王玉娟，唐建峰，花亦懷，陳靜，桑偉，劉云飛

（1 中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2 中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島 266000；3 中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

天然氣作為一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的能源，對于促進節(jié)能減排及綠色發(fā)展、改善我國能源消費結(jié)構(gòu)具有重要意義，且天然氣必須經(jīng)過脫碳裝置脫除后才能輸向下游用戶。胺法脫碳作為天然氣脫碳工藝中最常用的方法之一，其天然氣處理量占天然氣脫碳總處理量的80%以上，其工藝系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性一直受到強烈關(guān)注。在實際生產(chǎn)運行中，天然氣脫碳裝置經(jīng)常受到各種擾動，這直接關(guān)系著天然氣脫碳裝置的運行平穩(wěn)性以及環(huán)境經(jīng)濟性。在裝置經(jīng)受到入口原料氣條件和流體溫度變化等因素影響后，裝置在不同開車工況下如若不能及時響應(yīng)，則會造成吸收塔內(nèi)溫度及液位異?，F(xiàn)象。而較高吸收溫度雖然可以起到提升吸收反應(yīng)速率、縮短吸收過程耗時的作用，但是溫度過高也可能會導(dǎo)致胺液中的部分組分揮發(fā)，導(dǎo)致胺液組分發(fā)生變化。另外，吸收塔液位過高，會引起泛塔現(xiàn)象的發(fā)生，破壞塔的正常操作，大量的胺液會從塔頂被天然氣帶走，引起胺液的損失；吸收塔液位過低，會容易引起高壓氣串入低壓氣。可以看出，控制好塔溫度、液位是系統(tǒng)操作的關(guān)鍵。因此，本文基于一套天然氣脫碳循環(huán)實驗裝置，對不同開車工況中脫碳裝置的溫度及液位響應(yīng)特性進行研究，做到更加快速有效分析裝置受干擾后的響應(yīng)特性，以保證裝置在不同開車工況下能夠安全穩(wěn)定地運行。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

基于國內(nèi)某天然氣脫碳工藝終端自建一套天然氣脫碳循環(huán)裝置，用以仿真現(xiàn)場實際工藝，經(jīng)論證，該裝置可有效反映現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況。因此本文依據(jù)現(xiàn)有天然氣脫碳循環(huán)裝置，對其常規(guī)胺法脫碳工藝流程進行響應(yīng)特性分析，可有效指導(dǎo)現(xiàn)場實際運行，主要包括進氣系統(tǒng)、胺液配備及儲存系統(tǒng)、原料氣凈化系統(tǒng)、胺液循環(huán)系統(tǒng)、凈化氣及尾氣處理系統(tǒng)，這5個系統(tǒng)與閥門、管道以及儀器儀表等自動控制與實時監(jiān)測裝置共同組成一套功能完整、操作簡便、自動化程度高且安全可靠的實驗裝置。另外該實驗裝置還包括氣相進料單元、液相控制單元以及控制系統(tǒng)三部分。其中氣相進料由美國Brooks質(zhì)量流量控制器進行控制，量程為30L/min，精度為±1%；液相進料采用北京星達平流泵，操作流量為0.1～80mL/min，精度為±1%，出口最大壓力8MPa；控制系統(tǒng)采用西門子PLC 控制系統(tǒng)，包括11個PID控制回路，其中壓力控制6個、液位控制3 個、溫度控制2 個；另外設(shè)置監(jiān)測指示57 個點，其中壓力檢測3 個、溫度檢測32 個、流量檢測9個、液位檢測6個、差壓檢測6個、氣體報警檢測1 個。裝置工藝流程及自控系統(tǒng)如圖1 所示，設(shè)備主體設(shè)計參數(shù)如表2所示。該實驗裝置可達到的工況處理范圍：原料氣濃度，CO體積分?jǐn)?shù)35%、N體積分?jǐn)?shù)65%；氣相流量范圍0～30L/min，液相流量范圍0～80mL/min；吸收塔操作壓力0～5MPa，再生塔操作壓力0～0.6MPa；再生塔塔釜操作溫度，室溫～250℃可調(diào)；在線CO檢測儀0～2000μL/L，便攜式CO檢測儀0～13.21%。

