CN110175400A - 一种基于高压天然气处理装置的co2吸收动态模型与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法，包括步骤：1)稳态建模与分析；对CO2吸收过程进行稳态分析和验证，稳态分析包括平衡法和速率参数法；2)动态模型建立；3)控制方法设计。本发明的有益效果是：基于高压天然气处理装置，对CO2的吸收过程进行建模、动态仿真和控制；采用20％的单乙醇胺水溶液(MEA)从混合酸性气体中吸收CO2，实验结果与真实实验数据相比较，结果表明本发明提出的处理方法能够实现相同的CO2吸收率；本发明在酸性气体流量、贫溶剂流量、入口温度和CO2含量等条件变化下，对填料吸收塔的处理过程进行动态仿真和控制策略研究。

Description

一种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法
技术领域
本发明涉及一种高压天然气处理装置CO2吸收的动态模型与控制方法，更具体地说，它涉及一种高压天然气混合酸性中CO2吸收动态模型的建立和仿真，以及基于Murphree效率的稳态分析和基于流量的最优控制策略。
背景技术
随着全球天然气开采量的增加，需要从能量消耗方面研究新的处理技术。目前，二氧化碳污染物和井口高压力对富CO2型天然气资源的开发提出了重大挑战。必须深入研究瞬态条件下的高二氧化碳分压数据，设计出一种任何干扰情况下处理CO2的控制方法。原始天然气中含有CO2、CH4等酸性气体，在使用之前需要进行处理，降低污染物浓度，满足传输管道的要求规范。目前，多数文献提出基于胺基的CO2吸收稳态模型和动力学分析方法，但研究主要集中在后燃烧过程。高压天然气中CO2的吸收过程可以采用基于平衡法的效率模型或基于速率参数法的动态模型来表示。相比于传统的平衡模型，多数研究结果强调速率化方法的优点。但是，速率参数模型的复杂性较高，且模拟分析结果需要建立在低压实验数据基础上。因此，针对高压系统需要开发一种新型模拟分析技术，能够提高速率模型的鲁棒性和精确性，减少计算复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法。
这种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法，包括如下步骤：
步骤1：稳态建模与分析；对CO2吸收过程进行稳态分析和验证，稳态分析包括平衡法和速率参数法；
步骤1-1：基于Murphree效率的平衡法建模；假定每个阶段的气体和液体温度相等；基于汽相摩尔分数的Murpree效率定义公式为：
式中，n为状态数，y为出气阶段的气体中二氧化碳的摩尔分数，yn为出气阶段二氧化碳与液体平衡的摩尔分数；
步骤1-2：速率参数法建模；该模型描述传质、传热和化学反应的有限速率，给定分压下CO2的总浓度，同时获得包含分子和离子的液相形态；基于速率的模型分析实际托盘或实际填料塔内发生的质量变化和传热现象；其中，双膜为气体层和液体层，A物质表示气体，B物质表示液体，传质方向为气体到液体；PA为气体压强，双膜边界处压强比例减小为PAi；CA为气体热能，CB为液体热能，两者均平衡为常数，且CB值逐渐增大；
步骤1-3：热力学和化学平衡公式建立；在液相形态中发生的化学反应包含分子和离子两种物质，通过以下化学平衡反应式描述：
步骤1-4：稳态模型建立；稳态建模中，同时引入平衡法和速率参数法；为了模拟稳态条件，遵循以下假设：
1)逆向气流包含充分混合的蒸汽和液体；2)溶剂的蒸发可以忽略不计；3)释放到周围的热量非常小；4)各相之间的热质传递遵循双膜理论；
选择液膜非理想性校正方法，有效界面面积因子保持为1；稳态模型中：1)阀门1控制贫溶剂MEA的流量，分析模块控制溶剂浓度；2)CO2和CH4分别通过阀门2和阀门3进入气体混合器形成酸性气体，并利用分析模块获得两种气体含量；3)混合气体和贫溶液进入填料吸收塔处理后，分为两路进行过滤，非酸性气体通过阀门5被储气罐回收，富溶剂通过阀门6被存储槽回收；
