天然氣處理廠丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能改造

解永剛 張昆 魏超 毛先榮 徐龍 王娜

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第二采氣廠

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司榆林天然氣處理廠（以下簡(jiǎn)稱榆林天然氣處理廠）脫水脫烴采用丙烷循環(huán)制冷工藝[1－3]，設(shè)計(jì)日處理天然氣600×104m3，制冷溫度控制在－18～－12℃，丙烷制冷系統(tǒng)滑閥開度長(zhǎng)期在10%～40%的較低狀態(tài)運(yùn)行，約占了全年運(yùn)行時(shí)間的90%。丙烷制冷系統(tǒng)的核心—丙烷壓縮機(jī)負(fù)荷嚴(yán)重不足，電機(jī)功率在45%～60%運(yùn)行，空載能耗較大，僅2011年全年丙烷制冷系統(tǒng)用電量就達(dá)365.355 8×104kW·h，迫切需要節(jié)能改造以降低能耗、提高運(yùn)行效率[4－10]。

1 工藝及運(yùn)行參數(shù)

1.1 工藝簡(jiǎn)介

丙烷壓縮循環(huán)制冷單元主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)式空冷器、滿液蒸發(fā)器等組成，主要為工藝裝置區(qū)提供冷量，降低天然氣溫度，能夠把原料天然氣冷卻至－25℃甚至更低，以實(shí)現(xiàn)天然氣低溫分離脫油脫水目的（圖1）。

圖1 丙烷壓縮制冷循環(huán)圖

其循環(huán)過(guò)程如下：壓縮機(jī)把由丙烷蒸發(fā)器蒸發(fā)而來(lái)的丙烷蒸汽壓縮（壓縮后丙烷蒸汽壓力為1.3MPa、溫度為70℃），壓縮后的丙烷蒸汽進(jìn)入油分離器，將攜帶的潤(rùn)滑油分離后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器，經(jīng)風(fēng)冷或水冷冷卻，丙烷蒸汽轉(zhuǎn)化為丙烷液體（溫度為20℃）流至蒸發(fā)式冷凝器下方的熱虹吸貯罐，再流向丙烷系統(tǒng)貯罐（壓力為1.3MPa，溫度為23℃），丙烷液體經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)器流向滿液蒸發(fā)器底部，其壓力在滿液蒸發(fā)器入口處節(jié)流后迅速降低，溫度降至－35℃左右。低溫丙烷液體與高溫天然氣換熱后成為低壓丙烷蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，開始下一次循環(huán)。

1.2 運(yùn)行參數(shù)

丙烷壓縮循環(huán)制冷單元有壓縮機(jī)2臺(tái)，一用一備，其功率為900kW，制冷量為1 681kW，轉(zhuǎn)速為2 950 r／min。

丙烷制冷系統(tǒng)于2006年3月投產(chǎn)，投產(chǎn)時(shí)按照設(shè)計(jì)，控制滿液蒸發(fā)器出口天然氣溫度為－25～－23℃，結(jié)合 GB 17820—1999《天然氣技術(shù)指標(biāo)》，2006年5月提溫至－18～－12℃運(yùn)行，天然氣處理系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 天然氣處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)表

2 運(yùn)行現(xiàn)狀及能耗分析

2.1 運(yùn)行情況

壓縮機(jī)是通過(guò)滑閥位置的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的，滑閥的開度可直接反應(yīng)丙烷蒸汽的通過(guò)量。

在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，丙烷壓縮機(jī)進(jìn)口滑閥開度為10%～40%，經(jīng)濟(jì)器由于負(fù)荷過(guò)輕沒有投運(yùn)。丙烷電機(jī)功率為900kW，運(yùn)行功率為400～520kW，電機(jī)運(yùn)行效率為45%～60%，空載能耗大。圖2為2011年12月丙烷壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行效率和滑閥開度統(tǒng)計(jì)情況。

圖2 2011年12月丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況圖

由圖2可以知，壓縮機(jī)的滑閥開度值遠(yuǎn)低于電機(jī)運(yùn)行效率值。由于選取的電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，而制冷所需丙烷量一定，使得壓縮機(jī)滑閥開度一直偏低，整個(gè)丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行處在“大馬拉小車”的狀態(tài)下，系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率非常低。

2.2 能耗分析

丙烷制冷系統(tǒng)屬高耗能設(shè)備，自投運(yùn)以來(lái)一直為電量主要消耗源，天然氣處理廠能耗結(jié)構(gòu)如表2所示。

由表2可以看出，2011年12月丙烷壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)占整個(gè)榆林天然氣處理廠電耗的62%，耗電量巨大。如若采用可行的方法對(duì)丙烷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將非常可觀，并有良好的推廣價(jià)值。

