天然氣凈化裝置低負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能措施探討

王世建 冉文付 陳奉華

（中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠長(zhǎng)壽分廠）

隨著國(guó)內(nèi)外低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能在化工生產(chǎn)中越來(lái)越受到重視。目前，隨著川東地區(qū)天然氣產(chǎn)量的逐年降低，天然氣凈化裝置的運(yùn)行負(fù)荷也逐漸降低，運(yùn)行負(fù)荷率在50%～80%左右。天然氣凈化裝置在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其總能耗也會(huì)相應(yīng)下降，但其運(yùn)行單耗卻會(huì)相對(duì)增加。所以探討在裝置低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，如何提高設(shè)備用能的利用率是很有意義的。本文以日處理量為400×104m3的某天然氣凈化廠為例，從裝置實(shí)際操作調(diào)整方面和技術(shù)改造方面進(jìn)行節(jié)能措施探討。

1 天然氣凈化裝置主要工藝流程及主要耗能點(diǎn)

天然氣凈化裝置主要包括原料氣預(yù)處理、脫硫、脫水、硫磺回收、硫磺成型、蒸汽凝結(jié)水、空氮、污水處理、循環(huán)水處理、新鮮水處理、放空裝置等多個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的能耗隨著裝置負(fù)荷的變化均有各自的特點(diǎn)。其中脫硫、脫水和CPS硫磺回收裝置工藝流程如圖1所示。

在現(xiàn)階段，主流的脫硫方法都是以MDEA及其配方溶液為主的化學(xué)法脫硫。在MDEA脫硫溶劑中，H2S、CO2與溶劑的反應(yīng)為以下方式［1］：

在天然氣脫硫過(guò)程中的能耗點(diǎn)主要有：

（1）在高溫低壓下進(jìn)行脫硫溶劑的再生，H2S從MDEA溶劑中解析反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，熱量由重沸器的蒸汽提供；

（2）要保證整個(gè)脫硫過(guò)程的連續(xù)，在脫硫溶劑循環(huán)時(shí)，需要對(duì)其加壓，其加壓設(shè)備是溶液循環(huán)泵（離心泵），此過(guò)程需要消耗大量的電能；

（3）從再生塔出來(lái)的貧液與從閃蒸塔出來(lái)的富液進(jìn)行熱交換，貧富液換熱器效率的高低將影響到裝置的能量回收利用水平。

在脫水過(guò)程中由于三甘醇循環(huán)量小，所需要的電能及貧富液間的熱交換的量都不大，主要的能耗在于三甘醇再生提濃時(shí)，燃料氣的消耗。此部分節(jié)能要點(diǎn)主要是保證燃料氣的完全燃燒和合理使用汽提氣。

硫回收裝置的能耗點(diǎn)主要有：一是為酸氣燃燒、尾氣灼燒提供所需空氣的風(fēng)機(jī)所耗電能；二是液硫保溫、過(guò)程氣管線伴熱所需的蒸汽；三是余熱鍋爐上水泵和硫冷器上水泵所耗電能。

鍋爐單元是利用燃料氣燃燒產(chǎn)生蒸汽，其主要耗能有以下兩方面：一是燃料氣的消耗；二是保證鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐上水泵及風(fēng)機(jī)所耗的電能。

循環(huán)水單元主要為脫硫單元貧液冷卻器、酸氣水冷器、凝結(jié)水冷卻器和脫水單元套管換熱器、空壓機(jī)等提供循環(huán)冷卻水，主要耗能為電能。

空氣系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、放空系統(tǒng)、污水處理單元、新鮮水處理單元等輔助單元的能耗主要是電能，在一般情況下都較為穩(wěn)定。

2 能耗現(xiàn)狀及單耗上升原因分析

某廠設(shè)計(jì)處理能力為400×104m3／d，但近期由于該地區(qū)天然氣產(chǎn)量急劇下降，目前實(shí)際處理量?jī)H為230×104m3／d左右，是設(shè)計(jì)處理量的57.5%，低于設(shè)計(jì)值的60%，已經(jīng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。低負(fù)荷運(yùn)行不但會(huì)使裝置的單耗增高，也為裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)較大困難。將該廠2008～2012年能耗情況進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所列。

表1 天然氣凈化廠2008～2012年能耗對(duì)比Table 1 Comparison of energy consumption in the NG purification plant from2008 to 2012

