基于灰色系統(tǒng)理論的LNG冷箱異常工況分析

郭海新

昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司, 湖北 黃岡 438000

0 前言

LNG的獲取需要多重?fù)Q熱循環(huán)配備透平機(jī)械和換熱器高效工作,在充分發(fā)揮冷媒汽化潛熱的前提下進(jìn)行。而緊湊、輕巧、易維護(hù)的板翅式換熱器(冷箱)憑借其造價(jià)低、可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)成為L(zhǎng)NG生產(chǎn)中的標(biāo)配[1]。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況中,機(jī)械雜質(zhì)、水分以及苯衍生物為主的環(huán)狀芳香烴在低溫環(huán)境下發(fā)生相態(tài)變化,凝固以至于堵塞冷箱換熱流道,影響生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行[2-3]。單一問(wèn)題的表現(xiàn)通常是系統(tǒng)工程中后續(xù)變化量化的積累,必須在影響未擴(kuò)大前及時(shí)對(duì)單一點(diǎn)狀問(wèn)題展開(kāi)分析并進(jìn)行系統(tǒng)研究。但是當(dāng)前的LNG生產(chǎn)運(yùn)行領(lǐng)域研究主要集中在能耗優(yōu)化、多能互補(bǔ)以及換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化方面,缺少基于現(xiàn)場(chǎng)工況的分析與操作指引。

本文選取湖北500×104m3/d LNG工廠國(guó)產(chǎn)化示范工程某年運(yùn)行工況為研究案例,運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論,選取灰色關(guān)聯(lián)分析模型、灰色預(yù)測(cè)GM(1,N)模型兩種研究方法[4]。預(yù)設(shè)了混合冷劑換熱的冷劑線堵塞問(wèn)題,收集簡(jiǎn)易直觀的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬冷劑配比情況,實(shí)現(xiàn)換熱分析，達(dá)到了預(yù)防異常工況、合理調(diào)節(jié)冷量、指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行中冷劑科學(xué)合理的配比的作用。

1 研究案例

所研LNG工廠設(shè)計(jì)加工能力為500×104m3/d,LNG年產(chǎn)量為120×104t/a,生產(chǎn)負(fù)荷可根據(jù)上游原料氣變化合理設(shè)定在50%～110%。主體工藝流程涵蓋集輸、天然氣凈化、換熱液化、BOG回收、LNG儲(chǔ)罐區(qū)和LNG充裝區(qū)六大方面,配套輔助設(shè)施及公用工程[5]。

該廠液化裝置采用多級(jí)單組份制冷液化工藝,該工藝總體上為傳統(tǒng)階式制冷工藝,具體采用了三級(jí)制冷循環(huán):第一級(jí)丙烯制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量;第二級(jí)乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量;第三級(jí)混合冷劑制冷循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。原料氣總共通過(guò)六個(gè)換熱器和一個(gè)板翅式換熱器(冷箱)冷卻,溫度逐漸降至-165 ℃,得到LNG。根據(jù)不同生產(chǎn)負(fù)荷,該廠混合冷劑配比范圍為:氮?dú)饽柡?%～10%,乙烯摩爾含量15%～30%,甲烷摩爾含量80%～60%。氮?dú)鉃橥赓?gòu)98.8%純度的液氮?dú)饣蠊┙o,乙烯為外購(gòu)99.9%純度的液態(tài)直接供給,甲烷為系統(tǒng)中脫除水分、二氧化碳和重?zé)N后的原料氣供給[6-8]。

問(wèn)題工況記錄:通常經(jīng)過(guò)前端換熱過(guò)冷后的甲烷混合冷劑通過(guò)盤(pán)管進(jìn)入冷箱過(guò)冷至-155 ℃后經(jīng)V-1控制閥節(jié)流,進(jìn)一步降溫到-158.9 ℃,在140 kPa前提下通過(guò)盤(pán)管在此進(jìn)入冷箱;繼續(xù)冷卻LNG和混合冷劑,最終完成系統(tǒng)制冷循環(huán);需要注意LNG產(chǎn)量和冷量調(diào)整分別由V-2、V-1控制閥匹配執(zhí)行;本次將產(chǎn)量從300×104m3/d提至350×104m3/d的操作過(guò)程中發(fā)生冷劑線差壓上升誘發(fā)控制系統(tǒng)報(bào)警,立即進(jìn)行降量操作后再次嘗試仍然發(fā)生壓力高報(bào)警。繪制冷箱工藝流程,并標(biāo)注各溫度測(cè)點(diǎn)T1～T4及T1#～T3#,根據(jù)混合冷劑各組分汽化潛熱性質(zhì),流道對(duì)應(yīng)溫度測(cè)點(diǎn)能對(duì)應(yīng)反映組分含量(T1#反映乙烯、T2#反映甲烷、T3#反映氮?dú)猓峦?。冷箱工藝流程見(jiàn)圖1,問(wèn)題前后測(cè)點(diǎn)工況數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)工況數(shù)據(jù)表

