萬州天然氣凈化廠硫磺回收單元蒸汽與凝結水節(jié)能優(yōu)化措施①

廖 鐵 蘇夢瑤 李法璋 范 秦

（1.中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠萬州分廠）

（2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

當前，能源供應緊張已經(jīng)成為經(jīng)濟社會發(fā)展的重要制約因素。統(tǒng)計顯示，目前我國大規(guī)模工業(yè)企業(yè)的用能量占了全社會能源消耗的70%左右。蒸汽作為一種熱能載體被廣泛應用于工業(yè)領域中，由于蒸汽的使用壓力大于大氣壓力，所以凝結水具有的熱量可達蒸汽總熱量的20%～30%。

重慶天然氣凈化總廠萬州分廠設計規(guī)模為200×104m3／d，主要處理云安廠、高峰場氣田中的高含硫原料氣。工廠設計每處理1×104m3含H2S 2.12%～4.23%（y）的原料天然氣耗能8 502.68 MJ，相當于標煤209.1kg，天然氣236.6m3［1］。

通過能耗數(shù)據(jù)分析，表明硫磺回收單元的蒸汽和凝結水有較大的節(jié)能潛力，本文就已實施的改造措施進行了總結。

1 蒸汽凝結水構成及能耗介紹

工廠蒸汽系統(tǒng)由廢熱鍋爐、蒸汽鍋爐和硫磺冷凝冷卻器分別產(chǎn)生的3.3MPa、0.45MPa和0.1 MPa三個壓力等級的飽和蒸汽組成。蒸汽凝結水設計見表1，萬州凈化廠能耗分析見表2。0.45MPa的飽和蒸汽主要用于重沸器加熱溶液以及系統(tǒng)保溫，3.3MPa的中壓蒸汽通過蒸汽引射器將約41%（w）的0.1MPa低壓蒸汽升壓至0.45MPa循環(huán)利用，剩下59%（w）的0.1MPa蒸汽通過空冷器冷卻回收至鍋爐凝結水系統(tǒng)。

表1 蒸汽凝結水設計平衡表Table 1 Balance of steam ＆condensate water

表2 萬州天然氣凈化廠能耗分析表Table 2 Energy consumption analysis of Wanzhou Natural Gas Purification Plant

從表2中可以看出，蒸汽鍋爐燃料氣耗量占全裝置燃料氣耗量比例最大，約為60%（w）左右；蒸汽凝結水系統(tǒng)和涼水塔水耗量占全裝置水耗量比例較大，分別為約30%（w）和45%（w）。

蒸汽鍋爐消耗燃料氣的目的是為了生產(chǎn)裝置所需的0.45MPa低壓蒸汽。此外，硫磺回收單元的硫磺冷凝冷卻器還能自產(chǎn)約3t／h的0.1MPa低壓蒸汽，若不直接利用該壓力等級的蒸汽，而是通過蒸汽冷凝器冷凝成水，再用泵輸送至凝結水系統(tǒng)，會較梯級利用更為浪費能源（電、天然氣）。因此設計上考慮了蒸汽引射器，但投產(chǎn)以來蒸汽引射器一直未能正常投用。

2 設計上采用的節(jié)能措施

（1）根據(jù)尾氣灼燒爐出口尾氣量大、溫度高、可回收熱量大的實際情況，將該熱量回收作為硫磺回收單元反應器的再生熱源。

（2）根據(jù)全廠蒸汽量的平衡，中壓、低壓蒸汽通過蒸汽引射器以實現(xiàn)梯級利用。

（3）考慮到裝置原料氣含H2S較高，脫硫溶液循環(huán)量較大，故再生所需要的蒸汽量也較大的因素，重沸器的蒸汽流量和再生塔頂溫度采用了串級調節(jié)控制方式。

（4）脫硫、脫水裝置貧／富液換熱器均采用換熱效率高的板式換熱器，大大提高了熱量回收率，減少循環(huán)冷卻水用量和富液再生蒸汽消耗量。

（5）盡可能回收蒸汽凝結水，并采用凝結水回收器進行回收，提高凝結水回收壓力，減少凝結水二次蒸發(fā)損失，提高了回收率。同時，提高了鍋爐給水溫度，減少了鍋爐的燃料氣消耗，增加了硫磺回收裝置的蒸汽產(chǎn)量。由于凝結水壓力較高，鍋爐給水泵的電耗相應有所減少。

（6）硫磺冷凝冷卻器利用過程氣冷卻所釋放的熱量產(chǎn)生蒸汽。

（7）選用效率高的鍋爐，熱效率達到90%以上。

（8）采用高效絕熱材料，完善保溫結構，減少了設備、管道的散熱損失［2］。

3 優(yōu)化措施［2－4］

3.1 硫磺回收單元凝結水罐排空蒸汽回收

3.1.1 優(yōu)化潛力分析

硫磺回收單元凝結水罐設計壓力為0.68MPa，采取開式回收方式，二次閃蒸蒸汽從頂部排空，造成了大量的熱量散失。此外，在凝結水罐溫度較低時，罐外空氣可能進入凝結水罐甚至溶于凝結水，造成氧腐蝕。凝結水返回至鍋爐房后，沒有經(jīng)除氧直接進入鍋爐房凝結水罐，導致凝結水溶解氧增加甚至超標，從而對整個凝結水系統(tǒng)造成氧腐蝕。

