高含硫天然氣凈化廠節(jié)能降耗分析

黃健 胡超 陳廷庫（西南油氣田分公司天然氣凈化總廠）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)由高增速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，節(jié)能降耗已成為企業(yè)發(fā)展過程中不可避免的問題。天然氣是目前非常重要的常規(guī)能源之一，同時天然氣凈化屬于高耗能行業(yè)，因此在天然氣凈化行業(yè)中進(jìn)行節(jié)能降耗措施的探討具有相當(dāng)重要的意義。中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠萬州分廠于2009年6月6日建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為處理原料天然氣200×104m3/d，日均處理原料天然氣約160×104m3/d，建原料氣預(yù)處理、脫硫脫碳、脫水裝置各1 套，硫黃回收裝置2 套，配套公用工程以及硫黃成型等輔助裝置。作為天然氣凈化總廠下屬目前唯一高含硫天然氣凈化廠，其能源單耗一直處于總廠下屬各分廠中的前列。

1 萬州分廠主要用能分析

1.1 主體工藝簡介

萬州分廠脫硫脫碳單元采用MDEA工藝，該工藝所使用的脫硫脫碳劑MDEA 可在常溫下與H2S 反應(yīng)，然后通過升溫降壓再生，解吸所吸收的酸氣，溶液可循環(huán)利用。該工藝凈化度高，具有一定選擇性，對不同的天然氣組成具有廣泛的適應(yīng)性。

脫水單元采用TEG工藝，該工藝所使用的脫水劑TEG可在常溫下脫除天然氣中水分，然后通過升溫再生，溶液可循環(huán)利用。

硫黃回收單元采用具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的CPS 工藝（中國石油硫黃回收工藝），由一個熱反應(yīng)段、一個常規(guī)克勞斯反應(yīng)段和一個后續(xù)的低溫克勞斯反應(yīng)段組成，設(shè)計硫黃回收率達(dá)到99.25%。

隨著川東地區(qū)氣田勘探開發(fā)的深入，分廠原料氣氣質(zhì)變化，進(jìn)入硫黃回收裝置的酸氣量有較大幅度的增加，使硫黃回收裝置出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行，因此分廠于2013 年增建一套35 t/d 的CPS 硫黃回收裝置處理已有硫黃回收裝置無法處理的部分酸氣，裝置主要生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 裝置主要生產(chǎn)工藝流程

1.2 分廠主要能源消耗分析

能耗核算主要以GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》為計算標(biāo)準(zhǔn)，將各種能源折算為一次能源，以低位發(fā)熱量為29 307.6 kJ的燃料為基礎(chǔ)折合標(biāo)準(zhǔn)煤，即1千克標(biāo)準(zhǔn)煤[1-3]，其中天然氣按分廠產(chǎn)品氣高位發(fā)熱量35.99 MJ/m3計算，電力消耗按2019年電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗307 g/kWh[4]計算，相關(guān)能源折算 系 數(shù) 新 鮮 水 為0.257 1 kg( 標(biāo) 煤)， 電 為0.307 kg(標(biāo) 煤)，天然氣為1.228 kg(標(biāo)煤)。

2020年萬州分廠處理天然氣量58 181.19×104m3，全廠各類能源消耗情況見表1。

表1 2020年萬州分廠、川西北凈化廠和大竹分廠能耗匯總

由于蒸汽消耗可以轉(zhuǎn)化為鍋爐蒸汽系統(tǒng)的水、電、天然氣消耗，循環(huán)水消耗可以轉(zhuǎn)化為循環(huán)水系統(tǒng)的水、電消耗，故全廠能源消耗為新鮮水、電和天然氣，其中天然氣消耗占比最高（80.46%），萬州分廠主要耗能設(shè)備見表2。從各用氣點(diǎn)的消耗量可以看出，天然氣主要用于鍋爐房生產(chǎn)蒸汽和尾氣灼燒爐處理硫黃回收尾氣，尾氣灼燒爐耗氣量336.59×104m3、TEG 再生釜耗氣量22.40×104m3、鍋爐耗氣量1 097.02 ×104m3、火炬及食堂耗氣量為40.663×104m3。

表2 萬州分廠主要耗能設(shè)備

根據(jù)能耗成本，從表3 可以看出，萬州分廠2020 年能耗成本中電費(fèi)占比最高，為74.32%，主要各點(diǎn)耗電量見表4?？梢钥闯鲋饕碾娫O(shè)備為脫硫脫碳單元溶液循環(huán)泵、硫磺回收單元主風(fēng)機(jī)和尾氣灼燒風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵以及空氮裝置。

