一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法及系统与流程

1.本发明属于变压吸附脱氮工艺控制技术领域，具体涉及一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法及系统。


背景技术：

2.天然气作为优质的燃料和重要的化工原料，其应用越来越引起人们的重视，加快天然气工业的发展已经成为当今世界的趋势。但是，很多油气田中生产的天然气中往往含有大量的氮气，高含氮天然气发热量低、集输过程中能耗大，其不能直接作为燃料。因此，天然气脱氮是充分利用天然气的重要条件。当前应用于工业的天然气脱氮工艺包括：深冷、溶剂吸收、变压吸附和选择性吸附。其中，变压吸附脱氮工艺具有处理温度为常温、压力不高，设备简单，启动快，生产周期短等优点，具有较好的应用前景。
3.目前的天然气的变压吸附法脱氮工艺是利用天然气气体组分在吸附材料上吸附特性的差异，通过周期性的压力变化过程实现不同组分的气体的分离与净化。在该工艺中通常采用的吸附剂为分子筛，例如：沸石分子筛。采用分子筛作为吸附剂具有吸附容量大、吸附选择性强的优势。分子筛的脱氮原理为：在常温及较高压力条件下，可把天然气中甲烷等碳氢化合物中吸附在分子筛上，没有被吸附的氮气等气体进入下一个工段；吸附甲烷等碳氢化合物以后的吸附剂通过降压抽真空把甲烷等碳氢化合物解吸，使吸附剂再生。再生后的吸附剂重新去吸附天然气中甲烷等碳氢化合物，以此循环往复。生产过程中可以采用四个相同的吸附塔在一台计算机的控制下，通过调节阀切换不断改变气流的流向改变各塔的工作阶段，来实现各塔的吸附与再生交替进行。变压吸附法脱氮工艺的每个吸附塔必须经过升压吸附、降压解吸再生、再次升压的过程。四个塔中两两步骤相互错开(即一个塔吸附过程时另一个与之配套的塔解吸)，组成一个吸附-解吸循环。因此，需要两个配套的吸附塔同时切换升压和降压开关，但是在实际的生产过程中两个配套的吸附塔的吸附过程往往不是同步的，如果切换一对吸附塔的时间设置的不合适，有可能会造成延长生产周期或者使得吸附过程不充分，造成对于原料气利用不充分形成浪费。
4.经过检索，现有技术中已有关于变压吸附气体分离的相关报道。例如中国专利cn101721879a(变压吸附气体分离装置的控制方法)公开了一种变压吸附气体分离装置的控制方法，是通过以下步骤实现的：打开截止阀，工艺纯度管路输送样气到气体纯度分析仪；分析仪分析出纯度并转换成电信号，通过数据线传输到信号采集模块；信号采集模块把分析仪的信号转换成plc能够识别的数据，并传送到plc；plc根据纯度信号然后通过程序来控制变压吸附气体分离装置的吸附周期和运行；该发明的有益效果是：充分的利用了吸附剂，降低了运行能耗和生产成本，并使产品气纯度稳定，保证了产品气质量，实现负荷适应节能功能。
5.中国专利cn202893152u(智能变压吸附装置)公开了一种智能变压吸附装置。原料气通过吸附装置纯化后进入产品缓冲罐，一小部分产品气进入分析仪器，控制器根据分析仪器的检测数据选择合适的运行模式使吸附装置始终处于最佳的运行状态。该实用新型的
控制模式包括强力模式、标准模式、节能模式和超节能模式。通过变化运行模式来平衡产品气的供求与能耗之间的矛盾，使其达到最佳点。
6.文献(高含氮天然气冷油吸收工艺处理研究，西南石油大学硕士学位论文 2019.5，第3-4页)公开了一种使用碳分子筛(cms)作为吸附剂的psa装置来浓缩煤层气中的甲烷。后来这种方法用于nitrotec工艺。20世纪90年代，德克萨斯州新建三个气体处理，该处理厂采用nitrotec工艺，利用cms将含氮天然气中的氮气与烃类分离开，装置在0.2-0.4mpa的最佳压力下运行。物流经过cms 床层，烃类被吸附在床层上，氮气则被排出。通过真空解吸的方法回收烃组分 (回收约95％)经增压至管输压力后外输。
7.但上述现有技术存在如下的缺点：1)切换一对吸附塔的进气\升压\降压阀门的时间设置不合理，造成延长生产周期或者使得吸附过程不充分；2)原料气利用不充分形成浪费。


技术实现要素：

8.本发明为克服现有技术的上述不足，本发明的其中一个目的在于提供一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法，该控制方法能够实现对于一组吸附塔的升压、降压阀门的切换时间进行科学的设置，既提高生产效率，又可以提高原料气的利用率。
9.本发明的另一个发明目的在于提供一种天然气变压吸附脱氮系统。
