缩机一段出口液相经冰机预冷后进冷箱，压缩机二级出口气液分离分别进冷箱性能参数单位计算结果冷剂蒸发后离开冷箱的温度°C-1.810换热负荷kW8400最小换热温差°C2.988最大换热温差°C12.886UAkW/°C1104.24性能参数单位计算结果冷剂蒸发后离开冷箱的温度°C0.55换热负荷kW7619.52最小换热温差°C2.32最大换热温差°C10.64UAkW/°C1204.03注：1、厂方提供的基础工况DCS截屏显示冷剂蒸发后离开冷箱的温度为-1.983°C，与模拟计算结果-1.810相

比，仅有0.173°C的偏差，由此可看出模拟结果与现场工况吻合较好。2、考虑实际换热过程传热系数随操作条件的变化略微变化，优化过程中UA考虑变化余量是10%。通过比较最优操作与当前工况的冷箱性能可以发现，最优操作下冷箱的换热负荷降低了9.3%。这意味着在满足天然气冷却要求的前提下最优操作的冷剂使用更加高效。基础工况冷箱参数优化后冷箱参数优化前后冷箱性能参数对比基础工况冷箱冷热组合曲线优化后冷箱冷热组合曲线优化前后冷箱冷热组合曲线对比天然气性能参数单位计算结果第一级压缩功耗kW1925第二级压缩功耗kW1581合计kW3506电动机功耗（厂方提供）KW3705注：厂方提供的电动机电耗为3705kW。根据冷剂压缩机模拟结果及提供的电动机电耗可以计算出电动机的效率为0.9463。后续的性能分析假定电动机的效率不变，并以此为依据估算新操作条件下的电动机电耗。参考电动机效率0.9463，可以估算出最优操作下的电动机电耗为3391kW，较当前工况下的电动机电耗减少8.48%，即314kW。若电价以0.5元/度计算，液化工厂年运行8000小时可节省电费125.6万元。性能参数单位计算结果第一级压缩功耗kW1771第二级压缩功耗kW1438合计kW3209电动机功耗（反算）KW3391基础工况压缩机功耗优化后压缩机功耗优化前后压缩机功耗对比

推荐方案与当前工况对比如下表所示：工艺参数名称计量单位当前工况与推荐操作模拟结果对比原料气冷箱入口流量Nm3/h不变LNG产品出冷箱压力MPaG不变原料气液化过程压降kPa不变原料气冷箱入口温度°C不变LNG产品冷箱出口温度°C不变冷剂压缩机一级入口流量Nm3/h变小冷剂压缩机一级入口温度°C升高冷剂压缩机一级入口压力MPaG变大冷剂压缩机一级出口温度°C升高冷剂压缩机一级出口压力MPaG变大间冷分离罐气相流量Nm3/h变小间冷分离罐气相温度°C升高间冷分离罐气相压力MPaG变