第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，全球环境问题日益增多，环境保护形势严峻，节能降耗已成为国内外学者研究和关注的重点问题。我国的“十三五”规划中提出坚持节约资源、保护环境的基本国策，提高能源利用效率，加快建设资源节约型和环境友好型社会[1]。新的节能减排目标要求到2020 年全国能源消费总量要控制在 50 亿吨标准煤以内。因此，工业部门作为节能工作的重点，其主要研究方向不仅仅是工业技术的进步更包括节能技术的进步，实现降低单位产品能耗的主要目标。
作为重要的传统能源之一，天然气产业已经迎来了新的发展期[2]。在天然气的实际生产过程中，多数企业往往看中寻求片面的产品产量，对于天然气净化这一高耗能行业的节能问题却未能给予重视[3~5]。天然气净化系统中实际节能工作范围广且调查点多，系统内外部影响因素大，其装置有一定未挖掘的节能潜力，为此，天然气净化系统节能工作的展开意义重大。
本课题系统分析鄂尔多斯某天然气净化厂用能现状，围绕能量的利用、回收以及转换环节开展深入研究，在节能基础理论的全面指导下，准确找出单个耗能装置或多个耗能装置间的节能潜力，并提出相应的节能优化方案，从而进一步提高能源化工企业的经济效益、能量综合化利用水平，加快企业优化升级速度，达到企业、社会和环境的可持续发展目标。
目前，节能研究受到许多国内外专家的关注，但节能是一个涉及范围较多的工作，大多数节能研究的理论性较强。国内在电力、建筑及冶炼等行业取得的节能成果较多，但石化行业取得的成果略不明显，同时，我国节能优化的研究还在初步探索阶段，许多研究工作都属于政策法规层面，具体到企业的节能优化研究还有待进一步加深[6-9]。与国内研究相比，国外节能工作的开展时间更长。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
国外节能工作开展较早，在天然气净化系统节能优化的研究已有多方面的成果，其主要的研究是对系统用能的优化，通过模拟方法建立单元流程，结合工艺提出优化方法[22]。同时，国外的研究重点更多的放在了各装置联合分析及优化方面。例如，J.C. Polasek[23]研究将硫磺回收装置与尾气处理装置进行综合优化，结果表明，联合装置的优化节能效果比单套设备更好。国内对于天然气净化过程的优化技术主要集中体现在过程能量的综合利用，而该研究中应用最广泛和最核心的技术即为夹点技术。
夹点分析技术作为换热网络优化中一种非常重要的手段，对节能优化研究的深入推进有很大贡献。夹点分析法由 Linnhoff[24-25]等人于 20 世纪 70 年代提出，夹点技术在此后的数十年里发展迅速。
任永刚[26]利用夹点技术法对福建联合石化的常减压装置进行全流程换热网络优化，并给出最优的操作条件，优化最终提高换热终温为 2.06℃，降低了燃料油消耗 133.32kg/h，其节能效益达到 391.97 万元/年，经济效益良好；李萍萍[27]等以混合烷烃脱氢装置为研究对象，利用夹点技术发现现行换热网络中存在着跨越夹点换热器，在最小换热温差条件下，冷热公用工程有很大的节能潜力，分别为 11.61%和 8.88%，据此优化了换热网络，结果表明冷热公用工程消耗量较之前均有降低，分别降低了 12.21%和 9.39%，能耗节约明显；李中华[28]等针对某炼厂 150 万吨蜡油加氢裂化装置，在不改动大设备前提下，采用夹点技术对现行换热网络进行调优，调优后，热公用工程量为 25709kW，比调优前节约了 42.20%，同时，冷公用工程量为 29863kW，比调优前节约了 38.50%，换热网络的总?损失也由原来的 13530kW 降低到 8477kW，节能效果显著。此外，大量工程实例表明，夹点分析技术在过程系统工程的优化及改造中发挥了重要作用，能有效降低公用工程消耗量，优化投资费用。
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第二章 净化装置能耗分析与节能优化研究
2.1 净化装置能耗分析
鄂尔多斯某净化厂建有一套设计处理能力为 400×104Nm3·d-1 的天然气（20℃，101.325kPa 标准状态下）净化装置，装置年操作时间为 8000h。通过对鄂尔多斯某天然气净化厂净化装置的 DCS 数据、生产月报以及现场测算进行数据整理，该净化厂 2017 年全年完成天然气产品量 83229.86 万方，根据能源计算标准得到净化装置的能耗组成，见表2-1。
同时可知，净化装置主要耗能类型为 0.5MPa 蒸汽，其能耗占装置总能耗的 66.11%，其次为电和燃料气的消耗，分别占装置总能耗的 15.91%和 12.30%。根据净化装置能耗分析情况，装置耗能值并不低，应进一步结合实际与软件模拟对其展开研究并从不同方面降低装置耗能量。
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2.2 净化装置工艺流程
气田各个井场的天然气由集气干线输送到集配气总站，经初步分离、汇集后进入净化装置进行分离、过滤、脱硫、脱水。脱硫单元是利用重力沉降、过滤分离除去原料气中游离水和固体杂质，后与脱硫溶液（MDEA、DEA 混合溶液）充分接触，脱除原料气中的 H2S及部分 CO2。脱水单元中脱水剂采用的是三甘醇溶液（TEG），用以脱除湿净化气中水分。脱硫及脱水单元工艺流程如下：
a.脱硫工艺流程
（1）原料天然气脱硫吸收部分
原料天然气自工厂系统进入脱硫装置，经分离器除去游离液和机械杂质，随后送至脱硫吸收塔下部。含硫天然气从吸收塔底部进入，与从上而下的贫胺液逆流接触，脱除其中的硫化氢和部分二氧化碳。湿净化气经湿净化气分离器分液后，送往脱水单元。