10.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法，该方法包括：
12.a)确定吸收塔的进气时间：采集其中一个吸附塔内的气压值，将该采集到的气压值与预设值进行比较，根据比较结果，确定吸收塔的进气时间；
13.b)确定前半周期吸附和解吸时间：根据发生吸附过程的吸收塔的升压阀开启时间或者发生解吸过程的吸收塔的降压阀的开启时间与所述升压阀在特定周期内流量变化首次小于第一阈值时的时间差确定前半周期吸附时间；根据发生吸附过程的吸收塔的升压阀开启时间或者发生解吸过程的吸收塔的降压阀的开启时间与所述降压阀在特定周期内流量变化首次小于第二阈值时的时间差确定前半周期解吸时间；
14.c)确定前半周期切换时间：根据步骤b)确定的前半周期吸附与解吸时间判断吸附与解吸过程是否同步，并根据是否同步的判断结果进一步确定前半周期切换时间；
15.d)确定后半周期吸附和解吸时间：根据发生解吸过程的吸收塔的降压阀开启时间或者发生吸附过程的吸收塔的升压阀的开启时间与所述降压阀在特定周期内流量变化首次小于第三阈值时的时间差确定后半周期解吸时间；根据发生吸附过程的吸收塔的升压阀开启时间或者发生解吸过程的吸收塔的降压阀的开启时间与所述升压阀在特定周期内流量变化首次小于第四阈值时的时间差确定后半周期吸附时间；
16.e)确定后半周期切换时间：根据步骤d)确定的后半周期吸附与解吸时间判断吸附与解吸过程是否同步，并根据是否同步的判断结果进一步确定后半周期切换时间；
17.f)运行监测反馈阶段：根据吸附塔的升压阀、降压阀的流量监控吸附塔运行稳定性，并根据监控结果对吸附塔的运行作出反馈。
18.本发明中所述第一至第四阈值是用来判断某个阀门在特定周期内的流量变化情况的，取值通常设定在0-5％，其含义为某个阀门在特定长度的时间段内，流量变化范围为
0-5％，设定第一至四阈值用来检测阀门流量是否达到稳定，阀门流量稳定表示吸收或者解吸过程结束。
19.优选地，步骤a)确定吸收塔的进气时间包括如下操作：
20.开启吸附塔中其中一对配套设置的能够形成吸附-解吸循环的吸附塔中第一吸附塔的进气阀门，同时通过数据采集模块采集所述第一吸附塔内部的气压，当气压达到预设值时，表示充气准备已经完成，关闭进气阀门；记录从开启进气阀门到关闭进气阀门的时间，该时间即为吸收塔的进气时间。
21.优选地，b)确定前半周期吸附和解吸时间包括如下操作：
22.在特定周期δt内，实时检测第一吸附塔的升压阀和第二吸附塔降压阀配套的流量计的流量数据；
23.当第一吸附塔的升压阀在特定周期内的流量变化量小于第一阈值时，则表示第一吸附塔的吸附过程过程已经接近饱和；而当第二吸附塔的降压阀在特定周期内的流量变化量小于第二阈值时，则表示第二吸附塔的解吸过程过程已经接近饱和，计算机设备根据第一吸附塔的升压阀、第二吸附塔的降压阀开启阀门的时间，第一吸附塔的升压阀在特定周期内的流量变化量首次小于第一阈值的时间以及第二吸附塔的降压阀在特定周期内的流量变化量首次小于第二阈值的时间，计算第一吸附塔的升压阀、第二吸附塔的降压阀开启阀门的时间与升压阀在特定周期内的流量变化量首次小于第一阈值的时间之间的时间差t1，以及第一吸附塔的升压阀、第二吸附塔的降压阀开启阀门的时间与升压阀在特定周期内的流量变化量首次小于第二阈值的时间之间的时间差t2，时间差t1和t2 分别表示第一吸附塔、第二吸附塔完成前半周期吸附和解吸的时间。
24.优选地，c)确定前半周期切换时间，具体包括如下操作：
25.判断前半周期吸附和解吸过程时间是否同步：计算机设备进一步判断时间 |t1-t2|是否小于等于0.1
×
min{t1，t2}，如果判断结果为是，则说明第一吸附塔中吸附和第二吸附塔中解吸过程时间基本同步，并将后续吸附-解吸循环中，第一吸附塔的升压阀和第二吸附塔的降压阀从开启到关闭的前半周期切换时间设置为min{t1，t2}；
26.如果判断结果为否，则说明第一塔中吸附和第二吸附塔中解吸过程不同步，则需要将第一吸附塔的升压阀和第二吸附塔的降压阀从开启到关闭的前半周期切换时间ts1设置为(t1+t2)/2，并从下一个吸附-解吸周期的进气阶段，对过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量进行补偿，将过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量减去该补偿值，随后，在max{t1，t2}的时刻关闭第一吸附塔的升压阀和第二吸附塔的降压阀，即在确定吸附和解吸时间的这一个参数确定周期的前半个周期中，第一吸附塔的升压阀和第二吸附塔的降压阀的切换时间为max{t1，t2}。