從表1可以看出，該廠從2008年到2012年，原料氣處理量逐年下降，但是電單耗（處理1×104m3原料天然氣需耗的電量）和氣單耗（處理1×104m3原料天然氣需耗的氣量）逐年增加。2011年、2012年與2010年相比，生產(chǎn)耗電、耗氣總量有所增加，與硫磺回收裝置工藝變化有關(guān)系，但2008年到2010年，2011年到2012年，電、氣總耗降低，單耗反而增加。

為了更清楚的對(duì)比不同原料氣處理量條件下，各單元主要能耗點(diǎn)耗能情況，選取2011年2月27日8：00和2012年2月27日8：00的瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如表2所列。

表2 天然氣凈化廠主要能耗點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of major energy consumption points in the plant

通過(guò)表2可以看出，主要耗能點(diǎn)的耗能下降率均低于處理量下降率，對(duì)造成此現(xiàn)象的原因進(jìn)行了以下分析。

2.1 對(duì)處理量降低時(shí)，電單耗增加的原因分析

（1）處理量降低時(shí)，脫硫單元溶液循環(huán)量將減少，耗能較大的溶液循環(huán)泵負(fù)荷也會(huì)減少，但是由于裝置設(shè)計(jì)溶液循環(huán)量有一個(gè)最低值，在正常運(yùn)行時(shí)不能低于該值。另外，循環(huán)泵按照滿(mǎn)負(fù)荷選型的，根據(jù)泵的特性曲線，在低流量運(yùn)行時(shí)泵效率較低，所以耗能不會(huì)與循環(huán)量成正比例下降。這是電單耗升高的一個(gè)原因。

（2）脫水單元能耗由于循環(huán)量不大，所以單項(xiàng)耗電量變化對(duì)總電能消耗影響不大。

（3）天然氣處理量降低，在氣質(zhì)波動(dòng)不大的情況下，脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的酸氣量會(huì)相應(yīng)降低，在回收裝置進(jìn)行硫回收時(shí)所需配風(fēng)量也會(huì)相應(yīng)降低。為保證主燃燒爐風(fēng)機(jī)和灼燒爐風(fēng)機(jī)（均為離心風(fēng)機(jī)）不發(fā)生喘振，風(fēng)機(jī)入口閥至少應(yīng)保持約30%的開(kāi)度運(yùn)行，風(fēng)機(jī)出口多余風(fēng)量通過(guò)放空管線排放。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)放空閥開(kāi)度達(dá)60%左右。當(dāng)提高原料氣處理量時(shí)，酸氣量增加，配風(fēng)量增加，風(fēng)機(jī)關(guān)小，放空閥增加供風(fēng)量，直至放空閥關(guān)為0前，電流不會(huì)發(fā)生變化。所以，在處理負(fù)荷降低時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)總電耗基本不變。

（4）其余單元在裝置處理量發(fā)生變化時(shí)，電能消耗基本不變。

綜上原因，在處理量降低一定比例時(shí)，總電耗降低比例小于處理量降低比例，所以導(dǎo)致了電單耗增加。

2.2 對(duì)處理量降低時(shí)，氣單耗增加的原因分析

（1）脫水單元明火加熱爐和汽提氣是一個(gè)耗氣點(diǎn)，在裝置負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，該處耗氣量變化不大。

（2）硫磺回收裝置尾氣灼燒爐耗氣在酸氣負(fù)荷降低時(shí)，耗氣量也會(huì)降低，但是該耗氣量占總耗氣量比例較小，對(duì)總耗氣量影響不大。裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果酸氣濃度較低，為保證主燃燒爐平穩(wěn)運(yùn)行，必要時(shí)還需要加入燃料氣助燃，該處會(huì)增加燃料氣用量。

（3）鍋爐是燃料氣消耗大戶(hù)，所產(chǎn)生的蒸汽約80%～90%用于脫硫單元重沸器加熱脫硫富液，其余用于硫磺回收和成型裝置保溫。用于保溫的蒸汽不隨處理量的變化而變化。凈化裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，脫硫溶液循環(huán)量降低，雖然再生塔重沸器蒸汽需求量減小。但是，硫磺回收裝置酸氣負(fù)荷降低時(shí)，余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽量也會(huì)相應(yīng)減少，為蒸汽系統(tǒng)提供的蒸汽量相應(yīng)減少。鍋爐系統(tǒng)所用的燃料氣量減少量有限。

所以，綜上原因，在處理量降低時(shí)，氣單耗會(huì)增加。

3 低負(fù)荷運(yùn)行狀況下節(jié)能措施探討

根據(jù)以上現(xiàn)狀，討論在裝置低負(fù)荷運(yùn)行情況下，盡量降低電單耗和氣單耗，從實(shí)際操作調(diào)整方面和技術(shù)改造方面尋找合理節(jié)能措施。