步骤2：动态模型建立；通过改变工作条件和设计控制规则来修正稳态模型；采用流量驱动模拟方式；当稳态模拟得到完整信息，并完成压力检查后，激活动态模拟环境；在稳态模型的基础上，引入可编程中断控制器和线性集成电路；PIC-2控制过滤器1和阀门5，LIC控制过滤器2和阀门6，完成处理后气体的中断回收和富溶剂的动态回收；
步骤3：控制方法设计；将流量控制器引入动态模型中，使贫溶剂的流量、非酸性气流中CO2的含量、吸收装置中的液位和压力等控制变量保持在设定值；采用比例积分微分控制器，根据不同的增益KC、积分τI和微分τD值进行调整，并观察控制器的校正作用；用导数项描述曲线的陡度和特定时间点的信号轨迹变化率，误差值e(t)为设定值与过程变量PV之间的差值，计算公式如下：
e(t)＝|SP-PV| (7)
PIC-2控制MEA和阀门1，阀门1根据流量控制器发送的信号控制进入填料吸收塔的贫溶剂液量；控制器反向作用，当贫溶剂负载的流量增加时，阀门1接收信号，减少流量，并将过程变量收敛至设定值；根据不同KC值设计流量控制策略，引入随机扰动；设置积分值τI为20分钟的常数，微分值τD为0，控制器符合比例积分PI算法。
这种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法的CO2吸收方法，包括如下步骤：
1)初始阶段，CO2、CH4和N2在气体加热器中加热；
2)CO2、CH4和N2三种气体在静态混合器中混合，利用压缩机输送到填料塔底；流量计控制混合气体中各种气体的含量，并通过回压调节器来保持所需的压力水平；酸性混合气体仅含有CO2和CH4，并以1:1的比例进行混合、控制和检测；
3)贫溶剂是浓度为10％-20％的单乙醇胺水溶液MEA，存储槽回收处理后的富溶剂；
4)混合气体在填料塔中，利用贫溶剂的化学吸收从酸性气体中去除CO2，贫溶剂在25℃-30℃和大约10-11bar的压力下进入随机填料吸收塔和结构填料吸收塔；
5)贫溶剂通过高压泵输送至塔顶，吸收CO2之后形成富溶剂，流回存储槽；逆流机理发生在填料塔中，汽相和液相接触发生在薄膜交界处；
6)气体分析模块对进入吸收塔和排出吸收塔的气体成分进行分析，为控制方法提供实验数据。
本发明的有益效果是：
(1)本发明基于高压天然气处理装置，对CO2的吸收过程进行建模、动态仿真和控制；
(2)采用20％的单乙醇胺水溶液(MEA)从混合酸性气体中吸收CO2，实验结果与真实实验数据相比较，结果表明本发明提出的处理方法能够实现相同的CO2吸收率。
(3)本发明在酸性气体流量、贫溶剂流量、入口温度和CO2含量等条件变化下，对填料吸收塔的处理过程进行动态仿真和控制策略研究；
(4)本发明的实验内容与酸气处理的实际应用密切相关，下一步是结合混合气体剥离部分，研究CO2处理装置的整体结构和能量效率。
附图说明
图1高压天然气CO2吸收装置；
图2基于双膜理论的传质模型示意图；
图3稳态模型仿真示意图；
图4动态模型仿真示意图；
图5基于流量控制器的动态模型示意图；
图6平衡模型修正前平衡法和速率参数法的CO2吸收率；
图7基于Murphree效率变化值的CO2吸收率；
图8基于阶段数变化的CO2摩尔分数曲线；
图9基于阶段数变化的平衡法与速率参数法CO2去除率比较；
图10流量控制策略对贫溶液的控制效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明利用高压天然气处理的实验装置，对CO2吸收过程进行稳态和动态建模、数据获取和实验验证。利用单乙醇胺水溶液(MEA)脱除二氧化碳，基于平衡法和速率参数法进行动态仿真，改进CO2吸收过程的稳态平衡模型，并在动态系统中设计最优控制方法。
