劍閣天然氣凈化廠節(jié)能降耗措施研究

羅婷婷 羅元 劉建 謝軍（西南油氣田分公司廣元?jiǎng)﹂w天然氣凈化廠）

1 工廠主要耗能部位介紹

劍閣天然氣凈化廠主體裝置包括MDEA脫硫裝置、TEG 脫水裝置、Claus 硫磺回收裝置、SCOT 尾氣處理裝置、酸水汽提裝置，輔助裝置和公用工程系統(tǒng)有硫磺成型裝置、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、供熱蒸汽系統(tǒng)、污水處理裝置、燃料氣系統(tǒng)、火炬與放空系統(tǒng)、給水消防系統(tǒng)、空氮站等[1]。主要能耗部位見(jiàn)表1。

表1 主要能耗部位

劍閣天然氣凈化廠于2019 年12 月建成投產(chǎn)，目前有1 套設(shè)計(jì)處理量為300 m3/d 的凈化裝置。工廠原料氣H2S 含量為5.7 g/m3左右，CO2含量為27.6 g/m3左右，產(chǎn)品氣H2S 含量≤6 mg/m3，總硫≤20 mg/m3，CO2≤3%，水露點(diǎn)≤-5 ℃，達(dá)到一類(lèi)氣質(zhì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2020 年工廠每處理萬(wàn)方天然氣耗水0.49 m3，耗電104.28 kWh，耗氣78.26 m3。

2 節(jié)能措施

2.1 閃蒸氣的利用

為減小溶液發(fā)泡風(fēng)險(xiǎn)和避免影響硫磺回收裝置操作，可通過(guò)閃蒸罐降壓方式將脫硫、脫水富液中的烴類(lèi)氣體解吸出來(lái)，脫硫脫水閃蒸氣大部分是CH4[2]。劍閣天然氣凈化廠脫硫閃蒸氣約900 m3/d，脫水閃蒸氣約450 m3/d，均作為燃料氣輸送至燃料氣穩(wěn)壓罐供各燃燒爐使用。

工廠熱力除氧器熱源來(lái)自于低壓蒸汽，除低壓蒸汽管網(wǎng)提供的低壓蒸汽外，蒸汽凝結(jié)水返回至凝結(jié)水罐閃蒸出的二次蒸汽、蒸汽鍋爐連排擴(kuò)容器中的二次蒸汽均回用于熱力除氧器，減少了低壓蒸汽的使用。原始設(shè)計(jì)中，工廠依據(jù)熱力除氧器壓力控制管網(wǎng)蒸汽閥門(mén)和凝結(jié)水罐二次蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度，在設(shè)置壓力設(shè)定值時(shí)，將凝結(jié)水二次蒸汽調(diào)節(jié)閥所在控制回路的壓力設(shè)定值設(shè)置得更高，以達(dá)到除氧器壓力下降后，優(yōu)先開(kāi)大凝結(jié)水罐二次蒸汽閥門(mén)的目的，減少來(lái)自管網(wǎng)的蒸汽用量。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)水罐二次蒸汽接入除氧器脫氧塔上部，蒸汽容易直接從排汽口逸出，達(dá)不到除氧的目的。

在2021年7月設(shè)備檢修過(guò)程中，將蒸汽入口改至除氧器罐體底部，不僅能增加換熱時(shí)間，還能起到攪動(dòng)水體的作用，可以獲更好的除氧效果。改造后，除氧水溶解氧含量下降了0.01 mg/L，并改變了凝結(jié)水二次蒸汽閥門(mén)的控制方式，同時(shí)通過(guò)調(diào)整凝結(jié)水罐到熱力除氧器二次蒸汽的流量，控制凝結(jié)水罐壓力，減少了凝結(jié)水罐空冷器的使用。

2.2 水資源回用

劍閣天然氣凈化廠生產(chǎn)生活污水經(jīng)污水處理裝置處理后的回用水，一部分作為廠區(qū)綠化用水，另一部分經(jīng)過(guò)再處理后，可作為消防水池、循環(huán)水池、除鹽水橇補(bǔ)充水。廢水處理最終形成的濃水，通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶裝置蒸干水分后形成固體結(jié)晶鹽，作為固廢處理，減少了污水拉運(yùn)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的污水“零排放”。

在原始設(shè)計(jì)中，工廠除鹽水橇將新鮮水處理為除鹽水所產(chǎn)生的濃鹽水，會(huì)排入污水管網(wǎng)進(jìn)行處理。但經(jīng)反復(fù)分析論證，工廠所處位置原水水質(zhì)條件優(yōu)良，除鹽水橇產(chǎn)生的濃鹽水之外，均完全滿(mǎn)足循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)條件。除鹽水橇濃水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。得出結(jié)論后，工廠立即實(shí)施改造，濃鹽水接入循環(huán)水池中。通過(guò)改造，不僅減少了循環(huán)水新鮮水用量，也減小了污水處理裝置負(fù)荷，全年可節(jié)約新鮮水8 910×104m3，減少污水產(chǎn)生量約7 000 m3。

