天然氣吸附塔控制方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天然氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種天然氣吸附塔控制方法、裝 置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣是一種清潔的能源和化工原料，我國天然氣長輸管道采用高壓輸氣的方式 將天然氣輸送到各天然氣門站，各天然氣門站再對高壓天然氣進(jìn)行減壓處理后輸送入下游 管網(wǎng)，或者進(jìn)行液化處理成液化天然氣，供用戶使用。
[0003] -般而言，來自天然氣門站的原料氣中含有水、汞、酸性氣體等雜質(zhì)，各雜質(zhì)會(huì)對 天然氣進(jìn)行降壓處理的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，天然氣中的水分與天然氣在一定條件下 形成水合物而阻塞管路，影響冷卻液化過程；天然氣中的酸性氣體游離水中會(huì)形成酸，從而 侵蝕管路和設(shè)備；汞對鋁制設(shè)備腐蝕和管道的腐蝕很嚴(yán)重；另外由于水分的存在也會(huì)造成 不必要的動(dòng)力消耗；由于天然氣液化溫度較低，水和酸性氣體的存在還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的凍堵， 故必須脫除。
[0004] 為了解決這一問題，目前常用的方式是在天然氣進(jìn)行減壓之前，先通過凈化系統(tǒng) 對各天然氣門站的原料氣作凈化處理。目前，凈化系統(tǒng)內(nèi)一般設(shè)置有多個(gè)凈化單元，每個(gè)凈 化單元內(nèi)設(shè)置有多個(gè)吸附塔，每個(gè)吸附塔內(nèi)裝填有吸附劑，選擇性地脫除原料天然氣中的 酸性氣體、汞、水等雜質(zhì)，多個(gè)塔可以同時(shí)進(jìn)行吸附和再生（解吸）循環(huán)操作。常用的吸附方 法是 TSA(變溫吸附，Temperature Swing Adsorption)和 PSA(變壓吸附，Pressure Swing Adsorption)。其中，TSA吸附方式是從塔底進(jìn)入的天然氣在塔內(nèi)吸附劑的作用下將氣體中 的酸性氣體、水等雜質(zhì)吸附下來，吸附完成后，用高溫解吸氣進(jìn)行再生，即在常溫或低溫下 用吸附劑吸附水和酸性氣體等雜質(zhì)，之后在高溫下對吸附劑進(jìn)行解吸再生，構(gòu)成吸附劑的 再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離和凈化氣體的目的。PSA吸附方式是從塔底進(jìn)入的天然氣在塔內(nèi)吸 附劑的作用下將氣體中的酸性氣體、水等雜質(zhì)吸附下來，吸附完成后，用低壓再生氣進(jìn)行再 生，即在較高壓力下用吸附劑吸附天然氣中的水和酸性氣體等雜質(zhì)，之后在低壓下解吸再 生，構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離和凈化氣體的目的。
[0005] -般而言，TSA包括吸附、再生和冷吹三個(gè)工段，吸附塔上設(shè)置有多個(gè)閥門，通過各 個(gè)閥門的切換來實(shí)現(xiàn)吸附、再生和冷吹工序的進(jìn)氣。PSA包括吸附和再生兩個(gè)工段，吸附塔 上設(shè)置有多個(gè)閥門，通過各個(gè)閥門的切換來實(shí)現(xiàn)吸附和再生工序的進(jìn)氣。目前常采用將變 壓吸附和變溫吸附相結(jié)合的方法來去除天然氣中的酸性氣體、水、汞等雜質(zhì)，其流程是：高 壓原料天然氣先進(jìn)入PSA的吸附塔，在多種吸附劑的依次選擇吸附下，其中的H 20、C02、H2S、 C5+等雜質(zhì)被吸附下來，未被吸附的天然氣從塔頂流出送去TSA。當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前 沿（稱為吸附前沿）到達(dá)床層出口預(yù)留段時(shí)，關(guān)掉該吸附塔的原料氣進(jìn)料閥和產(chǎn)品氣出口 閥，停止吸附，吸附床開始轉(zhuǎn)入再生過程。經(jīng)過PSA處理的天然氣自塔底進(jìn)入TSA的吸附塔 內(nèi)，再經(jīng)過多種吸附劑的依次選擇吸附，其中的H 20、C02、H2S等雜質(zhì)幾乎全被吸附下來，未被 吸附的天然氣作為產(chǎn)品氣從塔頂流出經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后送出界區(qū)。來自冷箱的制冷氣 分為三路，其中兩路作為再生氣，一路進(jìn)入PSA吸附塔內(nèi)，經(jīng)變壓對PSA內(nèi)的吸附劑進(jìn)行解 吸；另一路經(jīng)加熱器加熱后沖洗TSA吸附塔，對TSA內(nèi)的吸附劑進(jìn)行解吸，直至整個(gè)床層加 熱到約280°C，床層中的H2OXO 2等雜質(zhì)脫附干凈為止，之后進(jìn)入冷吹工段；來自冷箱的另一 路制冷器作為TSA冷吹工段的冷吹氣，對TSA內(nèi)的吸附劑進(jìn)行冷吹降溫；解吸和冷吹后的氣 體輸入天然氣管網(wǎng)。變壓吸附和變溫吸附包括多個(gè)吸附塔，構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)， 達(dá)到連續(xù)分離和凈化氣體的目的。