步骤1：高压天然气处理装置设计。图1所示为高压天然气CO2吸收装置的工艺流程图，吸收塔包括随机填料和结构填料两种类型。本发明在实验和模拟两个阶段均选择结构填料吸收，在每一个处理阶段该类型吸收塔的压降较低，容量较高。
处理过程说明：
(1)初始阶段，CO2、CH4和N2在气体加热器中加热，以避免在管道中发生液化；
(2)三种气体在静态混合器中混合，利用压缩机输送到填料塔底。为了调整二氧化碳浓度，流量计控制混合气体中各种气体的含量，并通过回压调节器来保持所需的压力水平。本发明应用的酸性混合气体仅含有CO2和CH4，并以1:1的比例进行混合、控制和检测。
(3)贫溶剂是浓度为10％-20％的单乙醇胺水溶液(MEA)，存储槽回收处理后的富溶剂；
(4)混合气体在填料塔中，利用贫溶剂的化学吸收从酸性气体中去除CO2，贫溶剂在25℃-30℃和大约10-11bar的压力下进入随机填料吸收塔和结构填料吸收塔；
(5)贫溶剂通过高压泵输送至塔顶，吸收CO2之后形成富溶剂，流回存储槽。逆流机理发生在填料塔中，汽相和液相接触发生在薄膜交界处。
(6)气体分析模块对进入吸收塔和排出吸收塔的气体成分进行分析，为控制方法提供实验数据。
步骤2：稳态建模与分析。本发明对CO2吸收过程进行稳态分析和验证，稳态分析包括平衡法和速率参数法。
步骤2-1：基于Murphree效率的平衡法建模。假定每个阶段的气体和液体温度相等。利用Murpree效率可以更真实地描述浓度和温度分布，建立柱体高度函数，而不是建立理想的平衡模型。基于汽相摩尔分数的Murpree效率定义公式为：
式中，n为状态数，y为出气阶段的气体中二氧化碳的摩尔分数，yn为出气阶段二氧化碳与液体平衡的摩尔分数。
步骤2-2：速率参数法建模。该模型明确描述传质、传热和化学反应的有限速率，不仅给定分压下CO2的总浓度，同时能够获得包含分子和离子的液相形态。如图2所示，基于速率的模型分析实际托盘或实际填料塔内发生的质量变化和传热现象，避免将效率近似化。其中，双膜为气体层和液体层，A物质表示气体，B物质表示液体，传质方向为气体到液体(A到B)。PA为气体压强，双膜边界处压强比例减小为PAi。CA为气体热能，CB为液体热能，两者均平衡为常数，且CB值逐渐增大。
步骤2-3：热力学和化学平衡公式建立。在液相形态中发生的化学反应包含分子和离子两种物质，可以通过以下化学平衡反应式描述：
步骤2-4：稳态模型建立。稳态建模中，同时引入平衡法和速率参数法。为了模拟稳态条件，本发明遵循以下假设：
(1)逆向气流包含充分混合的蒸汽和液体；
(2)溶剂的蒸发可以忽略不计
(3)释放到周围的热量非常小
(4)各相之间的热质传递遵循双膜理论。
本发明选择液膜非理想性校正方法，有效界面面积因子保持为1。图3为稳态模型示意图，进料气流和吸收塔的数据对于稳态条件的模拟至关重要。如图所示：
(1)阀门1控制贫溶剂MEA的流量，分析模块控制溶剂浓度；
(2)CO2和CH4分别通过阀门2和阀门3进入气体混合器形成酸性气体，并利用分析模块获得两种气体含量；
(3)混合气体和贫溶液进入填料吸收塔处理后，分为两路进行过滤，非酸性气体通过阀门5被储气罐回收，富溶剂通过阀门6被存储槽回收。
步骤3：动态模型建立。为了补偿平衡法和速率参数法处理结果的偏差，通过改变工作条件和设计控制规则来修正稳态模型。本发明采用流量驱动模拟方式，该方式适用于液相系统或具有良好压力的吸收系统。当稳态模拟得到完整信息，并完成压力检查后，激活动态模拟环境。图4为瞬态分析的动态模型示意图，表1为动态工况数据指标。
图4表明，在稳态模型的基础上，引入可编程中断控制器(PIC)和线性集成电路(LIC)，完成动态分析的功能。其中，PIC-2控制过滤器1和阀门5，LIC控制过滤器2和阀门6，完成处理后气体的中断回收和富溶剂的动态回收。同时，各个阀门的流出量均用粗实线箭头表示，体现动态流量控制的效果。
表1动态仿真工况
