在線能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)在天然氣凈化廠的應(yīng)用探討

李勁 余宗財(cái)夏太武 劉啟聰 李洋

在線能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)在天然氣凈化廠的應(yīng)用探討

李勁1余宗財(cái)2夏太武1劉啟聰1李洋1

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦）

天然氣凈化廠處理規(guī)模大、工藝技術(shù)復(fù)雜，其能耗約占整個(gè)天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程總能耗的30%，能耗評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性對(duì)天然氣凈化廠節(jié)能降耗意義重大。通過(guò)對(duì)天然氣凈化過(guò)程的探討，提出了建立一種在線式能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)的方法和步驟。利用該系統(tǒng)可以方便地分析天然氣凈化廠裝置設(shè)計(jì)能耗、理論能耗、實(shí)際運(yùn)行能耗的差別，為企業(yè)開(kāi)展節(jié)能降耗改造提供依據(jù)和支撐。

能耗評(píng)價(jià)；能耗指標(biāo)；評(píng)價(jià)指標(biāo)；節(jié)能

天然氣凈化廠一般包括脫硫、脫水、硫磺回收、公用工程和輔助生產(chǎn)裝置五個(gè)系統(tǒng)單元。其中，脫硫技術(shù)主要采用胺法；脫水技術(shù)主要采用三甘醇脫水；硫磺回收采用克勞斯法等。由于天然氣凈化廠的處理量大，處理工藝復(fù)雜，其能耗約占整個(gè)天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程總能耗的30%。加之現(xiàn)役裝置常常因設(shè)備老化或失效、操作參數(shù)設(shè)置不合理、設(shè)備效率低、溶液失效或選擇不合理等技術(shù)問(wèn)題而導(dǎo)致裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大、能耗增加、運(yùn)行波動(dòng)大等因素的影響，致使綜合能耗偏高，故高能耗已成為高含硫天然氣凈化廠實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要瓶頸之一[1-3]。

天然氣凈化廠各單元裝置構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要結(jié)合工藝、設(shè)備、自控、節(jié)能等多專(zhuān)業(yè)按照能耗綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)化運(yùn)行的模式協(xié)同開(kāi)展能耗評(píng)價(jià)優(yōu)化工作，形成數(shù)據(jù)采集—分析評(píng)價(jià)—節(jié)能降耗措施—效果評(píng)估的閉環(huán)管理，以保證裝置可靠運(yùn)行。因此，整合各原本孤

立的單項(xiàng)分析方法形成統(tǒng)一的高含硫天然氣凈化廠能耗綜合評(píng)價(jià)方法成為必然[4]。

1 綜合能耗評(píng)估方法

1.1綜合能耗評(píng)價(jià)的目的

能耗評(píng)價(jià)的目的旨在通過(guò)能耗評(píng)價(jià)來(lái)診斷過(guò)程系統(tǒng)的用能水平，尋找過(guò)程系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)能耗瓶頸，從而針對(duì)性地采取節(jié)能措施，提高過(guò)程系統(tǒng)的整體用能水平。首先應(yīng)根據(jù)過(guò)程或系統(tǒng)的基本條件，確定過(guò)程或系統(tǒng)在當(dāng)前基本條件下的基準(zhǔn)能耗，用過(guò)程或系統(tǒng)的實(shí)際能耗與基準(zhǔn)能耗比較，其偏離值越大，其用能水平越低，其節(jié)能改造的潛力就越大。

1.2天然氣凈化廠綜合能耗評(píng)價(jià)內(nèi)容

影響天然氣凈化過(guò)程能耗的因素分為兩個(gè)方面，一個(gè)是能源管理水平，一個(gè)是系統(tǒng)的用能效果。從節(jié)能的角度可以總結(jié)為管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能兩個(gè)方面。天然氣凈化廠的綜合能耗評(píng)價(jià)分為能源管理評(píng)價(jià)與用能效果評(píng)價(jià)[5]。

1）能源管理評(píng)價(jià)。能源管理評(píng)價(jià)的內(nèi)容主要包括能源管理職責(zé)情況、能源計(jì)量器具的配備情況、重點(diǎn)用能設(shè)備監(jiān)測(cè)情況、能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集情況等。

能源計(jì)量器具的配備和能源計(jì)量數(shù)據(jù)的采集是能耗評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，只有按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求配備計(jì)量器具，并對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真和完整的采集，才有可能使能耗評(píng)價(jià)順利進(jìn)行，評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)可靠。

天然氣凈化過(guò)程的能耗定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)國(guó)家和行業(yè)有關(guān)節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的相關(guān)政策、資源環(huán)境保護(hù)政策規(guī)定以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于定性考核天然氣凈化過(guò)程能源管理工作。通過(guò)對(duì)能耗定性指標(biāo)的考核，找出能源管理的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取相應(yīng)的措施，進(jìn)一步提高企業(yè)能耗管理水平。