圖1 天然氣脫碳實驗裝置工藝流程圖及自控系統(tǒng)

1.2 實驗方法

實驗裝置采用與實際工程中基本一致的循環(huán)連續(xù)過程，以實現(xiàn)混合胺液對于CO的連續(xù)吸收及再生過程，其具體實驗步驟如下。

（1）貧液罐裝原料液 打開快拆，向貧液罐內(nèi)倒入足量的原料液，關(guān)閉快拆、放空閥，打開充氮閥，充入氮氣對貧液罐加壓，壓力為0.2～0.3MPa。

（2）吸收系統(tǒng)充壓及進氣 關(guān)閉氮氣支路減壓閥，打開混合氣氣瓶，保證氮氣支路進吸收塔閥門開啟，旁路關(guān)閉，打開球閥，使用未安裝質(zhì)量流量計的氮氣支路進行充壓，調(diào)節(jié)減壓閥到指定壓力，關(guān)閉氮氣支路球閥，關(guān)閉混合氣氣瓶。實驗中進液順序采用先進氣后進液。

（3）原料液進入吸收塔內(nèi) 排凈貧液泵內(nèi)氣體，使泵充滿原料液，保證泵穩(wěn)定出液，流量控制準(zhǔn)確。檢查泵前泵后閥，保證球閥開啟，啟泵調(diào)節(jié)泵后背壓閥高于系統(tǒng)壓力，并設(shè)置指定流量。

表1 主體設(shè)備參數(shù)

（4）吸收塔塔釜富液排進閃蒸罐 待塔釜液位到達氣動閥反饋設(shè)定值后，氣動閥開啟，塔釜富液流入閃蒸罐內(nèi)。

（5）閃蒸罐富液進入再生塔 打開再生塔進料泵前后所有閥門，待閃蒸罐內(nèi)富液液位到達富液泵反饋設(shè)定值后，富液泵自動開啟，以設(shè)定流量向再生塔內(nèi)進料。

（6）開啟再沸器加熱 待再沸器內(nèi)溢流側(cè)出現(xiàn)液位時，開啟再沸器加熱電源，按設(shè)定再沸器溫度加熱，同時開啟再生塔進料預(yù)熱器，并設(shè)定進液溫度。開啟塔頂冷凝裝置。

（7）再生后胺液采出 打開再生塔采出泵前后所有閥門，待再沸器溢流側(cè)液位到達采出泵反饋設(shè)定值后，采出泵自動開啟，以相同設(shè)計流量將再生后的胺液采出至貧液罐中。

1.3 實驗指標(biāo)

控制好塔溫度、液位是系統(tǒng)操作的關(guān)鍵，因此本文主要從吸收塔內(nèi)溫度場、吸收塔塔釜液位、閃蒸罐液位角度探究其響應(yīng)時間及裝置隨著時間的響應(yīng)變化過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 開車時原料氣流量對裝置響應(yīng)特性影響

采用吸收再生性能較好的胺液配方36%MDEA+4%PZ， 在原料氣氣質(zhì)為35%CO+65%N，吸收溫度為50℃，吸收壓力3MPa，貧液流量40mL/min 的實驗條件下，設(shè)定原料氣流量分別為5L/min、7.5L/min、10L/min，探究天然氣脫碳裝置在不同原料氣流量工況下吸收主體設(shè)備吸收塔內(nèi)溫度場變化、吸收塔塔釜液位及相鄰閃蒸罐液位變化的響應(yīng)特性，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同原料氣流量下裝置響應(yīng)特性