步骤4：控制方法设计。本发明将流量控制器引入动态模型中，使贫溶剂的流量、非酸性气流中CO2的含量、吸收装置中的液位和压力等控制变量保持在设定值(SP)。采用比例积分微分控制器(PID)，根据不同的增益(KC)、积分(τI)和微分(τD)值进行调整，并观察控制器的校正作用。本发明设计基于流量的控制方法，用导数项描述曲线的陡度和特定时间点的信号轨迹变化率，误差值e(t)为设定值与过程变量(PV)之间的差值，计算公式如下：
e(t)＝|SP-PV| (7)
根据图4的动态模型，基于贫溶剂流量控制器的动态模型如图5所示，阀门1根据流量控制器发送的信号控制进入填料吸收塔的贫溶剂液量。控制器反向作用，当贫溶剂负载的流量增加时，阀门1接收信号，减少流量，并将过程变量收敛至设定值。本发明根据不同KC值设计流量控制策略，引入随机扰动，研究修正作用的快速收敛性。设置积分值τI为20分钟的常数，微分值τD为0，控制器符合比例积分(PI)算法。
实验结果1：稳态吸收仿真
图6为利用平衡模型进行修正前，基于平衡法和速率参数法对二氧化碳吸收率的比较结果。图6表明，阶段数分为2到10，平衡法的仿真结果与实验数据的偏差较大，速率参数法的仿真结果与传统均衡模型的精度相当。
实验结果2：基于Murphree效率变化值的CO2吸收率
该实验中，Murpree效率是不同的，贫溶剂的流速保持在1.09L/min。在填料吸收塔的控制器中选择成分法来实现Murpree效率的变化仿真结果。本发明比较乙酸乙酯(ETAC)蒸馏系统中Murpree效率为1到0.7之间的仿真结果，研究较低的Murpree效率如何适应吸收阶段之间发生的热力学变化。同时，Murpree效率将液体和气体成分设定为平衡状态，特别是在汽相和液相均不满足热力学平衡的某些条件下。图7为Murpree效率在0.1和0.3之间变化时，基于平衡法的CO2吸收率。结果表明，Murpree效率为0.15时，最接近实际实验数据。
实验结果3：基于阶段数变化的CO2摩尔分数曲线
Murpree效率设置为常数值0.15，通过增加阶段数数值，提高CO2的吸收性能。图8为逆流吸收过程中相应的CO2摩尔分数曲线。结果表明，当阶段数为2时，平衡法和速率参数法的仿真结果存在巨大偏差；随着填料吸收塔阶数的增加，当阶数为4时，两种方法的CO2摩尔分数曲线之间的偏差逐渐减小收敛。结果表明，Murpree效率对提高基于平衡法的仿真精度起着至关重要的作用。
实验结果4：基于阶段数变化的平衡法与速率参数法CO2去除率
图9为使用平衡法和速率参数法CO2去除率比较结果，平衡法包括引入和不引入Murpree效率两种仿真结果。图9表明：(1)在10bar大气压条件下模拟平衡法，不引入Murpree效率，仿真结果显示随着阶段数的增加CO2吸收性能没有显著变化；(2)平衡法引入0.15的Murphree效率，CO2吸收率随着阶数的增加呈上升趋势；(3)基于速率参数法的仿真模型，在误差小于0.07％的条件下，不同阶数的仿真结果收敛性能较好；(4)速率参数法的精确度较高，因为该方法要求对扩散系数、界面面积和传质系数进行可靠的预测。
实验结果5：流量控制方法
初始化PID控制器参数如下：整定值增益(KC)为12，积分时间(τI)为20分钟，导数时间(τD)为0。图10为贫溶剂液流量(过程变量PV)在设定值随机变化条件下的性能曲线。实线表示过程变量，虚线表示控制量输出。结果表明，基于流量控制方法的PID控制器通过控制量设置，能够有效地使过程变量达到新的设定值，同时使贫溶液流量的超调量最小。

Claims (2)

1.一种基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：稳态建模与分析；对CO2吸收过程进行稳态分析和验证，稳态分析包括平衡法和速率参数法；
步骤1-1：基于Murphree效率的平衡法建模；假定每个阶段的气体和液体温度相等；基于汽相摩尔分数的Murpree效率定义公式为：