表3 萬州分廠能耗成本

表4 主要各點(diǎn)耗電量 單位：104 kWh

2 天然氣凈化廠能耗對比

由于萬州分廠為高含硫天然氣凈化廠，因此選取了天然氣凈化總廠范圍內(nèi)處理量相似的低含硫天然氣凈化廠大竹分廠（設(shè)計原料天然氣處理量200×104m3/d），以及同樣為高含硫凈化廠的川西北凈化廠進(jìn)行對比，2020年川西北凈化廠處理天然氣量為3 593.17×104m3，大竹分廠處理天然氣量為46 628.37×104m3，能耗統(tǒng)計見表1。

由表5 可以看出，3 個分廠能耗結(jié)構(gòu)基本類似，主要能源消耗均為天然氣，占比均在80%左右。對比同為高含硫天然氣凈化廠的萬州分廠和川西北凈化廠，由于川西北凈化廠原料天然氣處理量遠(yuǎn)小于萬州分廠，其單位能耗遠(yuǎn)高于萬州分廠；對比設(shè)計處理量相同的萬州分廠和大竹分廠，大竹分廠的單位能耗遠(yuǎn)小于萬州分廠。綜上可以看出，天然氣凈化廠單位能耗不僅與處理規(guī)模相關(guān)，還與原料氣硫化氫含量相關(guān)。

表5 2020年萬州分廠、川西北凈化廠和大竹分廠能耗對比

3 節(jié)能優(yōu)化建議

3.1 脫硫脫碳單元操作優(yōu)化

由于萬州分廠天然氣主要用于鍋爐房生產(chǎn)蒸汽，而由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出脫硫脫碳單元重沸器年消耗蒸汽10.18×104t，占到總蒸汽耗量20.04×104t 的50.82%，因此通過調(diào)整操作降低重沸器蒸汽耗量，可以有效減少全場天然氣耗量。

重沸器消耗蒸汽主要用于脫硫脫碳溶液再生，為了保證溶液再生效果，維持溶液再生塔塔頂溫度，重沸器蒸汽耗量主要與溶液循環(huán)量有關(guān)。在確保濕凈化氣硫化氫和二氧化碳合格的情況下，適當(dāng)降低溶液循環(huán)量[5]可以有效減少再生蒸汽的消耗，也減少了鍋爐房天然氣的使用量。同時降低循環(huán)量還可以減少溶液循環(huán)泵電能的使用，達(dá)到了結(jié)點(diǎn)的目的。

但是需要注意的是，隨著溶液循環(huán)量的降低，胺液酸氣負(fù)荷會增加，為了減緩胺液對設(shè)備管道等的腐蝕，針對MDEA 溶液，酸氣負(fù)荷一般不大于0.6 mol/mol?？梢酝ㄟ^適當(dāng)提高溶液濃度的方式降低酸氣負(fù)荷，但溶液濃度過高會造成溶液黏度增加，加大攔液的風(fēng)險。

因此，調(diào)整脫硫脫碳單元的操作是一個綜合考慮的過程，既要考慮到溶液濃度，又要考慮到溶液循環(huán)量[6]。通過適當(dāng)提高溶液濃度，降低循環(huán)量，以達(dá)到降低蒸汽耗量的目的。

3.2 加強(qiáng)能量回收及再利用

鍋爐房和硫黃回收余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽，除了用于脫硫脫碳單元溶液溶液再生，還主要用作裝置保溫。為了有效減少能量損失，加強(qiáng)裝置保溫很有必要，除了可以采用更厚的保溫材料，還可以選用絕熱性能更好的保溫材料，從而降低不同設(shè)備管道所造成的熱量散失[7]。另外，在日常生產(chǎn)過程中，要加強(qiáng)對蒸汽疏水器的檢查，防止因蒸汽疏水器損壞，造成大量蒸汽進(jìn)入鍋爐房凝結(jié)水罐，引起凝結(jié)水罐壓力過高而放空。

能量回收最主要的點(diǎn)是對熱能的回收，可以從凈化廠設(shè)計、建造、檢維修等方面加以優(yōu)化。首先，針對熱量交換的設(shè)備，在設(shè)計時要充分考慮換熱余量，在綜合成本因素，盡量選擇換熱面積較大的設(shè)備，增加熱量的回收利用率。同時，在裝置檢維修過程中，要加強(qiáng)對換熱設(shè)備的清洗，減少換熱設(shè)備因結(jié)垢、堵塞等因素造成對換熱效率的影響。其次針對鍋爐煙囪、尾氣煙囪、除氧器蒸汽排放等熱量排放點(diǎn)，可以增設(shè)能量回收裝置對熱量加以利用，例如：可以在鍋爐煙囪增設(shè)省煤器、除氧器排放口和鍋爐排污擴(kuò)容器蒸汽排放口增設(shè)收能器等。