[0006] -般而言，TSA吸附方式和PSA吸附方式凈化工藝用吸附時(shí)間和再生時(shí)間來控制 各閥門的切換，從而改變吸附塔的工藝狀態(tài)，為了提高吸附劑使用效率并降低能耗，必須 延長吸附時(shí)間T 1，縮短解吸時(shí)間T2，但簡單的時(shí)間調(diào)整可能導(dǎo)致吸附效果下降或解吸不徹 底。目前，通常是根據(jù)吸附和再生過程的機(jī)理分析和工程實(shí)踐來確定吸附和解吸的時(shí)間，但 不能根據(jù)不同的原料氣的具體情況進(jìn)行時(shí)間的靈活調(diào)節(jié)，這不僅會(huì)降低吸附劑的壽命和效 率，也可能會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于此，本發(fā)明提出了一種天然氣吸附塔控制方法，旨在解決現(xiàn)有控制方法不能 對各工序時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)的問題。本發(fā)明還提出了天然氣吸附塔控制裝置及控制系統(tǒng)。
[0008] -個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種天然氣吸附塔控制方法，用于控制第一吸附塔和第 二吸附塔，該方法包括如下步驟：閥門控制步驟，發(fā)出控制第一吸附塔和第二吸附塔的吸附 工段閥門打開的控制信號；獲取步驟，獲取第一吸附塔和第二吸附塔的吸附工段進(jìn)口管道 中天然氣的流量和雜質(zhì)含量，以及第二吸附塔中吸附工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量； 計(jì)算步驟，根據(jù)第一吸附塔進(jìn)口管道中天然氣的流量和雜質(zhì)含量確定第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間， 根據(jù)第二吸附塔進(jìn)口管道中天然氣的流量和雜質(zhì)含量確定第二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間；吸附步驟， 在第一吸附塔的實(shí)際吸附時(shí)間達(dá)到第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間、第二吸附塔的實(shí)際吸附時(shí)間達(dá)到第 二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間或者第二吸附塔中吸附工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量達(dá)到第一雜質(zhì) 預(yù)設(shè)值時(shí)，發(fā)出控制第一吸附塔和第二吸附塔的吸附工段閥門關(guān)閉、再生工段閥門打開的 控制信號。
[0009] 進(jìn)一步地，上述天然氣吸附塔控制方法還包括：第一再生步驟，實(shí)時(shí)獲取第一吸 附塔的再生工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量，并在雜質(zhì)含量達(dá)到第二雜質(zhì)預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出 控制再生工段閥門關(guān)閉的控制信號；第二再生步驟，實(shí)時(shí)獲取第二吸附塔的再生工段出口 管道中天然氣的雜質(zhì)含量，并在雜質(zhì)含量達(dá)到第三雜質(zhì)預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出控制再生工段閥門關(guān) 閉、冷吹工段閥門打開的控制信號。
[0010] 進(jìn)一步地，上述天然氣吸附塔控制方法還包括：冷吹步驟，實(shí)時(shí)獲取第二吸附塔的 冷吹工段出口管道中天然氣的溫度，并在溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)發(fā)出控制冷吹工段閥門關(guān)閉 的控制信號。