由圖2可以看出，由于采用上進液、下進氣的逆流接觸方式，而在反應(yīng)初期受液相進料溫度的影響，因此實驗初期吸收塔最上部塔節(jié)6溫度上升最快，明顯高于塔節(jié)3和塔節(jié)1的溫升速度。但隨實驗的進行，塔節(jié)6溫度增長幅度趨于平緩，而塔節(jié)1 和塔節(jié)3 溫度仍在上升。這是因為，塔內(nèi)溫度分布隨時間變化逐漸趨于均勻，而由于胺液吸收CO為放熱過程，此時反應(yīng)放出的熱量成為影響吸收塔內(nèi)溫度分布的主要因素，因此吸收塔下部溫度逐漸升高，以至于底部塔節(jié)1 溫度明顯高于頂部塔節(jié)6溫度，但最終塔內(nèi)溫度場維持在了一定的溫度水平，說明控制閥響應(yīng)動作及時正常，沒有造成熱量的累積。

對于液位來說，原料氣流量增加會增加塔內(nèi)氣相壓力，因此需平衡塔內(nèi)壓力，說明塔頂壓力控制器及時響應(yīng)動作。但隨原料氣流量增加，塔釜液位波動幅度增加，特別是增加到10L/min 時，塔釜液位在15～20min 內(nèi)出現(xiàn)了大幅度波動，且最低液位明顯低于后續(xù)穩(wěn)定液位。說明在較大原料氣流量下，塔頂壓力控制閥未能及時響應(yīng)，造成塔內(nèi)原料氣累積，從而導(dǎo)致短時間內(nèi)液位出現(xiàn)大幅度波動，但隨塔頂壓力控制閥以及塔釜液位控制閥的持續(xù)作用，塔釜液位在經(jīng)過短暫地降低后穩(wěn)定回升并最終保持在正常范圍內(nèi)。

整體來說，不同原料氣流量下吸收塔內(nèi)溫度場、吸收塔塔釜液位及閃蒸罐液位變化規(guī)律基本一致，各控制閥響應(yīng)動作時間基本相同，裝置自控系統(tǒng)在應(yīng)對不同原料氣流量的情況下，能夠維持裝置穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)短時間突變現(xiàn)象。

2.2 開車時吸收壓力對裝置響應(yīng)特性影響

保持實驗條件不變，設(shè)定進氣流量為7.5L/min，控制吸收壓力分別為2MPa、3MPa、4MPa，探究天然氣脫碳裝置在實驗過程中吸收部分的主體設(shè)備吸收塔內(nèi)溫度場、吸收塔塔釜液位及閃蒸罐液位變化的響應(yīng)特性，實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3 可以看出，不同吸收壓力下塔內(nèi)溫度場、塔釜液位及閃蒸罐液位隨時間變化規(guī)律大體一致。其中，溫度場分布隨壓力升高呈現(xiàn)上升趨勢，且在反應(yīng)初期，塔節(jié)6 的溫升速度明顯高于塔節(jié)1和塔節(jié)3，并很快趨于穩(wěn)定，而塔節(jié)1 和塔節(jié)3 溫度隨反應(yīng)進程的進行仍在不斷上升。另外，塔節(jié)6處溫度急劇上升區(qū)間隨吸收壓力的升高而縮短，其達到穩(wěn)定時間由2MPa時的21min縮短到12min。這是由于液相進料溫度明顯高于室溫，而塔節(jié)6在反應(yīng)初期受液相進料溫度的影響較大，而后反應(yīng)放熱帶來的熱量累積主導(dǎo)溫度場分布，因此塔節(jié)1和塔節(jié)3溫度逐漸升高，并明顯高于塔節(jié)6溫度。另外吸收壓力的升高對反應(yīng)起到促進作用，放熱量增加導(dǎo)致溫度整體上升幅度增加，并且也使得塔節(jié)6溫度趨于穩(wěn)定時間縮短，但在反應(yīng)進程后期，吸收塔內(nèi)溫度變化均趨于平緩，說明在控制器不同吸收壓力下的響應(yīng)均正常。