為了防止氧腐蝕同時對二次閃蒸蒸汽進行回收，可將凝結水罐頂部排汽管線接入至蒸汽冷卻風機的進口管線上，回收蒸汽并對其再次進行冷卻。同時在該設備的溢流管線上加設閥門，隔絕O2，避免其進入凝結水罐。

另外，為了防止凝結水罐形成負壓或差壓，還應增加補充蒸汽管線和放空管線，通過調節(jié)閥和壓力變送器實現(xiàn)凝結水罐的壓力控制。為防止凝結水罐超壓，還在放空管線上安裝了安全閥，具體改造如圖1、圖2所示。

3.1.2 優(yōu)化效果

硫磺回收單元凝結水罐排空蒸汽回收優(yōu)化后，凝結水罐的氧腐蝕現(xiàn)象得到了有效控制，其凝結水溶解氧含量趨勢如圖3所示。

3.2 凝結水循環(huán)利用優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化潛力分析

硫磺回收單元設計了蒸汽空冷器，其作用是對蒸汽引射器引射后剩余的0.1MPa低壓蒸氣進行冷凝，凝結水通過泵往返于鍋爐房凝結水罐與硫磺回收單元，以實現(xiàn)循環(huán)利用。若空冷器與硫磺冷凝冷卻器的高度差足夠，理論上凝結水可以實現(xiàn)在兩者之間的循環(huán)流動，減少電能的耗量。具體核算如下：

式中：p為壓力，MPa；H為高度，m；L為長度，m。

經(jīng)過核算，裝置現(xiàn)有條件可以滿足改造需要。

3.2.2 優(yōu)化效果

現(xiàn)場試驗具體流程如圖4、圖5所示。在蒸汽引射器正常運行的情況下，關閉從蒸汽空冷器至凝結水罐的閥門。

凝結水循環(huán)利用優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出：在試驗初期，低壓蒸汽壓力有緩慢增加的趨勢，壓力調節(jié)閥PV－1472B快速打開。壓力平衡后，低壓蒸汽壓力恢復到控制值0.1MPa，壓力調節(jié)閥PV－1472B的閥位值也逐漸下降，平穩(wěn)后恢復到密閉回收前的正常值。

實施密閉回收后，硫磺冷凝器上水泵流量明顯下降，說明空冷器冷凝的凝結水有效補充進入了Claus硫磺冷凝冷卻器。

表3 凝結水循環(huán)利用優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)Table 3 Optimization test data of condensation water recycling

3.3 凝結水分壓回收

3.3.1 優(yōu)化潛力分析

進入硫磺回收單元凝結水罐的凝結水有兩個來源，一是硫磺冷凝冷卻器產(chǎn)生的0.1MPa低壓蒸汽凝結水，二是硫磺回收單元部分0.45MPa保溫伴熱蒸汽疏水產(chǎn)生的凝結水，兩者均通過泵返回到鍋爐房。但在整個凝結水系統(tǒng)設計上，絕大部分0.45 MPa蒸汽的凝結水均是利用與鍋爐房凝結水罐的壓差壓回的，因此上述部分0.45MPa凝結水應同樣能通過壓差直接返回系統(tǒng)，但0.1MPa的凝結水因與凝結水系統(tǒng)壓力（0.1MPa）相近，必須通過泵返回。

經(jīng)現(xiàn)場測量，0.1MPa的凝結水到硫磺回收單元凝結水罐的距離為10m，高度差為3.5m（圖6所示）。經(jīng)式（3）、（4）計算，該壓力的凝結水能返回到硫磺回收單元的凝結水罐。

式中：p為壓力，MPa；H為高度，m；L為長度，m。

因此，將壓力為0.45MPa的凝結水改為接入凝結水總管，而壓力為0.1MPa的凝結水則通過泵返回，這樣能減小凝結水泵的負荷。

3.3.2 優(yōu)化效果

凝結水實現(xiàn)分壓回收后，其返回體積流量由5～6m3／h降低至目前的1～2m3／h，有效降低了泵的負荷。

3.4 蒸汽引射器重新選型

3.4.1 節(jié)能潛力分析

萬州天然氣凈化廠建成投產(chǎn)以來，蒸汽引射器一直不能正常使用，甚至一度出現(xiàn)中壓蒸汽竄至低壓蒸汽系統(tǒng)的情況。但蒸汽引射器作為一項非常成熟的技術，是一種沒有運轉部件也不需要額外能量輸入的熱力壓縮機。它以高壓蒸汽節(jié)流減壓前后的能量差為動力，提高副產(chǎn)蒸汽壓力后再供生產(chǎn)使用，其基本原理是高壓蒸汽在噴嘴內(nèi)，由于流通界面逐漸變小，蒸汽流速逐漸增加，蒸汽的壓力勢能逐漸轉化為動能，壓力逐漸降低。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原有引射器不能滿足現(xiàn)有工況。首先，裝置自開產(chǎn)以來，原料氣中H2S摩爾分數(shù)逐漸增加至2.73%～5.46%，酸氣量偏高，因此硫磺冷凝冷卻器產(chǎn)生的0.1MPa低壓蒸汽量較大。其次，中壓蒸汽雖然設計運行壓力為3.3MPa，但在進入引射器前有壓力調節(jié)閥，引射器驅動端入口壓力應有所下降。最后，低壓蒸汽管網(wǎng)的壓力對引射效果應有較大影響，管網(wǎng)運行壓力低有利于引射。

