蘇里格氣田處理廠丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能運行探討

咬 瓊，呂小瑞，謝繼良，陳 波，牛付才，袁 瑛

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018）

蘇里格氣田脫烴脫水裝置采用丙烷制冷進(jìn)行低溫脫烴脫水，丙烷制冷系統(tǒng)是工藝裝置提供冷量的核心設(shè)備，主要包括丙烷壓縮機、蒸發(fā)式冷凝器、丙烷儲罐、潤滑油系統(tǒng)、熱虹吸儲罐和丙烷蒸發(fā)器等，以及其相關(guān)的電儀自控系統(tǒng)[1，2]。能夠通過熱交換把原料天然氣冷卻至-15 ℃。其中丙烷壓縮機采用螺桿式制冷壓縮機，操作靈活、運行可靠、性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍10%～100%無級調(diào)節(jié)，可實行手動與自動控制兩種方式。在實際的生產(chǎn)過程中，為滿足脫烴、脫水工藝指標(biāo)，天然氣水、烴露點要求等，丙烷壓縮機組需全年連續(xù)運行。蘇里格某天然氣處理廠3 套丙烷壓縮機組2019 年的耗電量占到處理廠全年總耗電量近51%，耗電量較大。因此研究丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能運行模式，對于響應(yīng)節(jié)能降耗政策以及提高經(jīng)濟效益具有重大的現(xiàn)實意義[3-6]。

目前，針對丙烷壓縮機的節(jié)能研究主要存在兩個方向，一是主張采用高壓變頻技術(shù)，利用變頻器將工頻電源變換為變頻率的電能控制，但目前國內(nèi)高壓變頻技術(shù)的不成熟和進(jìn)口設(shè)備存在的成本及維護問題，是造成該方案整體可行性不高的原因。二是主張更換電動機，采用更換為較小功率、較低轉(zhuǎn)速的電動機的方案，但是該方案對現(xiàn)有的負(fù)荷情況會造成影響，且成本費用過高，存在后期維修、維護困難的問題，而且設(shè)備價格高，投資回收周期長。因此考慮其他節(jié)能方式，可根據(jù)制冷量負(fù)荷需求，嘗試從調(diào)整工藝參數(shù)控制、運行模式優(yōu)化等方面，將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行挖潛研究，以提高丙烷壓縮機的工作效率，減少電能消耗[7-9]。

1 丙烷制冷系統(tǒng)簡介及運行現(xiàn)狀

1.1 丙烷制冷系統(tǒng)工藝原理

該處理廠丙烷壓縮機采用美國約克公司RWF 型螺桿式壓縮機，滑閥在10%～100%無級調(diào)節(jié)，內(nèi)容積比自動調(diào)節(jié)（Vi=2.2～5.0）以節(jié)省由于壓縮機過壓縮、欠壓縮造成的功耗損失，額定制冷功率為1 292 kW。配套電機為南陽YB560M2-2W 型防爆交流電機，額定電壓10 kV，額定電流38.2 A，額定功率為560 kW，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min。

主要工藝流程為：液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收了熱量后變?yōu)楸檎羝瑫r使原料氣溫度下降至低溫分離工藝所需溫度。丙烷氣體進(jìn)入丙烷壓縮機，經(jīng)壓縮后的丙烷蒸汽進(jìn)入油分離器，將攜帶的潤滑油分離后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器，經(jīng)風(fēng)冷或水冷冷卻后（冷卻過程中丙烷蒸汽轉(zhuǎn)化為丙烷液體）流至蒸發(fā)式冷凝器下方的熱虹吸儲罐內(nèi)，再流向丙烷系統(tǒng)儲罐。接著，再經(jīng)節(jié)流閥降壓至0.5 MPa 左右進(jìn)入經(jīng)濟器，一小部分制冷劑經(jīng)過節(jié)流降壓后被汽化，吸收熱量，經(jīng)過管殼程換熱，使大部分液態(tài)制冷劑成為低溫低壓液體，氣體返回壓縮機的補充氣入口。低溫丙烷液體在滿液蒸發(fā)器入口處節(jié)流后壓力迅速降低，溫度降至-35 ℃。低溫丙烷液體與高溫天然氣換熱后成為低壓丙烷蒸汽，蒸汽再經(jīng)壓縮機壓縮，開始下一次循環(huán)。