（2）富液闪蒸部分
脱硫塔底部出来的 MDEA 富液降压后进入闪蒸塔，闪蒸出溶解在富液中的烃类气体。闪蒸气与 MDEA 贫液进行逆流接触，脱除其中的硫化氢和部分二氧化碳气体。闪蒸气调压后至燃料气系统。
（3）溶液再生部分
闪蒸塔底部出来的富液经过滤除杂，后进入溶液换热器管程与脱硫再生贫液进行换热，升温后进入再生塔，经塔底二次蒸汽再生，解析出硫化氢和二氧化碳。底部再沸器提供再生热量。贫液从再生塔底引出与富液换热，后依次经贫液空冷器、后冷器被冷却，再由MDEA 循环泵送入吸收塔和闪蒸塔。
（4）酸气冷却部
再生塔顶部出来的酸性气体依次经酸气空冷器、后冷器冷却，进入酸气分离器。分离出冷凝水的酸气进入硫磺回收装置。酸性冷凝水经回流泵打入再生塔塔顶回流。
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3.1 甲醇回收装置能耗分析 ........................................24
3.2 甲醇回收装置工艺流程 ....................................24
第四章 硫磺回收装置能耗分析与节能优化研究 .....................................33
4.1 硫磺回收装置能耗分析 .................................33
4.2 硫磺回收装置工艺流程 ..........................34
第五章 节能优化软件开发 ...................................................53
5.1 概述 .............................................53
5.2 软件结构 ..............................................53
第五章 节能优化软件开发
5.1 概述
针对鄂尔多斯某气田能流分散、装置各异、数据零散、数量庞大等问题，结合前面章节计算过程，开发石油化工装置对标节能优化软件，本软件能够快速、准确地计算净化厂的各装置能耗；可计算装置中各换热器的夹点温度、最小公用工程用量，对换热网络的合理分析与系统节能进行有效辅助；具有操作参数优化功能，在给定天然气处理气量、组分含量以及脱硫、脱水单元生产负荷的基础上，计算出原料天然气的摩尔流量，并针对不同类型的脱硫、脱水溶液得到优化后的脱硫溶液循环量和脱水溶液循环量；其数据导入/导出功能可与记事本、Excel 等常用软件配合使用，显著提高工作效率、保证计算质量。企业可通过该软件的运行结果为依据开展节能优化工作，最终实现节本降耗、提质增效的目的。
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第六章 结论与创新点
6.1 结论
本文据鄂尔多斯某天然气净化厂现场实测参数、现场 DCS 数据及生产用能月报等数据收集及整理，开展天然气净化系统能耗分析及其节能优化研究。本文根据基础数据整理结果，用 Aspen HYSYS 化工模拟软件对净化厂内净化装置、甲醇回收装置及硫磺回收装置搭建模拟模型，并验证了基础模型的可靠性，在所建模型基础上，对装置的过程用能进行分析，其中利用夹点分析技术采用 Aspen Energy Analyzer 分析软件，对各单套装置换热网络以及多套装置换热网络分别进行了优化研究，依据软件分析找到了换热网络的不合理用能，并结合现场提出了相应可利用的且具有实际性的优化改造方案。在所研究净化厂根据所提方案作出相应改造后对比改造前能耗情况进行了节能效果验证。最后，根据整个天然气净化系统用能分析及节能优化的研究过程，利用 VB6.0 自主开发了方便快捷的石油化工装置对标节能优化软件。本文主要研究结论如下：
（1）对净化装置、甲醇回收装置及硫磺回收装置分别进行了能耗分析，其中净化装置能耗为 66.7634kgce/104m3，甲醇回收装置能耗为 10.9914kgce/104m3，硫磺回收装置总产能 9.1137kgce/104m3。
（3）在净化装置脱硫单元模拟模型基础上，利用夹点技术分析其换热网络，发现现有换热器均使用合理，其次，根据实况对 MDEA 溶液循环量进行优化，模拟结果表明，MDEA 溶液循环量由目前的 180m3·h-1 降低至 150m3·h-1 时，得到产品气中的 H2S 含量为17.2mg·m-3，CO2含量为 1.6%，每生产万方天然气可节约单位能耗 2.3452kgce。
（3）在净化装置脱水单元模拟模型基础上，分析现有换热网络合理性，结果表明现有换热网络符合夹点分析三原则，其次，模拟优化了脱水单元中 TEG 溶液循环量、TEG循环液温度的改变，结果表明，在其他参数不变的现有气质条件下，将现有 TEG 循环量由6.05 m3/h 将至 5.5 m3/h 后，节约单位能耗为 0.5960kgce/104m3；将 TEG 循环液的温度由50℃降低升高至 54℃时，节约单位能耗为 1.3596kgce/104m3。
（4）利用 HYSYS 搭建出了可靠的甲醇回收模拟模型，并据此模型开展节能优化，最终结合甲醇回收装置运行现状，从实际出发对该装置提出机泵变频节电的节能方案。机泵节电方案中采取变频节电技术对电机功率进行自主调节，通过进一步的投资及效益估算，该方案预估建设投资为 6.06 万元，预计静态回收期为 0.18 年，理论计算每生产万方天然气节约 1.6692kgce。
参考文献（略）