圖3 不同吸收壓力下裝置響應(yīng)特性

對于液位而言，在15min 后液位變化趨于穩(wěn)定，說明在整體液位調(diào)節(jié)中，控制器能保持穩(wěn)定正常響應(yīng)。但在15～20min內(nèi)，吸收塔塔釜液位即將達到穩(wěn)定液位時，塔釜液位隨壓力的增加呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為，隨著吸收壓力升高，相應(yīng)的塔內(nèi)CO分壓隨之升高，促進了反應(yīng)的進行，導(dǎo)致塔內(nèi)壓力降低，而氣相進料量固定，為維持塔內(nèi)壓力，由于在短時間內(nèi)控制器未能及時響應(yīng)，導(dǎo)致塔釜液位升高。另外，在后續(xù)液位穩(wěn)定范圍內(nèi)，塔釜液位波動幅度隨吸收壓力的升高逐漸減小，主要是由于在較高的吸收壓力下，混合胺液的吸收過程在壓力的促進作用下，反應(yīng)速率相對提升，而這降低了吸收塔內(nèi)各狀態(tài)的波動幅度，從而更好地維持了塔內(nèi)各相態(tài)的平衡關(guān)系。因此，不同吸收壓力工況下，裝置自控系統(tǒng)的響應(yīng)基本穩(wěn)定，但在較高吸收壓力下對于短時間內(nèi)的響應(yīng)仍存在一定延遲，導(dǎo)致液位出現(xiàn)較大幅度波動。

2.3 開車時貧液進塔溫度對裝置響應(yīng)特性影響

控制實驗條件不變，設(shè)定貧液進塔溫度分別為45℃、50℃、55℃，探究天然氣脫碳裝置在實驗過程中的響應(yīng)特性，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同貧液進塔溫度下裝置響應(yīng)特性

由圖4可以看出，不同貧液進塔溫度對塔內(nèi)溫度、塔釜液位及閃蒸罐液位的總體影響相差不大。塔節(jié)6 處溫度均在快速上升15min 后達到基本穩(wěn)定，但是由于塔節(jié)6 受到液相進料溫度影響較大，因此穩(wěn)定時的溫度也隨貧液進塔溫度的升高而升高。同時，吸收塔內(nèi)整體溫度的分布也因為貧液入塔溫度提高和反應(yīng)熱量不斷累積的雙重作用而升高，并最終穩(wěn)定在一定的溫度范圍內(nèi)，這說明控制器并未受到不同貧液入塔溫度的影響而產(chǎn)生響應(yīng)異常。

而對于液位來說，前期液位累積并在較短時間內(nèi)達到溫度，后期在一定液位范圍內(nèi)波動，均未出現(xiàn)響應(yīng)異常導(dǎo)致的液位突變現(xiàn)象。但是在反應(yīng)初期，由于塔內(nèi)溫度受液相進料溫度影響較大，在較低反應(yīng)溫度下，貧液吸收速率有所下降，導(dǎo)致塔內(nèi)氣體產(chǎn)生一定量累積，塔內(nèi)壓力升高，因此塔釜液位在反應(yīng)初期上升較為緩慢；而在較高的貧液進塔溫度下，雖然會加速氣體與胺液間的傳質(zhì)速率，但也會致使反應(yīng)平衡逆向移動，降低CO平衡溶解度，而且由于塔內(nèi)溫度升高導(dǎo)致塔內(nèi)氣體膨脹，富液出塔流量增加，在多重作用下吸收塔塔釜液位達到溫度所需時間相對較長。因此在較低或者較高的貧液進塔溫度下，控制器在反應(yīng)初期的響應(yīng)均存在一定延遲現(xiàn)象，無法及時響應(yīng)塔內(nèi)液位及壓力變化。

