天然氣凈化廠蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

陳世明　王 軍　王 毅

中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠

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天然氣凈化廠蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

陳世明王 軍王 毅

中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠

針對(duì)部分凈化廠鍋爐燃料氣消耗量大、凝結(jié)水回收率低、蒸汽放空量大、蒸汽凝結(jié)水現(xiàn)場(chǎng)跑冒滴漏等現(xiàn)狀，重慶天然氣凈化總廠從對(duì)鍋爐清灰、根據(jù)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整蒸汽量、定期檢查保溫效果等方面加強(qiáng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理；從加強(qiáng)蒸汽熱量交換、低品質(zhì)凝結(jié)水回收利用等方面進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，這些節(jié)能措施是可行的。另外，通過(guò)燃料氣消耗量、凝結(jié)水回收率等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集可看出蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)還有進(jìn)一步節(jié)能的空間，可以從進(jìn)一步減少泄漏、提高凝結(jié)水回收率、保障蒸汽凝結(jié)水品質(zhì)等方面對(duì)蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能挖潛。

天然氣凈化廠蒸汽凝結(jié)水節(jié)能技術(shù)

水蒸氣是企業(yè)最常見(jiàn)的二次能源，蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)是保障企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，它能實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)所需要的換熱、伴熱、機(jī)械驅(qū)動(dòng)力、補(bǔ)水、吹掃以及采暖功能。實(shí)際上，它是企業(yè)能量流的最大交換平臺(tái)。另外，蒸汽凝結(jié)水具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，比如蒸汽十分清潔、生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、相變潛力比較大，并且蒸汽的溫度和壓力一一對(duì)應(yīng)，控制了蒸汽壓力就相當(dāng)于控制了蒸汽溫度，有利于日常生產(chǎn)操作參數(shù)的精確控制，凝結(jié)水的回收利用可以節(jié)約新鮮水用量、節(jié)約水處理費(fèi)等。因此，蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行及節(jié)能降耗影響極大。

重慶天然氣凈化總廠(以下簡(jiǎn)稱(chēng)總廠)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、天然氣凈化工藝等在天然氣凈化行業(yè)比較有代表性，以下就以總廠生產(chǎn)裝置為例對(duì)天然氣凈化廠蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行探討。

天然氣凈化裝置均設(shè)置有鍋爐單元，為全廠提供蒸汽，并回收凝結(jié)水再利用。蒸汽在天然氣凈化廠主要用于脫硫裝置再生塔重沸器熱源，液硫管道的夾套保溫，過(guò)程氣、酸氣等管道及設(shè)備的伴熱保溫，硫磺回收裝置主燃燒爐降溫、液硫池加熱保溫，以及液硫脫氣系統(tǒng)的蒸汽噴射器動(dòng)力等。

1　蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)工藝描述

凈化廠蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程基本相同(見(jiàn)圖1)，大致為：新鮮水首先進(jìn)入過(guò)濾裝置，去除懸浮物和其他雜質(zhì)；然后通過(guò)樹(shù)脂交換器，水中的Ca2+、Mg2+被樹(shù)脂吸附，同時(shí)交換釋放Na+，得到除鹽水；再后由除鹽水泵送至熱力除氧器或真空除氧裝置，使水中的氧濃度達(dá)到規(guī)定指標(biāo)后，經(jīng)除氧水泵送至凝結(jié)水回收罐；最后與裝置回收的凝結(jié)水一起通過(guò)鍋爐給水泵送入鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽由蒸汽主管送入各用戶。為保證爐水水質(zhì)，還設(shè)置了定期排污和連續(xù)排污，定期排污水進(jìn)入定期排污擴(kuò)容器，二次蒸汽排入大氣；連續(xù)排污水進(jìn)入連續(xù)排污擴(kuò)容器擴(kuò)容，二次蒸汽回收進(jìn)入除氧器再利用，污水均排入污水池。

2　蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1鍋爐燃料氣消耗量大及凝結(jié)水回收率低

總廠所屬分廠均設(shè)有鍋爐單元，共有18臺(tái)鍋爐，總額定蒸發(fā)量144 t/h。對(duì)2012～2014年鍋爐單元燃料氣消耗量及蒸汽產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1、表2。