3.3 加強(qiáng)對分析數(shù)據(jù)的監(jiān)控

在凈化廠日常生產(chǎn)過程中，需要對鍋爐、余熱鍋爐、循環(huán)水水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行控制。在操作過程中，要關(guān)注水質(zhì)化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)水質(zhì)變化趨勢，提前預(yù)判，調(diào)整加藥量、排污量的大小，避免因?yàn)榛?yàn)數(shù)據(jù)不合格而造成的大量排污，減少水資源的消耗。另外，有條件的可以增加水質(zhì)在線分析儀，提高水質(zhì)監(jiān)控頻率，以更好控制水質(zhì)。

3.4 減少裝置開停產(chǎn)過程中天然氣的放空

在天然氣凈化廠裝置檢修開停產(chǎn)的過程中，必然存在天然氣的放空過程，通過優(yōu)化操作，減少放空量，可以降低天然氣的浪費(fèi)。

1）正式停氣之前，提前通知?dú)獾V關(guān)井，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，直至產(chǎn)品氣壓力與背壓一致，產(chǎn)品氣流量降為0時，關(guān)閉產(chǎn)品氣界區(qū)閥；當(dāng)原料氣流量降為0后，關(guān)閉原料氣界區(qū)閥。以此來減少管線中原料氣的放空。

2）當(dāng)關(guān)閉原料氣、產(chǎn)品氣界區(qū)大閥后，燃料氣系統(tǒng)補(bǔ)充燃料氣繼續(xù)由脫水單元供給[8]，直至系統(tǒng)壓力降至2.0 MPa，燃料氣系統(tǒng)補(bǔ)充燃料氣切換為返輸氣供給，盡量減少原料氣、產(chǎn)品氣的放空。

3）裝置開產(chǎn)前把關(guān)檢修質(zhì)量，特別是檢修中打開過的人孔、管線、法蘭，減少因?yàn)樾孤┓倒ざ斐傻拈_產(chǎn)檢漏階段天然氣的放空。

4）裝置開產(chǎn)階段，先用返輸氣檢漏，再進(jìn)行工業(yè)水洗，減少因?yàn)樗礈p壓而造成的天然氣放空。

5）裝置進(jìn)氣前，確保系統(tǒng)熱循環(huán)穩(wěn)定后，再進(jìn)原料氣，減少因系統(tǒng)波動造成產(chǎn)品氣的不合格放空。

3.5 優(yōu)化設(shè)備、調(diào)整操作降低電耗

由各點(diǎn)耗電量情況可知，分廠主要電能消耗設(shè)備為MDEA溶液循環(huán)泵和硫黃回收單元風(fēng)機(jī)，降低這些設(shè)備的電能消耗便可以有效的降低整體電耗。因此，通過優(yōu)化設(shè)備、調(diào)整操作降低電能消耗很有必要。

1）MDEA 溶液循環(huán)泵。除了可以通過在一定范圍內(nèi)降低溶液循環(huán)量，從而降低溶液循環(huán)泵的負(fù)荷，降低電能消耗外，還可以通過優(yōu)化循環(huán)泵電機(jī)達(dá)到節(jié)能目的。變頻器是通過改變電機(jī)電源的頻率來控制交流電機(jī)的電力控制設(shè)備，它主要是通過調(diào)節(jié)輸出電源的頻率和電壓，從而達(dá)到節(jié)電的目的[9-10]。在條件允許的情況下，增設(shè)高壓變頻器，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況及時調(diào)整溶液循環(huán)泵輸出功率，減少電能浪費(fèi)，降低電耗。

2）硫黃回收單元風(fēng)機(jī)。目前風(fēng)機(jī)的能耗較大，主要原因是風(fēng)機(jī)放空量占比較多，若能夠調(diào)整風(fēng)機(jī)控制邏輯，在保證裝置風(fēng)量需求的情況下，減少風(fēng)機(jī)放空量，便能夠大大減少風(fēng)機(jī)的電能消耗。

4 結(jié)語

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須促使生產(chǎn)活動不斷朝著節(jié)能降耗的方向發(fā)展。對于高含硫天然氣凈化廠而言，有效落實(shí)節(jié)能降耗措施更是十分重要，可以通過優(yōu)化設(shè)備、調(diào)整操作、加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)控等方式，達(dá)到節(jié)約能源的目的。通過大力開展節(jié)能降耗工作，不僅實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用，還持續(xù)降低了運(yùn)行成本，使天然氣凈化行業(yè)能夠高效可持續(xù)的發(fā)展下去。