圖1 冷箱工藝流程圖Fig.1 Flowchart of cold box process

根據(jù)工況表現(xiàn)預(yù)判原因有:1)甲烷冷劑水露點(diǎn)不合格引起的微量結(jié)冰堵塞流道;2)混合冷劑循環(huán)混入機(jī)械雜質(zhì)誘發(fā)流道堵塞;3)混合冷劑污染,混入高凝固點(diǎn)組分;4)混合冷劑各組分配比不合理,冷劑汽化潛熱作用紊亂;5)提升產(chǎn)量操作過(guò)快,冷箱換熱不均勻[9]。

注意所研LNG工廠在線色譜分析儀運(yùn)行周期為15 min/次,由于混合制冷循環(huán)系統(tǒng)過(guò)長(zhǎng),等待冷劑組分混合均勻得到最終穩(wěn)定數(shù)據(jù)需要1.2 h。現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)在冷箱冷劑線進(jìn)行了水露點(diǎn)測(cè)定,結(jié)果為-60 ℃,同時(shí)取樣運(yùn)用Agilent7890A氣相色譜儀進(jìn)行組分化驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混合冷劑組分測(cè)定表

通過(guò)表2可知,混合冷劑組分測(cè)定正常,不含苯。這樣就排除了水露點(diǎn)不合格和混合冷劑污染兩項(xiàng)預(yù)判原因。系統(tǒng)是否存在機(jī)械雜質(zhì)誘發(fā)流道堵塞可以通過(guò)調(diào)控性驗(yàn)證以及下次檢修的過(guò)濾器拆解進(jìn)行驗(yàn)證。在此針對(duì)混合冷劑各組分配比不合理,冷劑汽化潛熱作用紊亂要因展開(kāi)數(shù)學(xué)分析。

2 仿真模擬

灰色系統(tǒng)理論能解決多因素未知前提下的特殊復(fù)雜問(wèn)題,主要原理是將雜亂無(wú)章的原始數(shù)據(jù)歸一化,并根據(jù)特點(diǎn)優(yōu)選整理成規(guī)律性較強(qiáng)的矩陣數(shù)列后再作研究。簡(jiǎn)而言之,是將離散的量綱隨機(jī)數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)槿蹼S機(jī)性的無(wú)量綱規(guī)律生成數(shù),然后對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行描述計(jì)算,建立微分方程形式的模型,從而解決實(shí)際問(wèn)題[10-11]。

天然氣工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)此理論早已論證運(yùn)用。在工藝流程分析方面,運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型分析進(jìn)行LNG工廠脫碳裝置處理效果分析,能指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化[12]。在化工設(shè)備故障診斷方面,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)開(kāi)車(chē)時(shí)的壓縮機(jī)振動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)分析,能為工程的開(kāi)工運(yùn)行提供指導(dǎo)。由此可見(jiàn)灰色系統(tǒng)理論對(duì)于天然氣工業(yè)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用意義[13]。

本文數(shù)學(xué)建模的思路:1)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析的多因素統(tǒng)計(jì)分析特點(diǎn)描述分析因素間關(guān)系的強(qiáng)弱,找出故障調(diào)節(jié)因子,簡(jiǎn)化下一步模型;2)設(shè)故障調(diào)節(jié)因子為條件,運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM(1,N)模型的因素預(yù)測(cè)特點(diǎn)再次建模,為工藝調(diào)整做出指導(dǎo);3)取調(diào)整后工藝參數(shù)再次用GM(1,N)模型進(jìn)行建模,驗(yàn)證工藝調(diào)整是否見(jiàn)效。

由于各測(cè)點(diǎn)及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)等子因子與母因子冷劑差壓之間的量綱結(jié)構(gòu)不明確,單一冷箱各情況統(tǒng)計(jì)信息不完全,壓縮機(jī)乃至整個(gè)液化系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律不清楚,所以無(wú)法運(yùn)用HYSYS準(zhǔn)確模擬[14]。加上設(shè)備設(shè)施條件限制無(wú)法對(duì)混合冷劑組分進(jìn)行及時(shí)高頻次在線分析,無(wú)相應(yīng)預(yù)警措施。針對(duì)此特殊情況,可把此次事件看成一個(gè)灰色系統(tǒng)模型,再選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析[15]。