2）用能效果評(píng)價(jià)。它包括天然氣凈化過(guò)程的用能合理性評(píng)價(jià)和天然氣凈化過(guò)程的節(jié)能潛力評(píng)價(jià)。

1.3綜合能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

1）節(jié)能潛力△E可由下式表示，即

2）用能效率η可由下式表示，即

3）全廠總能耗指標(biāo)可由下式求得：

式中：E——總能耗，MJ；

n——消耗的能源品種數(shù)（水、電和燃料氣等）；

ei——生產(chǎn)和服務(wù)活動(dòng)中消耗的第i種能源實(shí)物量；

pi——第i種能源的折算系數(shù)，按能量的當(dāng)量值或能源等價(jià)值折算。

對(duì)凈化廠而言：

◇凈化廠全廠總能耗=全廠總耗電×能源折算系數(shù)+全廠新鮮水供應(yīng)量×能源折算系數(shù)+燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)；

◇脫硫裝置總能耗=脫硫裝置總耗電×能源折算系數(shù)+脫硫裝置蒸氣消耗量×能源折算系數(shù)+脫硫裝置循環(huán)水消耗量×能源折算系數(shù)+脫硫單元軟水消耗量×能源折算系數(shù)；

◇脫水裝置總能耗=脫水裝置總耗電×能源折算系數(shù)+脫水裝置燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)+脫水裝置循環(huán)水消耗量×能源折算系數(shù)；

◇硫磺回收及尾氣處理裝置總能耗=硫磺回收及尾氣處理裝置總耗電×能源折算系數(shù)+蒸氣消耗量×能源折算系數(shù)+燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)+軟水消耗量×能源折算系數(shù)；

◇公用工程及生產(chǎn)輔助裝置總能耗=公用工程及生產(chǎn)輔助裝置總耗電×能源折算系數(shù)+新鮮水供應(yīng)量×能源折算系數(shù)+燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)。

4）單位能耗指標(biāo)（系統(tǒng)獲得單位天然氣在各部分的能耗[6]）可由下式求得：

式中：e——單位處理量耗能，MJ/m3；

E——總能耗，MJ；

P——處理量，m3。

◇ 全廠單位天然氣處理量能耗=（全廠總耗電×能源折算系數(shù)+全廠新鮮水供應(yīng)量×能源折算系數(shù)+燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)）/（天然氣處理量）；

◇脫硫裝置單位天然氣處理量能耗=（脫硫裝置總耗電×能源折算系數(shù)+脫硫裝置蒸氣消耗量×能源折算系數(shù)+脫硫裝置循環(huán)水消耗量×能源折算系數(shù)+脫硫單元軟水消耗量×能源折算系數(shù)）/（天然氣處理量）；

◇脫水裝置單位天然氣處理量能耗=（脫水裝置總耗電×能源折算系數(shù)+脫水裝置燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)+脫水裝置循環(huán)水消耗量×能源折算系數(shù)）/（天然氣處理量）；

◇公用工程及生產(chǎn)輔助裝置單位天然氣處理量能耗=（公用工程及生產(chǎn)輔助裝置總耗電×能源折算系數(shù)+新鮮水供應(yīng)量×能源折算系數(shù)+燃料氣消耗量×能源折算系數(shù)）/（天然氣處理量）。

5）能源折算系數(shù)。不同的企業(yè)使用的能源單位不同，通常習(xí)慣于使用標(biāo)準(zhǔn)煤和標(biāo)準(zhǔn)油作為能源單位，但對(duì)于天然氣凈化廠而言，更習(xí)慣于使用MJ作為能源單位。為了不同能源單位之間的分析比較，表1列舉了各能源單位之間的換算關(guān)系。

表1 能源折算參考系數(shù)

1.4天然氣凈化廠綜合能耗評(píng)價(jià)步驟

1）確定能耗節(jié)點(diǎn)。根據(jù)研究工作成果，確定天然氣凈化過(guò)程主要能耗節(jié)點(diǎn)。能耗節(jié)點(diǎn)通常包括脫硫、脫水、硫磺回收等單元。

2）建立主要能耗節(jié)點(diǎn)的能耗模型。以天然氣凈化廠脫硫、脫水、硫磺回收等裝置建立能耗評(píng)價(jià)模型（表2）。

表2 主要能耗節(jié)點(diǎn)模型及內(nèi)容

3）綜合能耗分析。利用專(zhuān)業(yè)能耗評(píng)價(jià)軟件，通過(guò)大量的歷史數(shù)據(jù)模擬，建立起能耗綜合評(píng)價(jià)方程，確定方程相關(guān)參數(shù)；再據(jù)凈化廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可擬合出實(shí)際能耗曲線，并預(yù)測(cè)能耗曲線。