式中，n为状态数，y为出气阶段的气体中二氧化碳的摩尔分数，yn为出气阶段二氧化碳与液体平衡的摩尔分数；
步骤1-2：速率参数法建模；该模型描述传质、传热和化学反应的有限速率，给定分压下CO2的总浓度，同时获得包含分子和离子的液相形态；基于速率的模型分析实际托盘或实际填料塔内发生的质量变化和传热现象；其中，双膜为气体层和液体层，A物质表示气体，B物质表示液体，传质方向为气体到液体；PA为气体压强，双膜边界处压强比例减小为PAi；CA为气体热能，CB为液体热能，两者均平衡为常数，且CB值逐渐增大；
步骤1-3：热力学和化学平衡公式建立；在液相形态中发生的化学反应包含分子和离子两种物质，通过以下化学平衡反应式描述：
步骤1-4：稳态模型建立；稳态建模中，同时引入平衡法和速率参数法；为了模拟稳态条件，遵循以下假设：
1)逆向气流包含充分混合的蒸汽和液体；2)溶剂的蒸发可以忽略不计；3)释放到周围的热量非常小；4)各相之间的热质传递遵循双膜理论；
选择液膜非理想性校正方法，有效界面面积因子保持为1；稳态模型中：1)阀门1控制贫溶剂MEA的流量，分析模块控制溶剂浓度；2)CO2和CH4分别通过阀门2和阀门3进入气体混合器形成酸性气体，并利用分析模块获得两种气体含量；3)混合气体和贫溶液进入填料吸收塔处理后，分为两路进行过滤，非酸性气体通过阀门5被储气罐回收，富溶剂通过阀门6被存储槽回收；
步骤2：动态模型建立；通过改变工作条件和设计控制规则来修正稳态模型；采用流量驱动模拟方式；当稳态模拟得到完整信息，并完成压力检查后，激活动态模拟环境；在稳态模型的基础上，引入可编程中断控制器和线性集成电路；PIC-2控制过滤器1和阀门5，LIC控制过滤器2和阀门6，完成处理后气体的中断回收和富溶剂的动态回收；
步骤3：控制方法设计；将流量控制器引入动态模型中，使贫溶剂的流量、非酸性气流中CO2的含量、吸收装置中的液位和压力等控制变量保持在设定值；采用比例积分微分控制器，根据不同的增益KC、积分τI和微分τD值进行调整，并观察控制器的校正作用；用导数项描述曲线的陡度和特定时间点的信号轨迹变化率，误差值e(t)为设定值与过程变量PV之间的差值，计算公式如下：
e(t)＝|SP-PV| (7)
PIC-2控制MEA和阀门1，阀门1根据流量控制器发送的信号控制进入填料吸收塔的贫溶剂液量；控制器反向作用，当贫溶剂负载的流量增加时，阀门1接收信号，减少流量，并将过程变量收敛至设定值；根据不同KC值设计流量控制策略，引入随机扰动；设置积分值τI为20分钟的常数，微分值τD为0，控制器符合比例积分PI算法。
2.一种如权利要求1所述的基于高压天然气处理装置的CO2吸收动态模型与控制方法的CO2吸收方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)初始阶段，CO2、CH4和N2在气体加热器中加热；
2)CO2、CH4和N2三种气体在静态混合器中混合，利用压缩机输送到填料塔底；流量计控制混合气体中各种气体的含量，并通过回压调节器来保持所需的压力水平；酸性混合气体仅含有CO2和CH4，并以1:1的比例进行混合、控制和检测；
3)贫溶剂是浓度为10％-20％的单乙醇胺水溶液MEA，存储槽回收处理后的富溶剂；
4)混合气体在填料塔中，利用贫溶剂的化学吸收从酸性气体中去除CO2，贫溶剂在25℃-30℃和大约10-11bar的压力下进入随机填料吸收塔和结构填料吸收塔；
5)贫溶剂通过高压泵输送至塔顶，吸收CO2之后形成富溶剂，流回存储槽；逆流机理发生在填料塔中，汽相和液相接触发生在薄膜交界处；
6)气体分析模块对进入吸收塔和排出吸收塔的气体成分进行分析，为控制方法提供实验数据。
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