在此確定分析序列。設(shè)母因子(因變量)x0為冷劑差壓,多個(gè)子因子(自變量)xi依次為溫度測(cè)點(diǎn)T1、T2、T3、T4、T1#、T2#、T3#的溫度及LNG產(chǎn)量、天然氣差壓。構(gòu)成:

x0=(x0(1),x0(2),……x0(n))

(1)

xi=(xi(1),xi(2),……xi(n)),i=1,2,…m

(2)

再通過(guò)式(3)進(jìn)行序列的無(wú)量綱化處理。

(3)

最后得到關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)公式:

(4)

從而計(jì)算出關(guān)聯(lián)度ri公式為:

(5)

由于模型要求所有數(shù)據(jù)為正,在此根據(jù)工程特點(diǎn)將負(fù)數(shù)溫度轉(zhuǎn)換為分?jǐn)?shù)。設(shè)冷劑差壓為母因子x0,其余因素為子因子x1～x9。分析序列因子數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 分析序列因子數(shù)據(jù)表

按照灰色系統(tǒng)建模法則,通常將分辨系數(shù)取為0.5。在此前提下,按照灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果大于0.7的子因子判定為主要關(guān)聯(lián)因子。計(jì)算各分析序列因子關(guān)聯(lián)度及排序得出:所有子因子均為主要關(guān)聯(lián)因子。由于液化LNG廠冷箱所用冷媒為甲烷、乙烯、氮?dú)獍匆欢ū壤渲玫幕旌鲜嚼鋭?依據(jù)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和混合冷劑中不同組分的汽化潛熱情況,現(xiàn)定義冷劑盤(pán)管對(duì)應(yīng)溫度測(cè)點(diǎn)、冷劑蒸發(fā)吸熱監(jiān)控點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)及冷劑組分露點(diǎn)情況進(jìn)一步分析可以看出,影響因素前7位均為各測(cè)點(diǎn)溫度。而冷劑線上關(guān)聯(lián)度由強(qiáng)到弱依次是T3#、T2#、T1#、T4,可見(jiàn)當(dāng)前問(wèn)題為冷劑配比不當(dāng)引起,與提量關(guān)系不大。通過(guò)分析結(jié)果中各溫度測(cè)點(diǎn)的排列組合看出,T2#與T2、T1#與T1換熱效果不好,T1#與T1尤為突出。T4是直觀反映冷劑線溫度的關(guān)鍵點(diǎn)。查閱歷史數(shù)據(jù)函數(shù),滿(mǎn)負(fù)荷(500×104m3/d)生產(chǎn)時(shí),T4溫度為-99.6 ℃。并未出現(xiàn)冷劑線差壓過(guò)高問(wèn)題,現(xiàn)階段T4溫度最高為-112.3 ℃。歷史工況及其設(shè)計(jì)原則認(rèn)為,當(dāng)T4溫度>-100 ℃ 時(shí)混合冷劑相態(tài)大多為氣態(tài),有利于盤(pán)管換熱。而當(dāng)前T4溫度過(guò)低,冷劑配比不均衡,再加上冷箱換熱效率低,會(huì)在冷劑線出口處形成液體,導(dǎo)致冷劑線盤(pán)管進(jìn)出口差壓變大。后續(xù)停工檢修過(guò)程中,對(duì)冷劑線入口過(guò)濾器拆卸保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)及其附件完好無(wú)損,無(wú)明顯機(jī)械雜質(zhì)。綜合判定本次所研工況與冰堵和機(jī)械雜質(zhì)堵塞無(wú)關(guān)。關(guān)聯(lián)度及排序見(jiàn)表4。

表4 關(guān)聯(lián)度及排序表

針對(duì)以上分析結(jié)論,繼續(xù)簡(jiǎn)化物理模型。選取總冷量參照物,冷劑線出冷箱溫度測(cè)點(diǎn)T4溫度為母因子x0，反映冷劑組分含量的溫度測(cè)點(diǎn)T1#、T2#、T3#的溫度分別為子因子x1、x2、x3。冷劑差壓高,緊急降量調(diào)整后運(yùn)行24 h，然后取平穩(wěn)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。運(yùn)用GM(1,N)模型[12-14]，借助削減隨機(jī)性的規(guī)律生成數(shù)列系統(tǒng)挖掘內(nèi)部信息,進(jìn)行系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連貫本質(zhì)軌跡探究,為下一步調(diào)節(jié)冷劑各組分配比做準(zhǔn)備。GM(1,N)模型計(jì)算原理見(jiàn)鄧聚龍《灰色控制系統(tǒng)》,分析序列因子數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 緊急降量調(diào)整運(yùn)行24 h后平穩(wěn)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)表