27.优选地，所述补偿值为|t1-t2|
×
α/t0，其中α为吸收塔的吸收系数(l/s)，该系数在设备设计时即确定，可以通过查找设备手册获得，t0为第一吸收塔的进气时间。
28.优选地，e)确定后半周期切换时间，包括如下步骤：
29.判断后半周期吸附和解吸过程时间是否同步，具体的：
30.计算机设备判断|t’1-t’2|是否小于0.1
×
min{t’1，t’2}，如果判断结果为是则说明第一吸附塔中解吸和第二吸附塔中吸附过程时间基本同步，并将后续吸附
-ꢀ
解吸循环中，第一吸附塔的降压阀和第二吸附塔的升压阀从开启到关闭的后半周期切换时间ts2也
设置为min{t’1，t’2}。
31.如果判断结果为否，则说明第一吸附塔的解吸和第二吸附塔的吸附过程不同步，在此情况下需要参考|t1-t2|的情况：如果|t’1-t’2|≥{t’1,t’2}且|t1
-ꢀ
t2|《0.1
×
min{t1，t2}，则需要将第一吸附塔的降压阀和第二吸附塔的升压阀从开启到关闭的前半周期切换时间设置为(t’1+t’2)/2，并从下一个吸附-解吸周期的进气阶段，对过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量进行补偿，将过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量减去该补偿值，如果|t’1-t’2|≥{t’1，t’2} 且|t1-t2|≥0.1
×
min{t1，t2}，由于两条管线双向都存在超时反应的问题，因此由于循环管路的连通反馈的问题，仅仅通过阀门流量的补偿难以真正解决上述超时反应的问题。因此，需要延长阀门切换的时间，来使得原料气体充分利用。第一吸附塔的降压阀和第二吸附塔的升压阀从开启到关闭的后半周期切换时间 ts2设置为max{t’1，t’2}。
32.优选地，所述补偿值为|t’1-t’2|
×
α/t0，其中α为吸收塔的吸收系数(l/s)，该系数在设备设计时即确定，可以通过查找设备手册获得，t0为吸收塔的进气时间。
33.优选地，步骤f)监控反馈包括如下操作：将吸附塔的进气阀、升压阀和降压阀的流量与设定的阈值进行比较，如果降压阀、升压阀流量计的检测数值超过阈值，则从下一个吸附-解吸循环周期开始返回步骤b)重新确定设备前后半个周期的吸附和解吸时间，并确定切换时间。
34.优选地，所述降压阀的阈值是检测数据累计平均值的20％，升压阀的阈值是检测数据累计平均值的120％。
35.本发明还提供了一种天然气变压吸附脱氮系统，其包括吸附脱氮模块、数据采集模块和计算机设备，所述数据采集模块用于采集吸附脱氮模块产生的流量数据，并将采集到的流量数据实时传送给计算机设备；
36.所述吸附脱氮模块用于变压吸附脱氮，任一吸附脱氮模块包括至少两对吸附塔和解吸塔，每一吸附塔和解析塔进出气口均设有流量计和阀门，所述阀门内设有执行器，所述执行器用于接收计算机设备信号对阀门的开启、关闭或者旋转进行调整；
37.所述流量计，用于测量从该阀门流过的气体流量。
38.与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：
39.本发明提供的一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法，能够实现对于一组吸附塔的升压、降压阀门的切换时间进行科学的设置，既提高的生产效率，又提高了原料气的利用率。
附图说明
40.图1为本发明提供的一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法的流程图。
41.图2为本发明提供的一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法配套的系统结构图。
具体实施方式
42.下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方
法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
43.实施例1
44.一种天然气变压吸附脱氮工艺计算机控制方法，如图1-2所示，该方法包括：