1.2 丙烷壓縮機運行概況及耗電量情況

2019 年1～11 月，該處理廠3 套脫烴脫水裝置均全部投運，且單套裝置區(qū)處理氣量在480×104m3左右，為滿足天然氣處理指標(biāo)及氣田輕烴產(chǎn)量，丙烷蒸發(fā)器出口溫度控制在-9～-16 ℃（見表1）。此工況下，丙烷壓縮機組滑閥位置在30%～50%，由于常年運行負(fù)載未達(dá)到90%，故未投運經(jīng)濟器。所以在丙烷蒸發(fā)器循環(huán)量充足且控制溫度滿足實際生產(chǎn)需求的情況下，整個丙烷制冷系統(tǒng)運行處于“大馬拉小車”的狀態(tài)下，系統(tǒng)的整體運行效率非常低。

表1 處理廠丙烷壓縮機運行情況

根據(jù)2019 年該處理廠實際運行耗電量分析，3 套丙烷壓縮機組1～11 月運行耗電量為780.284 kW·h，占2019 年1～11 月處理廠總耗電量50.58%，耗電量占比較大。

2 丙烷制冷系統(tǒng)能耗影響因素分析

2.1 壓縮機能耗影響因素

如果忽略管線和靜設(shè)備壓降，壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上（見圖1）。1-2 線段表示冷態(tài)在壓縮機中的壓縮過程，近似的沿等熵線進(jìn)行；2-2′～3′-3 線段表示冷劑在冷凝器中的冷凝過程，為等壓過程；3-4 線段表示冷劑節(jié)流膨脹過程，為等焓過程；4-1 線段表示冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，為等壓過程。

圖1 壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上的示意

整個制冷循環(huán)中所需要的壓縮機功耗為：

制冷系統(tǒng)所提供的制冷量為：

由制冷系數(shù)的定義可知：

式中：We-壓縮機功耗，kW；qm-系統(tǒng)循環(huán)的冷劑量，kg；Q1-制冷量，kJ/kg；ε-制冷系數(shù)。

由公式（1）～（3）可知，冷劑循環(huán)量、壓縮機吸氣壓力和壓縮機排氣壓力共同影響了壓縮機的能耗和制冷量[10]。

2.2 能耗降低措施分析

根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，影響能耗降低的因素有降低冷劑循環(huán)量、提高壓縮機吸氣壓力或降低壓縮機排氣壓力。

首先，當(dāng)其他參數(shù)不變，降低冷劑循環(huán)量雖然會對丙烷壓縮機能耗降低略有貢獻(xiàn)，但是循環(huán)量的減少會影響制冷系統(tǒng)的制冷能力，并且不容易實際操作和精細(xì)控制，缺液時甚至?xí)斐杀檎舭l(fā)器出口溫度升高，達(dá)不到低溫分離工藝參數(shù)需求，最終影響氣液分離效果，造成脫烴脫水產(chǎn)量降低。

其次，當(dāng)其他參數(shù)不變，如考慮提高壓縮機吸氣壓力，因壓縮機吸氣壓力與丙烷蒸發(fā)器中蒸發(fā)壓力一致，即提高壓縮機吸氣壓力需提高蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力，其蒸發(fā)溫度也會升高，會直接造成丙烷蒸發(fā)器出口溫度升高，達(dá)不到工藝參數(shù)需求。同時提高蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力可操作性不高，因此采用此措施降低丙烷壓縮機能耗不可取。