表2 2011年12月榆林處理廠耗電結(jié)構(gòu)表

3 節(jié)能改造的可行性分析

結(jié)合運(yùn)行中存在的問題，通過(guò)調(diào)研，確定更換現(xiàn)有的電機(jī)，選擇功率和轉(zhuǎn)速較低電機(jī)的方式來(lái)降低能耗。

3.1 節(jié)能原理

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的效率：

式中P為電動(dòng)機(jī)軸輸出功率，kW；P0為電源輸入的有效功率，為電動(dòng)機(jī)電源輸入的線電壓；I為電動(dòng)機(jī)電源輸入的線電流；COSφ為電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。

在電機(jī)輸出功率一定的情況下，要提高電機(jī)的負(fù)載率，只有降低電機(jī)的額定功率，即電機(jī)的輸入功率，電機(jī)輸入功率大幅降低，負(fù)荷的大幅提高，使系統(tǒng)更加節(jié)能。電機(jī)的輸入功率與其轉(zhuǎn)速的3次方成正比，通過(guò)降低轉(zhuǎn)速提高負(fù)載的節(jié)能效果非?？捎^。

榆林天然氣處理廠丙烷壓縮機(jī)負(fù)載基本在10%～40%，要想電機(jī)高效運(yùn)行，最佳的運(yùn)行負(fù)荷要求超過(guò)75%。

3.2 丙烷壓縮機(jī)制冷量核算

利用HYSYS軟件模擬計(jì)算出不同氣質(zhì)、不同制冷溫度下制冷功率。

1）選取天然氣壓力為4.6MPa，流量為600×104m3／d，滿液蒸發(fā)器制冷溫降為6℃，出口天然氣溫度為－18℃，模擬可得制冷量為800kW。

2）選取天然氣壓力為4.6MPa，流量為700×104m3／d，滿液蒸發(fā)器制冷溫降為6℃，出口天然氣溫度為－18℃，模擬可得制冷量為932kW。

3）選取天然氣壓力為4.6MPa，流量為600×104m3／d，滿液蒸發(fā)器制冷溫降為7℃，出口天然氣溫度為－18℃，模擬可得制冷量為936kW。

4）選取天然氣壓力為4.6MPa，流量為700×104m3／d，滿液蒸發(fā)器制冷溫降為7℃，出口天然氣溫度為－18℃，模擬得出制冷量為1 091kW。

根據(jù)榆林南區(qū)生產(chǎn)狀況，天然氣流量為700×104m3／d，原料氣最高溫度為15℃，制冷溫降為7℃，天然氣分離溫度為－18℃時(shí)，計(jì)算制冷量為1 091kW，以此作為改造節(jié)能方案制定的主要依據(jù)。表3為不同氣量、不同制冷溫降制冷量核算表。

表3 不同氣量、不同制冷溫降制冷量核算表

3.3 可行性分析

根據(jù)上述分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速變低，壓縮機(jī)因?yàn)轳R達(dá)轉(zhuǎn)速的改變，此時(shí)滑閥位置會(huì)變大，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和滑閥阻力之間就會(huì)更協(xié)調(diào)，因此，通過(guò)降低轉(zhuǎn)速提高電機(jī)負(fù)載率節(jié)能是可行的[11－20]。

根據(jù)計(jì)算出的1 091kW制冷量要求，選擇額定功率為500kW、轉(zhuǎn)速為1 485r／min電機(jī)，利用專用軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

通過(guò)專用選型軟件計(jì)算，丙烷蒸發(fā)溫度一般在－22～－20℃，天然氣的制冷溫度為－18℃，機(jī)組的額定制冷量為1 182kW，滿足天然氣處理系統(tǒng)所需最大制冷量1 091kW 要求。根據(jù)計(jì)算出的1 091kW制冷量要求，選擇額定功率為500kW、轉(zhuǎn)速為1 485 r／min電機(jī)。

改造前后電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3所示，由圖3可知改造前、后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩均能夠滿足負(fù)載的轉(zhuǎn)矩要求。

圖3 電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線圖

4 節(jié)能改造效果評(píng)價(jià)

4.1 改造前后機(jī)組效率性能對(duì)比

更換低轉(zhuǎn)速電機(jī)后，額定最大制冷量由原先的1 681kW降為1 182kW。圖4為改造前、后壓縮機(jī)性能曲線。

圖4 丙烷制冷系統(tǒng)的性能曲線圖

制冷效率（COP）是制冷系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量和輸入功率的比值，在相同的工況下，比值越大說(shuō)明制冷系統(tǒng)的效率越高，越節(jié)能。根據(jù)丙烷壓縮機(jī)性能考核計(jì)算專用軟件 Coolware（version 7.11），核算出不同轉(zhuǎn)速的機(jī)組在各種負(fù)荷下的制冷效率，如表4所示，轉(zhuǎn)速降低后，COP值增大，改造后機(jī)組平均效率提升35%～40%。