3.1 實(shí)際操作調(diào)整

（1）根據(jù)原料氣氣質(zhì)變化，調(diào)整脫硫單元貧液入塔層數(shù)和循環(huán)量。

以該廠為例，原料氣中H2S質(zhì)量濃度在5g／m3以上，CO2質(zhì)量濃度在35g／m3以上，當(dāng)CT8－5脫硫溶劑從脫硫吸收塔的8層塔盤(pán)入塔時(shí)，所需要的循環(huán)量要提高到40m3／h左右才能保證產(chǎn)品氣合格。但此時(shí)再生出的酸氣量達(dá)到滿(mǎn)量程1 678m3／h以上，而酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)下降到30%左右，硫磺回收裝置操作困難。根據(jù)這種現(xiàn)狀，可以減少溶液在每層塔盤(pán)上的高度，同時(shí)保證原料氣在溶液中的停留時(shí)間。在正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)裝置上主要作了以下調(diào)整：提高溶液入塔高度，溶液循環(huán)量降至30 m3／h，酸氣量降至1 400m3／h左右，酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)提高到37%左右，回收裝置操作更加方便、平穩(wěn)。

在整個(gè)調(diào)整過(guò)程中的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

一是直接的節(jié)能：調(diào)整了溶液的循環(huán)量，從40 m3／h至30m3／h，減少了電機(jī)的輸出功率，電機(jī)電流從176A降為169A；減少了CT8－5溶劑再生所耗蒸汽量，從5 000kg／h降至4 000kg／h左右；

二是間接的節(jié)能：由于對(duì)裝置的優(yōu)化操作，降低了CT8－5溶劑的循環(huán)量，就相應(yīng)降低了所需冷卻的循環(huán)水量；降低了酸氣總量，降低了冷卻酸氣所需要的循環(huán)水冷卻水量，即減少了循環(huán)水電機(jī)的輸出功率，同時(shí)還相應(yīng)降低了回收裝置尾氣灼燒爐所需要的燃料氣量。

（2）對(duì)于循環(huán)水裝置的操作，一是根據(jù)裝置循環(huán)冷卻水用量，減少循環(huán)水泵的使用臺(tái)數(shù)；二是根據(jù)季節(jié)的變化，只要出水溫度達(dá)到要求就及時(shí)停用涼水塔空冷風(fēng)機(jī)。此部分節(jié)約的電能也相當(dāng)可觀。

（3）根據(jù)污水量的大小，在保證正常生產(chǎn)前提下，對(duì)污水處理單元作業(yè)時(shí)間采取間歇式運(yùn)行，達(dá)到節(jié)約用電目的。

（4）鍋爐是提供天然氣凈化廠所需熱源的主要方式，也是能耗大戶(hù)，其節(jié)能潛力是不容忽視的。在實(shí)際運(yùn)行中，定期檢測(cè)煙氣中的氧氣和剩余可燃?xì)怏w含量，及時(shí)調(diào)整燃燒器的配風(fēng)，提高鍋爐熱效率。另外，通過(guò)定時(shí)檢測(cè)鍋爐外表面的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)超標(biāo)，及時(shí)更換或修復(fù)鍋爐外表的保溫材料，減少散熱損失［5］；根據(jù)蒸汽消耗量和蒸汽壓力變化，及時(shí)調(diào)整鍋爐負(fù)荷，以達(dá)到減少燃料氣使用量的目的。

（5）減少裝置的跑、冒、滴、漏，也是節(jié)約能源的措施之一，同時(shí)也能使裝置在良好的狀態(tài)下運(yùn)行。減少或杜絕蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏，確保凝結(jié)水回收率始終處于一個(gè)較高的水平。

3.2 技術(shù)改造

（1）脫硫裝置在低負(fù)荷工況下，由于溶液循環(huán)量減少，循環(huán)泵的出口閥門(mén)長(zhǎng)期處于較小的開(kāi)度，溶液循環(huán)泵出口壓力較高，泵效率較低。根據(jù)多級(jí)離心泵的特性曲線圖分析，在滿(mǎn)足現(xiàn)有工況條件下，減少一級(jí)離心泵的葉輪，減小壓頭，可以減小該泵的功率［2］。所以，建議將溶液循環(huán)泵（離心泵）末級(jí)葉輪拆除，用一個(gè)加工的軸套替代原有葉輪，改造后降低了相同工況下所需電流，節(jié)約了能源。以該廠為例，該泵改造前后耗電量對(duì)比如表3所示。