最后，當(dāng)其他參數(shù)不變，通過降低壓縮機排氣壓力，該壓力近似相等于丙烷冷凝器中的丙烷壓力，即丙烷的冷凝壓力，其又與丙烷的冷凝溫度為一一對應(yīng)關(guān)系，故降低蒸發(fā)式冷凝器中的丙烷溫度即可降低丙烷的冷凝壓力，進(jìn)而降低壓縮機排氣壓力。

由此可知，在丙烷壓縮機組運行中，節(jié)能降耗的措施應(yīng)主要考慮降低壓縮機排氣壓力，并輔以冷劑循環(huán)量和壓縮機吸氣壓力調(diào)整，最終確定一套適應(yīng)該處理廠的經(jīng)濟運行模式。

3 丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能措施

3.1 丙烷壓縮機吸氣壓力及丙烷循環(huán)量控制

丙烷壓縮機可以通過殼體內(nèi)的滑閥卸載裝置來控制吸氣口的丙烷循環(huán)量，實現(xiàn)在10%～100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)負(fù)荷。丙烷壓縮機的負(fù)荷正是受其吸氣壓力設(shè)定值的控制，當(dāng)吸氣壓力低于其設(shè)定值時，機組負(fù)荷會增大，當(dāng)吸氣壓力高于其設(shè)定值時，機組負(fù)荷會減小。因在實際生產(chǎn)過程中，吸氣壓力的設(shè)定高低決定了丙烷蒸發(fā)器出口溫度即低溫分離器的運行溫度，其溫度設(shè)定值又由所需氣田輕烴產(chǎn)量及產(chǎn)品氣水、烴露點所決定。根據(jù)最新產(chǎn)品氣生產(chǎn)指標(biāo)及往年運行數(shù)據(jù)，低溫分離器運行溫度一般保持在-9～-16 ℃即可滿足生產(chǎn)需求，所以在系統(tǒng)中丙烷儲量充足的情況下，首先可確定丙烷壓縮機吸氣壓力最低設(shè)定值應(yīng)不小于140 kPa。

同時根據(jù)比對實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（見表2），在同等處理氣量和低溫分離器運行溫度的標(biāo)準(zhǔn)下，控制丙烷儲量在丙烷蒸發(fā)器容量的80%～10%變化，并進(jìn)行耗電量分析，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，丙烷儲量控制在50%～70%時，日運行耗電量最小。當(dāng)丙烷儲量低于丙烷蒸發(fā)器容量的40%甚至更低時，丙烷壓縮機的運行耗電量不減反增，低溫分離器的運行溫度也由于系統(tǒng)內(nèi)丙烷循環(huán)量的減少而不能滿足生產(chǎn)運行需求。

表2 丙烷儲量對耗電量影響數(shù)據(jù)

3.2 丙烷壓縮機排氣壓力控制

在保證單套裝置處理量為400×104m3/d，吸氣壓力控制在180 kPa 的情況下，跟蹤對比了1#丙烷壓縮機8 時至17 時的運行參數(shù)及功耗數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在單套裝置處理量和吸氣壓力不變的條件下，排氣壓力每上升100 kPa，丙烷電機的有功功率增加了30 kW 左右。

根據(jù)能耗降低措施分析，耗電量降低的關(guān)鍵在于降低壓縮機排氣壓力并控制其在一定的合理范圍內(nèi)運行。依據(jù)RWF399E 型丙烷壓縮機設(shè)計說明，機組運行的冷凝壓力為923～1 378 kPa，如果過低于低限值運行，會影響機組性能。所以，在實際生產(chǎn)中，將排氣壓力控制不低于923 kPa 并盡量在923～988 kPa 平穩(wěn)運行應(yīng)最為節(jié)能、可靠。

3.3 制定合理的蒸發(fā)式冷凝器運行模式

降低壓縮機出口壓力的關(guān)鍵其實在于降低蒸發(fā)式冷凝器中的丙烷溫度，那么制定合理經(jīng)濟的蒸發(fā)式冷凝器運行模式就顯得尤為重要。該處理廠丙烷壓縮機蒸發(fā)式冷凝器采用水冷、風(fēng)冷結(jié)合的運行模式，單套丙烷壓縮機配置有2 臺風(fēng)機，2 臺水泵，其中工頻、變頻各設(shè)置一臺。

