天然气分子筛脱水系统再生气加热炉控制系统的设计Word格式文档下载.docx
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关键词：
液化天然气；
分子筛脱水；
再生气加热炉；
计算机控制
Molecularsievedehydrationsystem
-recyclegasfurnacecontrolsystemdesign
Abstract
Liquefiednaturalgas（LNG）asanapplicationformofnaturalgas,naturalgasstorageandtransportationinallaspectsofthesuperiorityisveryobvious.Liquefiednaturalgasinsaturatedwaterundercertainconditionsmayformhydrocarbonhydrate,seriouswhenmayjamliquefactionsystemequipmentandpiping.TocontaintheH2S,CO2gas,duetotheeffectofwater,theywillformcorrosiveacid,thuscausingseriouscorrosionequipmentandpiping.So,forLNGfeedgasmustundertakedehydration.
ThesubjectofoilgasLNGprojectbayinnaoerChina'
sactualsituation,introducesthebasicknowledgeofliquefiednaturalgas（LNG）technologyandthedehydrationprocess,naturalgassystemusingmolecularsievedehydrationin-depthdehydration.Recyclegasisdehydrationprocessofreheatingfurnaceisoneofthekeyequipment,computercontrolsystem,controlofPCIcardandIPC6011A-610-ofcombustionprocesscontrolcomputeradoptedcascaderatiocontrolscheme.Inthesystemoperationprocess,fortheproductionoftrackingandactualconditions,sothistopicbyMCGSsoftwaredesignfortheman-machineinterface,real-timemonitoringofproductionprocess,andensurethenormaloperationofproductionsafety.
Keywords:
liquefiednaturalgas；
Molecularsievedehydration；
Recyclegasfurnace；
Automaticcontrol
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比重将赶上并超过石油，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（LiquefiedNaturalGas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
％
甲烷
92～98
丁烷
0～4
乙烷
1～6
其它
烃类化合物
0～1
丙烷
1～4
惰性成分
0～3
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5％～15％，压缩系数为0.740～0.820。
【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20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6％～13％（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低，纯甲烷着火温度为650℃。
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、热值高、燃烧产物对环境污染少等优点，是一种在技
图1-21998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，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（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LNG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供应远离气源的用户或供出口。
其特点是液化能力大，每天可将（5～34）×
106m3的天然气液化，最大可达70xl06m3。
此外，这类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（10～20）×
104m3，而储存容量和LNG再气化能力相对较大。
储罐一般可储LNG（2.5～10）×
1O4m3。
每年开工约200～250天，若使储罐充满LNG在用气高峰时再气化可供6～12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（Terminal）
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供应给用户。
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。
1.2.2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），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比重几乎为零，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、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1～2kw；
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，其主要功能是:
l）在气源或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协议。
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15～35Mt扩大到30～70Mt，因此，今后我国的LNG工业也将会有较大发展。
1.2.3LNG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。
①安全第一将继续成为LNG装置设计、施工和操作的基本原则。
②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。
③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，原料供应等，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。
④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。
⑤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。
⑥LNG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。
⑦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，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：
①避免低温下水与烃类组分冻结而堵塞设备和管道，降低管线的输气能力；
②提高天然气的热值，满足气体质量标准；
③保证天然气在深冷条件下液化装置能正常运行；
④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
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