分布式深冷分離能量系統(tǒng)的用能分析方法研究

王志國(guó)，張 雷，項(xiàng)新耀，李東明

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

NGL(Natural Gas Liquid)，即天然氣凝液，是通過(guò)一定的工藝流程從天然氣中回收烴類混合物的總稱，主要含有乙烷、丙烷及更重的烴類。目前我國(guó)油田，回收油田伴生氣NGL的裝置大部分冷凝溫度低于－60℃，因此普遍采用膨脹制冷的深冷分離工藝。膨脹制冷回收NGL的主要原理是使處理預(yù)冷后的高壓天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)做近似絕熱的等熵膨脹，在對(duì)外輸出膨脹功的同時(shí)，產(chǎn)生很大的焓降與溫降，從而獲得大量冷量，使C2以上烴類冷凝，再經(jīng)低溫分餾，使其與甲烷等輕組分分離，生產(chǎn)出液烴產(chǎn)品[1]。

NGL深冷分離裝置系統(tǒng)復(fù)雜，多種物流、能流及多類設(shè)備由相關(guān)的工藝環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，是由供能、用能及余熱回收三部分組成的綜合能量利用系統(tǒng)。結(jié)合裝置的工藝流程特點(diǎn)，建立系統(tǒng)用能分析模型，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的用能狀況、找出系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出用能改進(jìn)建議，是改進(jìn)裝置用能水平的關(guān)鍵。

1 “三箱”分析方法簡(jiǎn)介

利用“黑箱”、 “灰箱”和“白箱”三種基本分析模型 (簡(jiǎn)稱“三箱”模型)，可以使復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的測(cè)試工作量減少，又能滿足分析需要[5，6]。

1.1 黑箱分析模型

將分析對(duì)象 (系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)備)視為由“不透明”的邊界所包圍的體系，通過(guò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算輸入、圖輸出體系的物流或能流的值，進(jìn)而獲得體系的供給、有效及損失，即為黑箱分析。

式中:Exl=Exlr+Exlf

即:

黑箱分析模型適用于系統(tǒng)、子系統(tǒng)或設(shè)備的評(píng)價(jià)分析。

1.2 灰箱分析模型

將分析對(duì)象 (系統(tǒng)、子系統(tǒng))視為由“半透明”的邊界所包圍的體系，對(duì)象內(nèi)的子系統(tǒng)或設(shè)備視為黒箱，黑箱之間以主流流連結(jié)起來(lái)，由此構(gòu)成灰箱分析模型。

式中:Exli=Exlri+Exlfi

同樣:

灰箱分析模型適用于系統(tǒng)或子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分析。

1.3 白箱分析模型

有:

2 NGL 裝置分析模型

2.1 裝置組成及特點(diǎn)

圖1為大慶油田典型NGL裝置工藝流程簡(jiǎn)圖。該裝置采用雙級(jí)膨脹不帶輔助冷劑的制冷工藝。原料氣為壓力在1.3～1.5×105Pa，溫度在－5～20℃之間的油田氣，產(chǎn)品為乙烷含量高于85%的液烴，副產(chǎn)品為干氣，作燃料用。裝置的主要耗能設(shè)備有:壓縮機(jī)，其動(dòng)力由燃?xì)廨啓C(jī)及膨脹機(jī)供給;干燥器，再生用熱取自煙氣余熱;換冷器，冷量由脫甲烷塔輸出的貧氣及膨脹制冷機(jī)供給;空冷器，動(dòng)力為輸入電能。這些耗能設(shè)備中，除空冷器外，其余設(shè)備的能量均直接或間接來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的燃料能。燃料能一部分通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)、膨脹機(jī)、余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為動(dòng)力用能;另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣に囉媚?，整個(gè)系統(tǒng)是由動(dòng)力、工藝兩級(jí)多次用能組成的能量梯級(jí)利用系統(tǒng)。

圖1 NGL裝置工藝流程圖Fig.1 The sketch of NGL technology flow

2.2 NGL裝置分析模型

為便于分析裝置的用能狀況，根據(jù)工藝流程及用能特點(diǎn)，將裝置分為6個(gè)用能子系統(tǒng)。即干氣外輸及燃料氣壓縮子系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)—余熱鍋爐子系統(tǒng)，壓縮機(jī)組子系統(tǒng)，透平膨脹機(jī)組子系統(tǒng)，干燥器組子系統(tǒng)，換冷—脫甲烷塔子系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 NGL測(cè)試分析模型Fig.2 The test analysis model for NGL

在圖2中，A為燃?xì)廨啓C(jī)子系統(tǒng)，B為余熱鍋爐子系統(tǒng)，C為壓縮子系統(tǒng)，D為膨脹增壓子系統(tǒng)，E為換冷—脫甲烷塔子系統(tǒng)，F(xiàn)為干燥子系統(tǒng)。1～26為計(jì)算過(guò)程需要的物流點(diǎn)。

對(duì)于由系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)，用能分析過(guò)程如圖3所示。在圖3中，S表示灰箱模型，B表示黑箱模型，W表示白箱模型。