（1）應(yīng)結(jié)合蘇里格地區(qū)全年氣候及溫度變化情況，及時調(diào)整冷凝器運行模式，采用不同的工變頻水泵風(fēng)機組合，調(diào)整變頻風(fēng)機PID 參數(shù)等方式，可有效的將冷凝壓力平穩(wěn)的控制在經(jīng)濟區(qū)間運行。

（2）采用軟水作為蒸發(fā)式冷凝器夏季的冷卻介質(zhì)，可有效避免盤管結(jié)垢，確保冷卻散熱效果，以達(dá)到控制排氣壓力的需求。

（3）為保證蒸發(fā)式冷凝器換熱效率，每年4 月初水冷投運前使用新鮮生水對整套蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行循環(huán)1～2 d，將使用軟水結(jié)成的鹽垢沖凈后再繼續(xù)投運軟水。并在后續(xù)使用軟水過程中間歇采用新鮮水進(jìn)行循環(huán)沖洗，避免了長時間運行和氣溫升高導(dǎo)致的軟水結(jié)晶現(xiàn)象。

4 節(jié)能運行模式效果評價

4.1 節(jié)能運行實施前后運行情況對比

該處理廠于2020 年8 月以來，按照以上丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能方案實施，通過對脫油脫水裝置區(qū)丙烷制冷系統(tǒng)內(nèi)各項運行參數(shù)的精細(xì)控制，對比2019 年與2020 年工藝運行及能耗數(shù)據(jù)可以看出，2020 年該處理廠裝置區(qū)運行溫度普遍低于2019 年裝置區(qū)運行溫度，根據(jù)能耗影響因素分析，在同等條件下，運行溫度越低，丙烷制冷系統(tǒng)耗能將會增加。但在采取節(jié)能運行措施后，2020年8 月～11 月丙烷制冷系統(tǒng)耗電量由2019 年同期的20.406 8 kW·h/104m3下降至18.670 7 kW·h/104m3，天然氣水烴露點、脫烴脫水等均能滿足工藝運行要求[11-14]。

4.2 節(jié)能運行模式經(jīng)濟效益評價

在調(diào)整節(jié)能運行模式后，即2020 年8 月初開始運行，截止2020 年11 月與2019 年同期（8 月～11 月）數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，耗電量下降1.736 1 kW·h/104m3，約下降8.5%。該處理廠年天然氣處理量為44×108m3，預(yù)計全年按照丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能運行模式運行，全年將節(jié)約電量763 884 kW·h，按稅前電費單價0.41 元計算，預(yù)計將節(jié)約動力費31.32 萬元。

5 結(jié)論及建議

（1）蘇里格氣田處理廠丙烷壓縮機電機長時間運行載荷不足、電單耗較高，根據(jù)制冷量負(fù)荷的需求，并從經(jīng)濟角度考慮，調(diào)整并穩(wěn)定控制丙烷壓縮機組吸排氣壓力等運行參數(shù)，可節(jié)約電量。

（2）控制丙烷壓縮機組吸氣壓力不小于140 kPa，控制排氣壓力即冷凝壓力在923～988 kPa，控制丙烷蒸發(fā)器內(nèi)的丙烷儲量在50%～70%，此種運行模式較為經(jīng)濟節(jié)能。

（3）在夏季運行過程中，為確保丙烷電機的正常運行，如若蒸發(fā)式冷凝器冷卻效果不佳，應(yīng)考慮采用軟化水作為循環(huán)冷卻水，并在使用前及時對其進(jìn)行清洗，有效去除表面污垢，可提高冷卻效果。

（4）丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗潛能仍十分巨大，如不考慮成本問題，通過其他措施調(diào)整丙烷電機運行負(fù)荷，可在一定程度上達(dá)到節(jié)能降耗的目的。