45.a)确定吸收塔的进气时间，具体为：开启设备并试运行，待设备稳定后，开启一对配套设置的能够形成吸附-解吸循环的吸附塔(例如：t1、t2构成的组，也可以是t3，t4构成的组，下文中按照t1，t2组为示例进一步说明)中第一吸附塔t1的进气阀门v11，同时通过数据采集模块采集第一吸附塔内部的气压p1。当上述气压p1达到预设值时，表示充气准备已经完成，关闭进气阀门。从开启进气阀门到关闭进气阀门的时间记录为t0，并将上述t0设定为所有吸收塔的统一进气时间。
46.b)确定前半周期吸附和解吸时间，具体为：在第一个正式的吸附-解吸周期中，同时开启上述第一吸附塔t1的升压阀v12，并开启第二吸附塔t2的降压阀v23，此时吸附塔t1内部为吸附过程，而第二吸附塔t2内部为解吸过程， t1吸附，t2解吸是吸附-解吸周期的前半个周期。通过数据采集模块采集上述升压阀v12和降压阀v23配套的流量计的流量实时数据。计算机设备记录第一吸附塔t1的升压阀v12，以及开启第二吸附塔t2的降压阀v23同时开启的时间。
47.确定第一吸附塔t1的升压阀v12和第二吸附塔t2的降压阀v23从开启到关闭的前半周期切换时间ts1，具体为：以特定周期δt内，实时检测升压阀 v12和降压阀v23配套的流量计的流量数据。其中，升压阀v12和降压阀v23 在特定周期内的流量变化量δf12或δf23，δf12＝(f12t-f12(t-δt))/f12(t
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δt)、δf23＝(f23t-f23(t-δt))/f23(t-δt)，其中，δf12、δf23表示特定周期δt内的升压阀v12、降压阀v23的流量变化量；f12t、f23t表示t时刻的升压阀v12、降压阀v23的流量；f12t-δt、f23t-δt表示t-δt时刻的升压阀v12、降压阀v23的流量。
48.当升压阀v12在特定周期内的流量变化量δf12小于第一阈值时，则表示第一吸附塔t1的吸附过程过程已经接近饱和(即上述过程完成)；而当降压阀 v23在特定周期内的流量变化量δf23小于第二阈值时，则表示第二吸附塔t2 的解吸过程过程已经接近饱和(即上述过程完成)。计算机设备根据v12， v23开启阀门的时间、δf12首次小于第一阈值的时间以及δf23首次小于第二阈值的时间，计算v12，v23开启阀门的时间与δf12首次小于第一阈值的时间之间的时间差t1，以及v12，v23开启阀门的时间与δf23首次小于第二阈值的时间之间的时间差t2。时间差t1和t2分别表示第一吸附塔t1、第二吸附塔t2完成吸附和解吸的实际时间。本发明中，第一阈值、第二阈值是用来判断某个阀门在特定周期内的流量变化情况的，取值通常设定在0-5％，其含义为某个阀门在特定长度的时间段内，流量变化范围为0-5％，设定第一阈值、第二阈值用来检测阀门流量是否达到稳定，阀门流量稳定表示吸收或者解吸过程结束。下述步骤中第三阈值、第四阈值数值选取及作用同第一、第二阈值。
49.c)判断前半周期吸附和解吸过程时间是否同步，具体的：
50.计算机设备进一步判断时间|t1-t2|是否小于等于0.1
×
min{t1，t2}，如果判断结果为是，则说明t1吸附和t2解吸过程时间基本同步，并将后续吸附-解吸循环中，第一吸附塔t1的升压阀v12和第二吸附塔t2的降压阀v23从开启到关闭的前半周期切换时间ts1设置为min{t1，t2}。
51.如果判断结果为否，则说明t1吸附和t2解吸过程不同步，则需要将第一吸附塔t1的升压阀v12和第二吸附塔t2的降压阀v23从开启到关闭的前半周期切换时间ts1设置为(t1+t2)/2，并从下一个吸附-解吸周期的进气阶段，对过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量进行补偿，将过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量减去该补偿值，补偿值为|t1-t2|
×
α/t0，其中α为吸收塔的吸收系数(l/s)，该系数在设备设计时即确定，可以通过查找设备手册获得， t0为吸收塔的进气时间。
52.随后，在max{t1，t2}的时刻关闭第一吸附塔t1的升压阀v12和第二吸附塔t2的降压阀v23，即在确定吸附和解吸时间的这一个参数确定周期的前半个周期中，第一吸附塔t1的升压阀v12和第二吸附塔t2的降压阀v23的切换时间为max{t1，t2}。