2.4 開車工況響應(yīng)面分析

通過單因素實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)不同開車工況下溫度響應(yīng)特性差別不大，而液位響應(yīng)存在一定差別，對開車工況處于較大的進氣流量、較高的塔內(nèi)壓力、較低或較高的貧液進塔溫度，其控制器響應(yīng)會出現(xiàn)一定延遲響應(yīng)或液位波動幅度較劇烈的情況。因此以吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間為目標(biāo)響應(yīng)值，針對開車工況中三種參數(shù)對塔釜液位響應(yīng)特性的影響進行響應(yīng)面分析，采用BBD（Box-Behnken design）設(shè)計法對多因素進行耦合實驗，分析各因素間交互作用。

2.4.1 RSM模型的建立

采用BBD 三因素三水平法，以原料氣流量（）、吸收壓力（）、貧液進塔溫度（）為主要工藝參數(shù)，選擇吸收塔塔釜液位達到穩(wěn)定所需響應(yīng)時間作為性能指標(biāo)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建性能指標(biāo)與工藝參數(shù)間的響應(yīng)面模型。各開車工況對應(yīng)的工藝參數(shù)的因素水平如表2 所示。利用Design Expert12對實驗方案進行設(shè)計，具體實驗方案及響應(yīng)實驗結(jié)果如表3所示。

表2 開車工況因素水平

表3 響應(yīng)面實驗結(jié)果

通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到開車工況下原料氣流量、吸收壓力、貧液進塔溫度對吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間的影響的二次多項式回歸方程如式(1)所示。

式中，是開車工況下吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間，min。

2.4.2 開車工況響應(yīng)面模型擬合度分析

在分析回歸模型的響應(yīng)面圖像之前，需要對模型預(yù)測值與實際值的分布圖參數(shù)進行分析，以檢驗系統(tǒng)擬合的響應(yīng)模型的可參考性和擬合程度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 預(yù)測值與實驗值對比圖

由圖5可以看出，預(yù)測值與實驗值的分布點均分散在一條45°直線附近，模型的預(yù)測值與實際實驗值接近，并且偏差較小，這表明各個實驗點的液位響應(yīng)時間預(yù)測值與實際值具有良好的吻合性，說明基于RSM 法建立的該二次模型可以用于后續(xù)研究分析的理論依據(jù)。

2.4.3 開車工況響應(yīng)面模型方差分析

在RSM 分析中，模型方差分析（ANOVA）是極其重要步驟之一，其可以用于揭示模型擬合中每個因素的顯著程度、回歸模型的可靠性以及精確度，對該模型進行方差分析，結(jié)果見表4。

表4 ANOVA與顯著性結(jié)果

從表4可知，以吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間為響應(yīng)目標(biāo)值的模型值小于0.01，說明在該回歸模型中，其包含的三個因素因子與響應(yīng)目標(biāo)值的關(guān)系極其顯著，模型擬合準(zhǔn)確度也較高；模型相關(guān)性系數(shù)=0.9958，校正相關(guān)性系數(shù)=0.9832，二者均接近于1，說明誤差影響不顯著，且有98.32%的響應(yīng)值變化是由所選取的工藝參數(shù)的改變引起的；回歸模型的信噪比（Adeq Precision）=27.3642＞4，說明該模型的可信度較高。綜上，該模型可以用于后續(xù)分析研究。此外，表中因素原料氣流量的顯著性為32.00，吸收壓力的為40.50，貧液進塔溫度為24.50。這說明，在本實驗中，吸收壓力對吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間的影響作用最大，其次為原料氣流量，最后是貧液進塔溫度。

2.4.4 響應(yīng)面分析

根據(jù)吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間模型繪制3D 響應(yīng)面圖與等高線圖，以顯示各開車工況對液位響應(yīng)時間的作用方式，結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6(a)可以看出，當(dāng)貧液進塔溫度為50℃時，吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間隨吸收壓力的增加先減小后增大。從圖6(b)可以看出，隨著原料流量的增加，響應(yīng)時間對于吸收壓力的變化曲線的峰值出現(xiàn)輕微的上移，等高線更加偏向圓形，這表明原料氣流量的變化沒有對吸收壓力產(chǎn)生較大影響，說明這兩者之間的交互作用相對較小。