根據(jù)實(shí)際能耗曲線，可以與基準(zhǔn)能耗曲線、設(shè)計(jì)能耗曲線進(jìn)行對(duì)比分析，找出三條曲線差異較大之處，分析其產(chǎn)生的原因和可能的解決方案。

2 案例分析

以磨溪天然氣凈化廠（80+50）×104m3/d裝置為例，建立綜合能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

2.1基礎(chǔ)條件分析

磨溪天然氣凈化廠（80+50）×104m3/d裝置脫硫、脫水各成1套裝置，硫磺回收、硫磺成型及其公用工程、輔助設(shè)施共用1套，裝置流程和配置相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)裝置的集中監(jiān)控和管理基礎(chǔ)條件如下：

1）中控室設(shè)置1套DCS系統(tǒng)，并通過(guò)增加防火墻、OPC服務(wù)器等，將DCS數(shù)據(jù)上傳至川中油氣礦調(diào)度中心。

2）廠區(qū)未針對(duì)電力系統(tǒng)建立微機(jī)綜合管理系統(tǒng)，各機(jī)泵及其他電氣設(shè)備的電力參數(shù)僅在其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置中分散監(jiān)測(cè)。

3）機(jī)泵出口設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)顯示壓力表，但不具備信號(hào)遠(yuǎn)傳功能，且基本進(jìn)口管線附近未設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)，僅能從上游管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)顯示壓力表近似代替機(jī)泵進(jìn)口壓力，用于日常生產(chǎn)管理。

2.2建立系統(tǒng)架構(gòu)

磨溪天然氣凈化廠130×104m3聯(lián)合裝置能耗綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)共分為4層（圖1）。

圖1 磨溪天然氣凈化廠綜合能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)框架示意圖

1）數(shù)據(jù)采集。新建1套電力監(jiān)控系統(tǒng)，從電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的電氣保護(hù)器或機(jī)泵的智能電表中取出相關(guān)數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。從現(xiàn)有DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳的防火墻后側(cè)，取出DCS中相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。人工錄入現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)相關(guān)的工藝參數(shù)。

2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。新建1套數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)、DCS上傳的數(shù)據(jù)和人工錄入的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由凈化廠操作人員從服務(wù)器中取出相關(guān)數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能耗分析管理平臺(tái)能識(shí)別的數(shù)據(jù)后，接入能耗管理平臺(tái)，為其提供各種模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4）能耗分析管理平臺(tái)。含軟硬件配置，接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層上傳的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用配套軟件和人機(jī)界面，將磨溪天然氣凈化廠實(shí)時(shí)能耗情況展示給用戶方。

2.3綜合能耗分析

1）確定影響天然氣凈化廠能耗的關(guān)鍵參數(shù)。共有下述7個(gè)參數(shù)：130×104m3裝置處理量，m3/d；天然氣中H2S含量，%；天然氣中CO2含量，%；原料氣進(jìn)氣壓力，MPa；產(chǎn)品氣量，m3/d；環(huán)境溫度，℃；環(huán)境濕度，%。

2）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，擬合凈化廠能耗曲線、繪制能源平衡圖。凈化廠能耗的實(shí)際值低于基準(zhǔn)值，這是由于凈化廠對(duì)原耗能的重大設(shè)備（胺液循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)）進(jìn)行了升級(jí)換代，能耗大幅度降低造成的。利用能耗評(píng)價(jià)技術(shù)有助于企業(yè)分析能耗異常或變優(yōu)的原因。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)天然氣凈化過(guò)程的能耗狀況、節(jié)能潛力以及節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況分析，天然氣凈化過(guò)程的能源利用水平還較低，尚有較大的節(jié)能潛力。

2）將歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有助于企業(yè)分析裝置的能耗狀況，從而提出改進(jìn)措施。

3）研究能耗評(píng)價(jià)方法對(duì)天然氣凈化過(guò)程具有普遍適用性，可用于天然氣凈化廠能耗綜合評(píng)價(jià)，也可用于天然氣凈化廠各主要能耗環(huán)節(jié)的用能效果評(píng)價(jià)以及節(jié)能改造效果的評(píng)估。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.005

2015-12-09

（編輯 李發(fā)榮）

李勁，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于西安石油學(xué)院（化工設(shè)備與機(jī)械專(zhuān)業(yè)），從事工程項(xiàng)目管理和工程設(shè)計(jì)工作，E-mail：jin_l@petrochina.com.cn，地址：四川省成都市雙流華陽(yáng)天研路218號(hào)天然氣研究院，610213。