表2 2020年5月除鹽水橇濃水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.3 冷熱介質(zhì)換熱

再生后的貧液溫度較高，進(jìn)入吸收塔前需降溫才有利于吸收，而吸收了酸性氣體的富液再生時(shí)需要升溫解吸出酸性氣體。因此在脫硫裝置、脫水裝置、尾氣處理裝置和酸水汽提裝置均設(shè)置了貧/富液換熱器（或熱交換器）。

脫水裝置TEG吸收塔富液出塔后，先經(jīng)過(guò)貧液精餾柱盤(pán)管與脫水再生廢氣換熱，使廢氣中的部分水蒸氣冷凝，形成柱頂回流，達(dá)到控制柱頂溫度從而減少脫水溶液損失的目的，此后富液再進(jìn)入TEG閃蒸罐中進(jìn)行烴類(lèi)氣體的解吸。閃蒸罐出來(lái)的TEG富液在TEG緩沖罐盤(pán)管中經(jīng)脫水貧液預(yù)熱后再進(jìn)入火管式重沸器中進(jìn)行再生。脫水貧液進(jìn)入TEG吸收塔前，在干氣/貧液換熱器中與出塔干氣換熱降溫后后再入塔進(jìn)行吸收[3]。

濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶裝置需要被蒸汽加熱，以達(dá)到蒸發(fā)水分析出結(jié)晶鹽的目的，在濃水入口設(shè)置了板式換熱器，使?jié)馑M(jìn)入蒸發(fā)室前與來(lái)自加熱室殼層的蒸汽冷凝水換熱，達(dá)到預(yù)熱的效果，而換熱后的蒸汽冷凝水經(jīng)回用冷凝水桶收集后作為蒸汽壓縮機(jī)冷卻水或減溫減壓器供水回用。

2.4 燃燒爐、硫磺冷凝器余熱利用

克勞斯反應(yīng)的熱反應(yīng)階段在硫磺回收主燃燒爐中進(jìn)行，產(chǎn)生的熱量通過(guò)回收余熱鍋爐進(jìn)行回收，生產(chǎn)低壓蒸汽，反應(yīng)后過(guò)程氣中的硫蒸氣需在硫磺冷凝器中冷凝成液硫，從氣體中分離出來(lái)，以降低分壓，利于下一階段反應(yīng)轉(zhuǎn)化率[4]。在一、二級(jí)硫磺冷凝器中，利用過(guò)程氣熱量將除氧水轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽；在尾氣在線(xiàn)燃燒爐中，回收裝置尾氣、燃料氣與空氣混合燃燒，使過(guò)程氣達(dá)到加氫還原所需溫度，加氫還原反應(yīng)后的過(guò)程氣在進(jìn)入急冷塔降溫前，經(jīng)過(guò)加氫余熱鍋爐回收熱量，生產(chǎn)低壓蒸汽；尾氣灼燒爐將H2S 燃燒成SO2，產(chǎn)生的熱量通過(guò)煙氣余熱鍋爐將中壓除氧水轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽，中壓蒸汽用于預(yù)熱進(jìn)入回收主燃燒爐的空氣、酸氣，以降低回收主燃燒爐的燃料氣消耗。目前工廠回收尾氣裝置每小時(shí)可產(chǎn)生0.5 MPa 低壓蒸汽2.37 t 和1.97 MPa中壓蒸汽0.9 t。

蒸汽鍋爐除氧水進(jìn)入鍋爐前，在省煤器中與鍋爐燃料氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣換熱，達(dá)到預(yù)熱的目的，降低蒸汽鍋爐的燃料氣消耗[5]。

2.5 保持裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行

2021年8月前，由于片區(qū)氣井配產(chǎn)原因，工廠裝置負(fù)荷率長(zhǎng)期處于70%左右，未達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。2021年8月3日17時(shí)34分，裝置首次達(dá)設(shè)計(jì)生產(chǎn)負(fù)荷，并保持滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)以來(lái)，裝置單位能耗大幅降低，每處理萬(wàn)方天然氣水耗下降43.44%，電單耗下降43.2%，氣單耗下降39.08%，蒸汽單耗下降42.45%。