表3 離心泵改造前后耗電量對(duì)比Table 3 Electricity consumption comparison of centrifugal pump before and after modification

由表3可以看出，離心泵在摘取末級(jí)葉輪后，仍然滿(mǎn)足生產(chǎn)需要的壓力，但是每天節(jié)約了262kWh的耗電，說(shuō)明該改造是成功的，節(jié)能效果是明顯的。

（2）直流法硫磺回收裝置加設(shè)酸氣分流管線，保證低負(fù)荷狀態(tài)下，硫磺回收裝置平穩(wěn)運(yùn)行，并達(dá)到節(jié)能效果［3］。

在低負(fù)荷工況下，脫硫系統(tǒng)原料氣氣速降低，氣體在脫硫塔內(nèi)停留時(shí)間加長(zhǎng)，脫硫溶液的CO2共吸率增大，導(dǎo)致酸氣中H2S濃度降低。特別是在原料氣氣質(zhì)的波動(dòng)時(shí)，就很容易造成主燃燒爐溫度降低甚至熄火。若按照常規(guī)操作，加入燃料氣以維持爐溫，不僅不節(jié)能，還很容易造成反應(yīng)器中殘?zhí)康姆e累，對(duì)克勞斯反應(yīng)催化劑造成不良影響，使硫磺回收率降低，尾氣硫含量升高，帶來(lái)環(huán)境的污染。加設(shè)酸氣分流管線后，使預(yù)熱后的酸氣分一部分直接與熱段過(guò)程氣混合后進(jìn)入常規(guī)克勞斯反應(yīng)器。當(dāng)酸氣中H2S濃度降低，主燃燒爐溫度持續(xù)下降時(shí)，通過(guò)適當(dāng)增大分流管線酸氣流量來(lái)提高爐溫，同時(shí)根據(jù)2.1節(jié)的在線分析儀數(shù)據(jù)調(diào)整配風(fēng)量，防止氧過(guò)剩，造成過(guò)氧腐蝕。若是溫度仍然沒(méi)有達(dá)到操作參數(shù)規(guī)定，再適當(dāng)加入燃料氣提高主燃燒爐溫度。這樣，不但確保了回收效果、增大了回收裝置的操作彈性，也更加節(jié)能環(huán)保。

（3）合理利用硫磺回收裝置風(fēng)機(jī)過(guò)?？諝?。因?yàn)檠b置低負(fù)荷運(yùn)行，主燃燒爐風(fēng)機(jī)與尾氣灼燒爐風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量過(guò)剩，但因風(fēng)機(jī)喘振流量的限制，不能過(guò)多降低進(jìn)風(fēng)量，因此導(dǎo)致風(fēng)機(jī)放空量太大。為避免能源的浪費(fèi)，可以將尾氣灼燒爐放空空氣用于低位罐區(qū)的吹掃，以減少工廠風(fēng)的用量，也可以將放空空氣引至污水處理裝置用于曝氣，從而合理利用過(guò)剩配風(fēng)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（4）回收低溫克勞斯硫磺回收工藝中低低壓蒸汽能量，形成閉環(huán)上水，減少上水泵能量消耗。

大多數(shù)低溫克勞斯硫磺回收工藝設(shè)計(jì)中，低溫克勞斯硫冷器產(chǎn)生的蒸汽壓力為0.1MPa，由于該蒸汽壓力過(guò)低，所以未加以利用，通過(guò)蒸汽空冷器冷卻為凝結(jié)水（常壓），通過(guò)泵提升至壓力回水箱，加熱后，通過(guò)泵加壓后給硫冷器上水。其流程圖如圖2所示。

通過(guò)分析建議，如果將低溫克勞斯硫冷器產(chǎn)生的低低壓蒸汽冷凝成水后，直接通過(guò)重力作用（將空冷器設(shè)置在高于低溫克勞斯硫冷器10.2m左右）給低溫克勞斯硫冷器上水，形成一個(gè)閉環(huán)，那么圖2中圓圈內(nèi)的設(shè)備就可以取消，節(jié)約了兩臺(tái)泵的電能和壓力回水箱提供加熱所需的能量［4］。其流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣凈化裝置低負(fù)荷工況給裝置安全生產(chǎn)和節(jié)能目標(biāo)帶來(lái)一定的壓力，應(yīng)積極面對(duì)，在目前已經(jīng)進(jìn)行操作調(diào)整方法和技術(shù)改造的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索新的、更有效的操作方式和技術(shù)改造，保證裝置在各種工況下安全生產(chǎn)，節(jié)能生產(chǎn)。

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