表1 總廠鍋爐單元2012～2014年蒸汽產(chǎn)量與燃料氣消耗量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table1 Boilerunitstatisticsfrom2012to2014分廠單臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)模/(t·h-1)數(shù)量/臺(tái)2012年2013年2014年年蒸汽產(chǎn)量/104t年燃料氣消耗量/104m3年蒸汽產(chǎn)量/104t年燃料氣消耗量/104m3年蒸汽產(chǎn)量/104t年燃料氣消耗量/104m3分廠一10311.89906.411.68888.012.02925.9分廠二1523.24309.13.50324.23.29283.8分廠三833.36304.33.51283.83.44285.9分廠四433.42246.53.46244.13.55265.3分廠五826.30353.44.76336.95.42326.2分廠六1035.75559.16.41640.68.43844.1分廠七120.5637.40.6839.60.6236.8

表2 總廠鍋爐單元2012～2014年生產(chǎn)單位蒸汽的燃?xì)庀臄?shù)據(jù)分析表Table2 Boilerunitdataanalysisfrom2012to2014分廠2012年2013年2014年生產(chǎn)單位蒸汽的燃料氣消耗/(m3·t-1)凝結(jié)水回水率/%生產(chǎn)單位蒸汽的燃料氣消耗/(m3·t-1)凝結(jié)水回水率/%生產(chǎn)單位蒸汽的燃料氣消耗/(m3·t-1)凝結(jié)水回水率/%分廠一76.2324.076.0327.077.0332.6分廠二95.4054.492.6361.886.2669.8分廠三90.5772.580.8567.683.1158.6分廠四72.0882.570.5583.774.7372.3分廠五56.1070.070.7871.060.1872.4分廠六97.2385.699.9480.0100.1382.2分廠七66.7946.458.2470.659.3571.0平均值79.262.278.465.977.365.5

由表2可知，總廠生產(chǎn)單位蒸汽的燃料氣消耗3年平均值均為78 m3/t左右，與理論計(jì)算值80 m3/t相當(dāng)，但分廠二、分廠三、分廠六生產(chǎn)單位蒸汽鍋爐燃料氣消耗量卻偏高較多?？倧S凝結(jié)水回收率3年平均值均為65%左右，依據(jù)SY/T 6836-2011《天然氣凈化裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》，可評(píng)價(jià)為合格。但除分廠四、分廠六回收率高于80%，基本達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行外，其他凈化廠凝結(jié)水回收率均偏低，特別是分廠一的回收率只有20%左右，評(píng)價(jià)為不合格。因此，各分廠在蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)方面具有較大的節(jié)能潛力。

2.2蒸汽排空量大及現(xiàn)場(chǎng)跑冒滴漏

蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行異常，如凝結(jié)水回水器壓力偏高導(dǎo)致除氧器大量蒸汽排空；蒸汽保溫效果不好，需打開(kāi)甩頭現(xiàn)場(chǎng)排放蒸汽，導(dǎo)致浪費(fèi)蒸汽，凝結(jié)水不能全部回收；裝置低負(fù)荷運(yùn)行，鍋爐產(chǎn)蒸汽富余，部分蒸汽放空等。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研分析，主要存在以下3種原因：①疏水閥失效，蒸汽進(jìn)入凝結(jié)水管線，造成凝結(jié)水回水器壓力偏高；②部分夾套管線配管存在，如蒸汽從夾套管底部引入，凝結(jié)水從夾套管上部引出，疏水排凝管太小等問(wèn)題，降低疏水效果；③法蘭密封面泄漏、管線腐蝕穿孔、甩頭閥門(mén)內(nèi)漏等造成蒸汽凝結(jié)水跑冒滴漏。

3　節(jié)能措施

3.1節(jié)能經(jīng)濟(jì)管理

(1) 利用裝置大修期間，對(duì)鍋爐進(jìn)行清灰，提高鍋爐熱效率。

(2) 根據(jù)裝置蒸汽用量的變化，及時(shí)調(diào)整鍋爐負(fù)荷，避免蒸汽浪費(fèi)，降低燃料氣消耗。

(3) 定期檢查蒸汽閥和疏水閥，及時(shí)更換失效疏水閥，減少蒸汽泄漏和避免蒸汽進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，提高凝結(jié)水回用率。