[0011] 進(jìn)一步地，上述天然氣吸附塔控制方法中，計(jì)算步驟中，根據(jù)第一吸附塔進(jìn)口管道 P 的流量和雜質(zhì)含量確定第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間進(jìn)一步包括：根據(jù)公式X = (Si_ S1^F1分別確定 第一吸附塔吸附的各雜質(zhì)所需的吸附時(shí)間；該式中，T1為雜質(zhì)所需的吸附時(shí)間，Q 第一吸 附塔滿負(fù)荷吸附劑吸附量，S1為第一吸附塔吸附工段進(jìn)口管道中天然氣的該雜質(zhì)的含量， S/為第一吸附塔吸附工段出口天然氣的控制該雜質(zhì)的指標(biāo)含量，F(xiàn)1為第一吸附塔吸附工 段進(jìn)口管道中的流量；將上述確定的最小的吸附時(shí)間作為第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間。
[0012] 進(jìn)一步地，上述天然氣吸附塔控制方法中，計(jì)算步驟中，根據(jù)第二吸附塔進(jìn)口管道 的流量和雜質(zhì)含量確定第二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間進(jìn)一步包括：根據(jù)公式7丨=(S %、F:分別確 定第二吸附塔吸附的各雜質(zhì)所需的吸附時(shí)間，該式中，T2為雜質(zhì)所需的吸附時(shí)間；Q2為第二 吸附塔吸附塔滿負(fù)荷吸附劑吸附量；S2為第二吸附塔吸附工段進(jìn)口管道中天然氣的該雜質(zhì) 的含量；S2'為第二吸附塔吸附工段出口天然氣的控制該指標(biāo)的含量；F 2為第二吸附塔吸附 工段進(jìn)口管道中的流量；將上述確定的最小的吸附時(shí)間作為第二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間。
[0013] 本發(fā)明中的第一吸附塔和第二吸附塔可以根據(jù)待吸附天然氣的雜質(zhì)含量和流量、 或者吸附后的天然氣的雜質(zhì)含量來確定吸附工序是否結(jié)束，也就是說，可以根據(jù)雜質(zhì)的具 體情況來調(diào)節(jié)吸附時(shí)間，使吸附后的氣體更能達(dá)到要求；本發(fā)明可以更好地對原料天然氣 中的雜質(zhì)進(jìn)行充分的吸附，提高吸附劑的效率和使用壽命，節(jié)約能耗。
[0014] 另一方面，本發(fā)明還提出了一種天然氣吸附塔控制裝置，該裝置包括：閥門控制模 塊，用于發(fā)出控制第一吸附塔和第二吸附塔的吸附工段閥門打開的控制信號；獲取模塊，用 于獲取第一吸附塔和第二吸附塔的吸附工段進(jìn)口管道中天然氣的流量和雜質(zhì)含量，以及第 二吸附塔中吸附工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量；計(jì)算模塊，用于根據(jù)第一吸附塔進(jìn)口 管道中天然氣的流量和雜質(zhì)含量確定第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間，根據(jù)第二吸附塔進(jìn)口管道中天然 氣的流量和雜質(zhì)含量確定第二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間；吸附控制模塊，用于在第一吸附塔的實(shí)際吸 附時(shí)間達(dá)到第一預(yù)設(shè)吸附時(shí)間、第二吸附塔的實(shí)際吸附時(shí)間達(dá)到第二預(yù)設(shè)吸附時(shí)間或者第 二吸附塔中吸附工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量達(dá)到第一雜質(zhì)預(yù)設(shè)值時(shí)，發(fā)出控制第一 吸附塔和第二吸附塔的吸附工段閥門關(guān)閉、再生工段閥門打開的控制信號。
[0015] 進(jìn)一步地，上述天然氣吸附塔控制裝置還包括：第一再生模塊，用于實(shí)時(shí)獲取第一 吸附塔的再生工段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量，并在雜質(zhì)含量達(dá)到第二雜質(zhì)預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā) 出控制再生工段閥門關(guān)閉的控制信號；第二再生模塊，用于實(shí)時(shí)獲取第二吸附塔的再生工 段出口管道中天然氣的雜質(zhì)含量，并在雜質(zhì)含量達(dá)到第三雜質(zhì)預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出控制再生工段 閥門關(guān)閉的控制信號。第二再生控制模塊還用于發(fā)出控制第一吸附塔冷吹工段閥門打開的 控制信號；冷吹模塊，用于實(shí)時(shí)獲取第二吸附塔的冷吹工段出口管道中天然氣的溫度，并在 溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)發(fā)出控制冷吹工段閥門關(guān)閉的控制信號。
[0016] 又一方面，本發(fā)明還提出了一種天然氣吸附塔控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：第一雜質(zhì)檢 測單元，用于檢測第一吸附塔吸附工段進(jìn)口管道