圖6 原料氣流量和吸收壓力交互作用對吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間的影響

由圖7(a)可以看出，當(dāng)吸收壓力保持在3MPa時，吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間隨貧液進塔溫度的增加，出現(xiàn)明顯的先減小后增大現(xiàn)象，而這較原料氣流量對響應(yīng)時間的影響變化異常明顯，這也說明吸收壓力對響應(yīng)時間的影響最為顯著。從圖7(b)可以看出，隨著原料氣流量的增加，響應(yīng)時間對于貧液進塔溫度的變化曲線的峰值基本沒有移動，保持在49～50℃，這表明原料氣流量的變化沒有對吸收壓力產(chǎn)生影響，說明這兩者之間的交互作用不顯著。

圖7 原料氣流量和貧液進塔溫度交互作用對吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間的影響

由圖8(a)可以看出，固定原料氣流量在7.5L/min時，吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間隨貧液進塔溫度的增加，先減小后增大。從圖8(b)可知，當(dāng)貧液進塔溫度在45～47℃和52～55℃這兩個階段時，等高線密集，說明響應(yīng)時間變化較為劇烈。另外，等高線圖中還出現(xiàn)封閉圈，這說明吸收壓力和貧液進塔溫度之間的交互作用對響應(yīng)時間的影響較顯著。

圖8 吸收壓力和貧液進塔溫度交互作用對吸收塔塔釜液位響應(yīng)時間的影響

綜上，各個響應(yīng)面圖像均為曲面，這表明在該裝置的開車工況中，各因素對于吸收塔塔釜液位的響應(yīng)時間都不是簡單的單調(diào)作用，再結(jié)合ANOVA中值大小可知，各影響因素間的交互作用大小關(guān)系為：＞≈，也就是表明吸收壓力與貧液進塔溫度的交互作用對目標(biāo)值的影響更顯著。因此，在后續(xù)優(yōu)化研究中，需要針對吸收壓力及貧液進塔溫度兩者產(chǎn)生的共同影響進行改進，降低各因素對裝置穩(wěn)定安全運行的影響。

3 結(jié)論

基于天然氣脫碳實驗裝置，通過改變不同工藝參數(shù)，探究不同開車工況對脫碳裝置的溫度以及液位的響應(yīng)特性，并利用RSM 分析法對各因素間的交互作用進行分析，得到以下結(jié)論。

（1）在單因素實驗研究中，不同進氣流量、塔內(nèi)壓力以及貧液進塔溫度對于吸收塔內(nèi)溫度場響應(yīng)的影響差別不大；由于閃蒸罐容積相對吸收塔塔釜較大，存在一定緩沖作用，其液位響應(yīng)特性受不同開車工況的影響較小。

（2）吸收塔塔釜液位在不同開車工況下的響應(yīng)特性存在一定差別。對于開車工況處于較大的進氣流量（10L/min）、較高的塔內(nèi)壓力（4MPa）、較低（45℃）或較高（55℃）的貧液進塔溫度，其控制器的響應(yīng)都會出現(xiàn)一定的延遲響應(yīng)或液位波動幅度較劇烈的情況。

（3）利用二次響應(yīng)面法對各因素交互作用進行分析，根據(jù)ANOVA 中顯著性指標(biāo)得到吸收壓力對塔釜液位響應(yīng)時間的影響極顯著，原料氣流量和貧液進塔溫度的影響顯著。

（4）通過原料氣流量、吸收壓力和貧液進塔溫度三者的3D 響應(yīng)面和等高線圖像的對比分析，在該裝置的不同開車工況中，三種因素對吸收塔塔釜液位的響應(yīng)時間都不是簡單的單調(diào)作用，并且吸收壓力與貧液進塔溫度的交互作用對目標(biāo)值的影響更為顯著。