(4) 加強(qiáng)蒸汽凝結(jié)水管線保溫效果的監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)保溫效果不好的設(shè)備管段進(jìn)行保溫材料的更換，保證保溫效果。

3.2技術(shù)改造

(1) 分廠四鍋爐單元增加一臺(tái)“收能器”，將除氧器產(chǎn)生的高溫蒸汽預(yù)熱軟水，提高鍋爐給水溫度，降低鍋爐燃料氣消耗，同時(shí)回收除氧器產(chǎn)生的高溫蒸汽熱量。年節(jié)約燃料氣0.6×104m3、節(jié)約水0.1×104t，年節(jié)約費(fèi)用0.72萬(wàn)元。

(2) 分廠六將硫磺回收裝置產(chǎn)生的0.1 MPa低低壓蒸汽引射為0.45 MPa的低壓蒸汽供裝置使用，提高低低壓蒸汽回用率，同時(shí)降低了鍋爐的負(fù)荷，使鍋爐從改造前的兩用一備變成一用兩備。減少了鍋爐的燃料氣消耗。實(shí)施優(yōu)化措施后，每處理1×104m3原料天然氣(H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)，綜合能耗由1 406.65 MJ降為最低約1 045.05 MJ。

(3) 分廠五將廢熱鍋爐給水泵冷卻形式由原來(lái)的噴淋式改為循環(huán)水密閉循環(huán)冷卻式，改造后年節(jié)約新鮮水2.5×104t，節(jié)水效益約為4萬(wàn)元。同時(shí)，降低了柱塞結(jié)垢快速磨損柱塞密封填料情況發(fā)生機(jī)率，降低了設(shè)備維修成本，另外實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水“零泄漏”。

(4) 硫磺回收單元凝結(jié)水罐回收凝結(jié)水產(chǎn)生的二次蒸汽從頂部排空，造成大量的熱量損失。另外，在凝結(jié)水罐溫度較低時(shí)，有可能空氣進(jìn)入凝結(jié)水罐甚至溶于凝結(jié)水，造成凝結(jié)水系統(tǒng)氧腐蝕。分廠六對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后能減少蒸汽排空，并能降低凝結(jié)水中溶解氧。具體改造見(jiàn)圖2～圖3。

改造后，凝結(jié)水罐的氧腐蝕現(xiàn)象得到了有效控制，其凝結(jié)水溶解氧濃度明顯降低(見(jiàn)圖4)。

4　節(jié)能技術(shù)優(yōu)化及潛力分析

4.1選用正確的和及時(shí)更換壞的疏水閥

目前，疏水閥主要有機(jī)械式、熱靜力式、熱動(dòng)力式等，不同形式的疏水閥適合不同的使用場(chǎng)合，凈化廠應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝、使用場(chǎng)合等來(lái)選擇合適的疏水閥，比如在蒸汽管道的疏水選用倒置桶式疏水閥，在伴熱管道上選用熱靜力式疏水閥等來(lái)提高疏水效果。

另外，疏水閥需要定期檢測(cè)維護(hù)，保障其疏水效果。目前，有專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)儀器可以對(duì)疏水閥進(jìn)行在線檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)疏水閥失效，應(yīng)立即更換。從表3可以看出，疏水閥失效將會(huì)導(dǎo)致較大的蒸汽泄漏[2]。

表3 0.7MPa下疏水閥失效蒸汽泄漏量統(tǒng)計(jì)表Table3 Steamleakagestatisticsofdrainvalvefailureat0.7MPa疏水閥閥嘴尺寸/英寸每月蒸汽泄漏量/kg每月?lián)p失價(jià)值量/元1/2379090348763/8213380196311/49534087711/8238352193 注:1英寸=25.4mm。