表6 分析序列因子數(shù)據(jù)表

建立GM(1,3)模型的計(jì)算過(guò)程如下。

(6)

2)矩陣B的構(gòu)造:

(7)

3)矩陣Y的構(gòu)造:

=[0.009 0.009 0.009 0.009]T

(8)

4)系統(tǒng)發(fā)展系數(shù)a和驅(qū)動(dòng)項(xiàng)b的生成:

(9)

5)將上述求得參數(shù)帶入微分方程中:

(10)

計(jì)算分析得:1)T1#驅(qū)動(dòng)項(xiàng)接近為0,混合冷劑中乙烯組分不用調(diào)整;2)T2#驅(qū)動(dòng)項(xiàng)為負(fù)數(shù),表明甲烷組分較多但驅(qū)動(dòng)項(xiàng)數(shù)值小,并不影響整體系統(tǒng)運(yùn)行[16-17];3)T3#驅(qū)動(dòng)項(xiàng)為正數(shù)且最大,下一步需補(bǔ)充氮?dú)饨M分。

3 分析改進(jìn)

經(jīng)化驗(yàn)可知當(dāng)前氮?dú)饨M分摩爾含量為9.4 %,研究后決定將其補(bǔ)充至10 %。補(bǔ)充氮?dú)?4 h后的穩(wěn)定生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。繼續(xù)運(yùn)用GM(1,N)模型,設(shè)冷劑線出冷箱溫度測(cè)點(diǎn)T4溫度為母因子x0。反映冷劑組分含量的溫度測(cè)點(diǎn)T1#、T2#、T3#的溫度為子因子x1、x2、x3。簡(jiǎn)化分析計(jì)算[13,18-20]。

表7 補(bǔ)充氮?dú)夂?4 h平穩(wěn)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)表

過(guò)程省略,最后得微分方程:

(11)

計(jì)算分析得:T1#、T2#、T3#驅(qū)動(dòng)項(xiàng)均相差不大,且絕對(duì)值較小;雖然T1#驅(qū)動(dòng)項(xiàng)為負(fù)數(shù),說(shuō)明當(dāng)前情況下乙烯略微偏高,但因絕對(duì)值較小,并不影響冷劑配比，下一步冷劑組分無(wú)需調(diào)整。

4 結(jié)論

1)冷劑線的壓差過(guò)大時(shí)不能一味將其原因判斷為冰堵和機(jī)械雜質(zhì)堵塞,然后武斷拆卸冷劑線過(guò)濾器對(duì)其吹掃；也不能無(wú)端判定為因提量生產(chǎn)而導(dǎo)致的換熱不均。冷量供給與產(chǎn)品線換熱調(diào)控需要精確計(jì)算,找到原因后才能“小幅度、少次數(shù)”的動(dòng)作。不可大幅度調(diào)節(jié)或者頻繁試驗(yàn)。

2)灰色系統(tǒng)理論及其運(yùn)算方法滿(mǎn)足規(guī)范性、整體性、偶對(duì)性、接近性,能在一定精度范圍內(nèi)完成常規(guī)化工模擬，能及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn),有一定的實(shí)效性。

3)此次異常工況原因?yàn)槔鋭┡浔炔痪?混合冷劑汽化潛熱作用紊亂，最終導(dǎo)致冷劑線盤(pán)管進(jìn)出口差壓過(guò)大，與冰堵和機(jī)械雜質(zhì)堵塞無(wú)關(guān)。

4)GM(1,N)模型能運(yùn)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)有效計(jì)算各冷劑組分配比對(duì)于當(dāng)前工況的利弊，避免了因分析儀等基礎(chǔ)設(shè)施缺乏無(wú)法及時(shí)進(jìn)行組分分析的尷尬。

5)運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論等數(shù)學(xué)算法并編寫(xiě)成相應(yīng)軟件能有效運(yùn)用各測(cè)點(diǎn)時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行工況分析預(yù)警,在一定程度上有節(jié)約物料成本,高效、及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的意義。