3.4.2 改造效果

根據(jù)實際運行參數(shù)對蒸汽引射器重新選型，設計參數(shù)與運行參數(shù)的對比見表4，設備使用正常。

表4 蒸汽引射器設計參數(shù)與運行參數(shù)對比Table 4 Parameters comparison of steam ejector

停運蒸汽引射器后，蒸汽引射器出口蒸汽量明顯下降，如圖7、圖8所示，從14：10與14：00的兩組數(shù)據(jù)對比可知，蒸汽引射器出口蒸汽量減少1 223 kg／h，而凝結水泵出口流量增加1 989kg／h，該數(shù)據(jù)直觀反映出蒸汽引射器對0.1MPa低壓蒸汽的引射效果是明顯的，低壓蒸汽能通過蒸汽引射器有效回收利用。

另外，蒸汽引射器投運之后引射了約2t的低壓蒸汽，引射率為36.36%，蒸汽鍋爐從以前的兩用一備改為一用兩備。從9月份開始，燃料氣單耗下降明顯，如圖9所示。

3.5 蒸汽疏水閥優(yōu)化選型

3.5.1 優(yōu)化潛力分析

合理選擇疏水閥是確保凝結水回收系統(tǒng)正常運行的關鍵環(huán)節(jié)。然而，相對于鍋爐等大型設備來說，疏水閥的選型問題常被忽視，造成疏水閥選型簡單粗糙，出現(xiàn)了許多偏差。若不按照壓差和排量選取疏水閥排水孔直徑，將造成疏水閥排量過大或過小，從而出現(xiàn)漏汽或開旁通的浪費現(xiàn)象。

萬州天然氣凈化廠疏水閥設計時選用熱動力型圓盤式疏水閥，該疏水閥是利用熱力學原理，使閥片上下產(chǎn)生不同壓差，驅動閥片開關閥門，但這種熱動力式疏水閥有約3%（w）的蒸汽泄漏率。由于萬州天然氣凈化廠疏水閥主要用于硫磺回收單元和硫磺成型裝置的保溫蒸汽疏水，設備運行溫度較高，消耗的蒸汽潛熱較小，產(chǎn)生的凝結水量也較少，因此漏氣率較低的倒置桶式疏水閥更為適用。

3.5.2 優(yōu)化效果

凝結水系統(tǒng)壓力如圖1 0所示。2 0 1 3年6月，裝置檢修時更換了重新選型后的疏水閥，使得凝結水系統(tǒng)壓力較高的問題得到解決。

3.6 綜合能耗對比

裝置優(yōu)化前后能耗對比情況見表5，從表5可以看出，裝置優(yōu)化后，每處理1×104m3原料天然氣（H2S摩爾分數(shù)為1%）的綜合能耗由裝置優(yōu)化前的最低1 303.38MJ降為約1 188.23MJ。與每處理1×104m3原料天然氣（H2S摩爾分數(shù)為1%）綜合能耗為2 010MJ的設計值相比，節(jié)能效果顯著。

表5 裝置優(yōu)化前后能耗對比表Table 5 Energy consumption comparison of device before and after optimization

4 結語

（1）針對蒸汽引射器無法投運的問題，對蒸汽引射器的設計參數(shù)進行了調整，更換了蒸汽引射器并投運成功，充分利用了蒸汽熱能，減少了生產(chǎn)設備、伴熱對主管網(wǎng)蒸汽的需求，節(jié)約了能源。

（2）對凝結水罐采用二次蒸汽密閉回收，既節(jié)約了水資源，又避免了因凝結水產(chǎn)生的氧化污染。

（3）根據(jù)我廠蒸汽實際使用情況，將圓盤式疏水閥更換為倒置桶式疏水閥，降低了漏氣率，可以起到節(jié)約能源的作用。

［1］劉家洪，楊曉秋，陳明，等.高含硫天然氣凈化廠節(jié)能措施探討［J］.天然氣與石油，2007，10（5）：40－51.

［2］周彬，廖鐵.CPS硫磺回收工藝在萬州分廠的應用［J］.石油與天然氣化工，2010，39（S1）：16－19.

［3］雷英，劉薔，唐偉，等.天然氣處理廠節(jié)能減排對低碳經(jīng)濟的推動作用［J］.石油與天然氣化工，2011，40（4）：358－361.

［4］廖鐵，閔杰，蘇夢瑤，等.萬州天然氣凈化裝置運行評價［J］.石油與天然氣化工，2012，41（3）：276－280.