4.2 改造后機(jī)組運(yùn)行情況分析

節(jié)能改造后，考核系統(tǒng)運(yùn)行情況的指標(biāo)，一方面是工藝運(yùn)行參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)需要及氣質(zhì)要求，另一方面是丙烷電機(jī)與壓縮機(jī)是否匹配、運(yùn)行效率是否提高。

4.2.1 工藝運(yùn)行情況

節(jié)能改造后，工藝運(yùn)行情況如表5、6所示。

由表5、6可以看出，改造后，滿液蒸發(fā)器出口溫度控制在－14～－12℃，天然氣水露點(diǎn)值控制在－14～－10℃，參數(shù)完全滿足工藝運(yùn)行要求。

表4 不同轉(zhuǎn)速電機(jī)功率及COP計(jì)算表

表5 2011年12月丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表

表6 2012年1月外輸露點(diǎn)值統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 機(jī)組運(yùn)行效率

圖5 2012年1—2月丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況圖

節(jié)能改造后，機(jī)組運(yùn)行情況如圖5所示。由圖5可以看出，節(jié)能改造后，電機(jī)運(yùn)行功率明顯下降。2012年1—2月電機(jī)運(yùn)行效率為65%～80%，滑閥開度為45%～65%，滑閥開度值與電機(jī)運(yùn)行效率值相互匹配。整個(gè)丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行較改造前更加協(xié)調(diào)，丙烷系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率明顯提高。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

4.3.1 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

改造后的丙烷電機(jī)于2011年12月26日投運(yùn)，與歷年同期耗電情況進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)節(jié)能效果如表7、8所示。

表7 2011年上半年丙烷系統(tǒng)耗電量分析表

表8 2012年上半年丙烷系統(tǒng)耗電量分析表

以2011年上半年運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，共消耗電量2 058 620kW·h，萬(wàn)立方米氣耗電量18.921kW·h。

以2012年上半年運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，共消耗電量861 384kW·h，萬(wàn)立方米氣平均耗電量8.520 8kW·h。較2011年同期萬(wàn)立方米氣耗電量下降9.987 7 kW·h。半年共節(jié)約電量100×104kW·h，節(jié)約費(fèi)用75.8萬(wàn)元。

4.3.2 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

根據(jù)天然氣負(fù)荷穩(wěn)定的數(shù)據(jù)模擬分析得出：更換電機(jī)后負(fù)載率提升到0.80～0.95，減少了電機(jī)“大馬拉小車”的損失，發(fā)揮了電機(jī)最大效率。壓縮機(jī)滑閥開度從原來(lái)的10%～40%自動(dòng)提高到70%～95%，螺桿壓縮機(jī)的工作效率得到提高。

2012年上半年，丙烷制冷系統(tǒng)用電量為861 384 kW·h，處理天然氣量為10×108m3，按照年天然氣處理氣量為19×108m3計(jì)算，以該段時(shí)期內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)效益，節(jié)約費(fèi)用145萬(wàn)元。

5 結(jié)論及建議

1）榆林天然氣處理廠原900kW丙烷壓縮機(jī)電機(jī)選型過(guò)大，載荷不足、能耗嚴(yán)重，從經(jīng)濟(jì)角度考慮需重新選型。

2）通過(guò)丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能改造，COP值增大，壓縮機(jī)平均效率提升35%～40%，工藝參數(shù)運(yùn)行滿足要求，系統(tǒng)運(yùn)行更加協(xié)調(diào)，效率明顯提高。

3）穩(wěn)定負(fù)荷狀態(tài)下，由于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，其運(yùn)行噪聲明顯降低，工作環(huán)境明顯改善。

4）由于電機(jī)啟動(dòng)條件改善，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，軸承振動(dòng)、磨損減小，保養(yǎng)間隔將適當(dāng)延長(zhǎng)。

5）丙烷壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行下，在夏季高溫環(huán)境中的運(yùn)行還需要進(jìn)一步的分析評(píng)價(jià)。

6）通過(guò)模擬核算，當(dāng)換熱器效率低于68%時(shí)，丙烷循環(huán)制冷量無(wú)法滿足要求，應(yīng)更換新?lián)Q熱器。

7）在夏季運(yùn)行過(guò)程中，為確保丙烷電機(jī)的正常運(yùn)行，如若蒸發(fā)式冷凝器冷卻效果不佳，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行清洗，有效去除表面污垢，提高冷卻效果。

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