53.d)确定第一吸附塔t1的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22从开启到关闭的后半周期切换时间ts2，具体为：通过数据采集模块采集上述降压阀 13和升压阀v22配套的流量计的流量变化。特定周期δt内的降压阀v13和升压阀v22配套的流量计的流量变化量δf13、δf22，其中δf13＝(f13t-f13(t
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δt))/f13(t-δt)、δf22＝(f22t-f22(t-δt))/f22(t-δt)，其中，δ f13、δf22表示特定周期δt内的降压阀v13、升压阀v22的流量变化量； f13t、f22t表示t时刻的降压阀v13、升压阀v22的流量；f13t-δt、f22t-δt表示t-δt时刻的降压阀v13、升压阀v22的流量。
54.当降压阀v13在特定周期内的流量变化量δf13小于第三阈值时，则表示第一吸附塔t1的解吸过程过程已经接近饱和(即上述过程完成)；而当降压阀 v22在特定周期内的流量变化量δf22小于第四阈值时，则表示第二吸附塔t2 的吸附过程过程已经接近饱和(即上述过程完成)。计算机设备根据降压阀 v13、升压阀v22开启阀门的时间、δf113首次小于第三阈值的时间以及δf22 首次小于第四阈值的时间，计算v13，v22开启阀门的时间与δf13首次小于第一阈值的时间之间的时间差t’1，以及v13，v22开启阀门的时间与δf22首次小于第四阈值的时间之间的时间差t
‘
2。时间差t’1和t’2分别表示第一吸附塔 t1、第二吸附塔t2完成解析和吸附的实际时间。
55.判断后半周期吸附和解吸过程时间是否同步，具体的：
56.计算机设备进一步判断|t’1-t’2|是否小于0.1
×
min{t’1，t’2}，如果判断结果为是则说明t1解吸和t2吸附过程时间基本同步，并将后续吸附-解吸循环中，第一吸附塔t1的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22从开启到关闭的后半周期切换时间ts2也设置为min{t’1，t’2}。
57.如果判断结果为否，则说明t1解吸和t2吸附过程不同步，在此情况下需要参考|t1-t2|的情况。
58.如果|t’1-t’2|≥{t’1，t’2}且|t1-t2|《0.1
×
min{t1，t2},则需要将第一吸附塔t1的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22从开启到关闭的前半周期切换时间 ts2设置为(t’1+t’2)/2，并从下一个吸附-解吸周期的进气阶段，对过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量进行补偿，将过程时间较长的一侧吸附塔的进气阀门流量减去该补偿值，补偿值为|t’1-t’2|
×
α/t0，其中α为吸收塔的吸收系数 (l/s)，该系数在设备设计时即确定，可以通过查找设备手册获得，t0为吸收塔的进气时间。
59.如果|t’1-t’2|≥{t’1，t’2}且|t1-t2|≥0.1
×
min{t1，t2},由于两条管线双向都存在超时反应的问题，因此由于循环管路的连通反馈的问题，仅仅通过阀门流量的补偿难
以真正解决上述超时反应的问题。因此，需要延长阀门切换的时间，来使得原料气体充分利用。第一吸附塔t1的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22从开启到关闭的后半周期切换时间ts2设置为max{t’1，t’2}。
60.确定第一吸附塔t1的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22从开启到关闭的后半周期切换时间ts2后，按照max{t’1，t’2}的时间关闭第一吸附塔t1 的降压阀v13和第二吸附塔t2的升压阀v22，结束参数确定阶段。
61.f)运行检测反馈阶段，按照上述步骤中确定的ts1，ts2和流量补偿确定的时间参数来关闭和开启进气阀、增压阀和降压阀，并通过降压阀、升压阀流量计监控吸附塔过程是否稳定，如果降压阀、升压阀流量计的检测数值超过阈值，该阈值时本领域技术人员根据工艺需要可以设定的，也可以是检测数据累计平均值的20％以下或120％以上，则从下一个吸附-解吸循环周期开始返回重新确定设备前后半个周期的吸附和解吸时间，并确定切换时间。
62.最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。