圖3 NGL裝置分析過(guò)程Fig.3 The analysis process for NGL

具體分析過(guò)程如下:

(1)建立裝置 (系統(tǒng))的灰箱用能分析模型，對(duì)裝置進(jìn)行計(jì)算分析，以評(píng)價(jià)裝置 (系統(tǒng))的整體用能水平，判別用能不合理的子系統(tǒng);

(2)根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的不同能耗狀況，分別建立灰箱模型 (S)或黑箱模型 (B)，分析其用能情況，原則上對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采用灰箱分析，對(duì)一般環(huán)節(jié)采用黑箱分析;

(3)進(jìn)行灰箱分析的子系統(tǒng)所包括設(shè)備視用能水平的差異分別進(jìn)行白箱 (W)和黑箱 (B)分析。對(duì)其中用能較差的設(shè)備進(jìn)行白箱分析，其余設(shè)備或設(shè)備群 (組)進(jìn)行黑箱分析。據(jù)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出用能薄弱部位。

NGL裝置采用的分析模型，如見(jiàn)表1所示。

表1 NGL系統(tǒng)分析模型Tab.1 The analysis model for system and subsystem

3 應(yīng)用實(shí)例

利用前述分析方法，對(duì)圖1所示的NGL裝置進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析計(jì)算，并據(jù)此提出了一些改進(jìn)建議，并予以實(shí)施。實(shí)測(cè)分析表明，技改措施達(dá)到了預(yù)定設(shè)想。

3.1 改造前診斷測(cè)試

表2 改造前測(cè)試物料平衡表Tab.2 The materiel balance in first test

3.2 結(jié)果分析

(2)裝置的負(fù)荷率為85.9%，主要耗能設(shè)備的負(fù)荷率為51.0%～72.0%之間，均偏低。其中余熱鍋爐最低，為51.0%。這是導(dǎo)致裝置效率未達(dá)到最佳值的主要原因。

表3 改造前測(cè)試系統(tǒng)及子系統(tǒng)測(cè)算結(jié)果Tab.3 The computed results of system and subsystem in first test

表4 改造前主要設(shè)備測(cè)算結(jié)果Tab.4 The computed results of equipments in first test

3.3 改進(jìn)建議

(1)應(yīng)盡量使余熱鍋爐處于滿負(fù)荷運(yùn)行。余熱鍋爐出力設(shè)計(jì)值為10 t/h，實(shí)際運(yùn)行出力僅為5.1 t/h。

(2)合理調(diào)整操作參數(shù)。如低壓膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速比設(shè)計(jì)值低6 000 r/min，致使壓縮機(jī)出口達(dá)不到額定壓力，預(yù)冷溫度高出21℃，輕烴收率偏低。

3.4 改進(jìn)后分析測(cè)試

根據(jù)前述建議，大慶油田對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析的NGL裝置進(jìn)行了改造。裝置穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，再次對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試分析。

改造后測(cè)試物料平衡見(jiàn)表5。

表5 改造后測(cè)試物料平衡表Tab.5 The materiel balance in second test

表6 改造后測(cè)試系統(tǒng)及子系統(tǒng)測(cè)算結(jié)果Tab.6 The computed result of system and subsystem in second test

表7 改造后主要設(shè)備測(cè)算結(jié)果Tab.7 The computed results of equipments in second test

改造后測(cè)試時(shí)，透平壓縮機(jī) (C0102)未調(diào)整到最佳工況，因而液烴收率有所減低，效率有所下降。如使之調(diào)整到較好工況，裝置效率還可進(jìn)一步提高，輕烴單耗還可降低。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)雙級(jí)膨脹式NGL深冷分離系統(tǒng)特點(diǎn)，建立了系統(tǒng)—單元—設(shè)備的分析模型。

(2)利用前述模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大慶油田實(shí)際運(yùn)行的NGL裝置進(jìn)行了計(jì)算，分析了系統(tǒng)的用能特點(diǎn)。

(3)根據(jù)測(cè)算結(jié)果提出了改進(jìn)建議，并進(jìn)行了工程實(shí)施，取得了較好的節(jié)能效果。

(4)雙級(jí)膨脹式NGL裝置因采用了燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)，余熱供生產(chǎn)工藝?yán)?，有效地?shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。與電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的NGL裝置相比，效率可提高8%以上。

[1]富嘉文，陳澤輝，李陽(yáng)初．油田氣深冷分離裝置膨脹機(jī)模擬計(jì)算模型的研究[J]．華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1987，11(4):52－62．

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[4]張娜，劉蔚蔚，蔡睿賢．利用 LNG冷與工業(yè)余熱的閉式Brayton循環(huán)熱力分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(7):173－177．

[5]項(xiàng)新耀，李東明．生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的能量平衡與平衡測(cè)試[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，1999，10(4):363－365．

[7]王志國(guó)，馬一太．“三箱”— “三環(huán)節(jié)”組合用能分析方法研究[J]．石油煉制與化工，2003，34(5):49－52．

[8]顧安忠，石玉美．天然氣液化流程及裝置[J]．深冷技術(shù)，2003，31(1):1－6．