2.6 其他節(jié)能措施

提高裝置自動(dòng)化程度。在原始設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)脫硫貧液溫度時(shí)常需要操作人員到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)貧液后冷器循環(huán)水進(jìn)出口手閥。利用裝置檢修機(jī)會(huì)，在脫硫裝置貧液后冷器循環(huán)水旁通管線(xiàn)上加設(shè)了調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，不僅減少了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，還可根據(jù)貧液溫度變化快速調(diào)節(jié)循環(huán)水流量；在裝置檢修期間，加設(shè)了循環(huán)冷卻水供水水質(zhì)在線(xiàn)分析儀，待分析儀調(diào)試完畢后，下一步將實(shí)現(xiàn)循環(huán)水加藥裝置根據(jù)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)自動(dòng)加藥，精確控制藥劑加注量，保持循環(huán)水水質(zhì)，降低排污量，減少設(shè)備管線(xiàn)結(jié)垢、腐蝕。

優(yōu)化燃料氣系統(tǒng)計(jì)量器具。通過(guò)更換流量計(jì)或加設(shè)溫度、壓力傳感器的方式，對(duì)燃料氣系統(tǒng)流量進(jìn)行了溫壓補(bǔ)償，并在生活用氣管線(xiàn)上增設(shè)流量計(jì)，使全廠所有用氣點(diǎn)耗氣數(shù)據(jù)均能被監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)能源計(jì)量管理，以準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)重點(diǎn)耗能設(shè)備能耗情況進(jìn)行分析，采取科學(xué)可行、有針對(duì)性的技術(shù)措施才能真正做到節(jié)能減排[6]。

此外工廠還采取了在循環(huán)冷卻水給水總管上加設(shè)了除垢器，以減少循環(huán)水藥劑的消耗；盡量使用氮?dú)獯嫒剂蠚庾鳛楦叩蛪夯鹁婷芊鈿?，減少燃料氣消耗和氮氧化物排放；使用后的脫水汽提氣隨脫水廢氣輸送至尾氣灼燒爐燃料氣；改造脫硫、尾氣活性炭過(guò)濾器排氣流程，減小氣阻，保證活性過(guò)濾效果，以及間歇投用脫硫胺液凈化橇，提高溶液的抗沖擊能力，降低溶液發(fā)泡風(fēng)險(xiǎn)等措施，在保障裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)降低能耗、物耗[7]。

3 節(jié)能建議

根據(jù)GB 17820—2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)，天然氣應(yīng)滿(mǎn)足“在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”的要求[8]。目前工廠通過(guò)間歇使用汽提氣的方式，保證產(chǎn)品氣水露點(diǎn)長(zhǎng)期控制在-10 ℃以下。工廠所在地和外輸管網(wǎng)途徑地區(qū)夏季環(huán)境最低氣溫不低于20 ℃，冬季不低于-10 ℃，對(duì)于溫度較高的夏季，水露點(diǎn)控制過(guò)低是非必要的。因此可根據(jù)季節(jié)氣溫的不同調(diào)整水露點(diǎn)指標(biāo)，氣溫較高的季節(jié)降低脫水循環(huán)量，降低再生溫度，減少汽提氣的使用，這樣不僅能降低設(shè)備的能源消耗，還能減少因汽提氣帶液造成的溶液損失[9]。

優(yōu)化工藝參數(shù)和自控方案。裝置在滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行時(shí)間尚短，在裝置運(yùn)行平穩(wěn)后應(yīng)逐步調(diào)整工藝控制參數(shù)。比如，在保證產(chǎn)品氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下，調(diào)小貧液循環(huán)量，可減少貧液循環(huán)泵和貧液空冷器電耗、再生塔重沸器蒸汽消耗，減小貧液后冷器循環(huán)水流量。降低貧液循環(huán)量，溶液選擇性提高，脫硫酸氣H2S 濃度提高，而酸氣流量減少，則回收過(guò)程氣量減少，再熱爐耗燃料氣量降低，進(jìn)入尾氣裝置的過(guò)程氣量也相應(yīng)減少，尾氣溶液循環(huán)量、尾氣在線(xiàn)燃燒爐和尾氣灼燒爐的燃料氣耗量降低[10]；優(yōu)化回收主燃燒爐、尾氣在線(xiàn)燃燒爐、尾氣灼燒爐配風(fēng)方案，控制回收尾氣組成，降低燃燒爐燃?xì)夂牧俊?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

劍閣天然氣凈化廠作為近兩年的新建凈化廠，在設(shè)計(jì)階段就考慮到了較多的節(jié)能措施，在裝置運(yùn)行過(guò)程中，工廠也根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)裝置流程進(jìn)行優(yōu)化改造，達(dá)到了節(jié)約能耗、物耗的目的。2020年工廠水、電、氣單耗分別較設(shè)計(jì)下降了72.43%、8.76%、62.76%。目前裝置達(dá)滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，探索最優(yōu)控制方案，使裝置安全平穩(wěn)高效運(yùn)行。

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