4.2鍋爐節(jié)能改造

隨著總廠原料氣處理量的減少和氣質(zhì)的變化，配套鍋爐房的規(guī)模已不能與目前的工藝需求相匹配，導(dǎo)致鍋爐效率低，排煙溫度高，能耗較大。對(duì)于建設(shè)年限較長(zhǎng)的天然氣凈化廠，該現(xiàn)象尤為突出，如分廠一鍋爐熱效率為50%～70%，分廠四鍋爐熱效率為70%～80%，均低于鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)域80%～90%；分廠一中壓鍋爐排煙溫度為393 ℃，低壓鍋爐排煙溫度為210 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中規(guī)定的170 ℃。因此，對(duì)分廠一、分廠四的鍋爐進(jìn)行節(jié)能改造顯得相當(dāng)有必要，即將分廠一的2臺(tái)中壓鍋爐更換為2臺(tái)低壓鍋爐，并更換1臺(tái)低壓鍋爐；將分廠四的3臺(tái)鍋爐更換為2臺(tái)鍋爐，通過(guò)節(jié)能改造，提高鍋爐熱效率，降低鍋爐能耗。改造后，預(yù)計(jì)年節(jié)能2 600 t標(biāo)煤，年節(jié)氣效益為450萬(wàn)元左右，節(jié)電效益為15萬(wàn)元左右，投資回報(bào)期約為2.5年。

4.3合理的設(shè)計(jì)

4.3.1合適的蒸汽管道流速

蒸汽管道管徑設(shè)計(jì)偏小，管內(nèi)流速過(guò)大，導(dǎo)致蒸汽壓降大，用汽點(diǎn)蒸汽品質(zhì)下降，最終消耗更多的蒸汽。當(dāng)蒸汽需求大幅度減少時(shí)，管內(nèi)蒸汽流速會(huì)降低，熱損增大，導(dǎo)致大量的蒸汽直接轉(zhuǎn)變成凝結(jié)水，降低蒸汽利用率。因此，設(shè)計(jì)合適的管徑和根據(jù)蒸汽負(fù)荷的變化對(duì)蒸汽管線進(jìn)行適應(yīng)性改造是有必要的。

分廠二單臺(tái)鍋爐蒸汽出口管徑為DN200，蒸汽匯管管徑為DN250，單臺(tái)鍋爐額定蒸發(fā)量為15 t/h，實(shí)際蒸汽量約為8 t/h。通過(guò)計(jì)算得到管道蒸汽流速為18 m/s，滿足《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》和HG/T 20570.6-1995《管徑選擇》中的流速規(guī)定(15～40 m/s)。但隨著原料氣處理量的降低，蒸汽用量也隨之減少。目前，蒸汽用量為3.8～4.2 t/h，通過(guò)計(jì)算得到蒸汽最低流速僅為8.7 m/s，蒸汽流速偏低，將會(huì)導(dǎo)致熱損增大，建議更換部分蒸汽管線。

4.3.2合理的疏水設(shè)計(jì)

蒸汽管道的疏水特別重要，如果凝結(jié)水不能正常排出，就會(huì)沖擊沿線的閥門(mén)、儀表、彎頭等，造成設(shè)備損壞，降低設(shè)備使用壽命，同時(shí)會(huì)造成蒸汽帶水而降低換熱器的換熱效果。因此，蒸汽主管沿線平均間隔30～50 m應(yīng)設(shè)置排水點(diǎn)，且排水點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，如果排凝管太小，大量的凝結(jié)水來(lái)不及排出就被送往下游，排水效果差(見(jiàn)圖5)。

近年來(lái)，總廠大部分裝置蒸汽用量隨著原料氣處理量的降低而減少，但蒸汽管線沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的改造，特別是分廠一、分廠二目前蒸汽負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的30%左右，蒸汽流速偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致大量的蒸汽直接轉(zhuǎn)變成凝結(jié)水，如果不及時(shí)排出將嚴(yán)重影響保溫效果。針對(duì)這種現(xiàn)狀，建議設(shè)置大口徑集水管將主管線內(nèi)的凝結(jié)水全部收集，然后由疏水閥排出，優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。另外，龍門(mén)架管線的凝結(jié)水需要在管線爬升前排出，否則會(huì)出現(xiàn)“喉部限流”現(xiàn)象，造成壓降增加(見(jiàn)圖7)。

4.3.3減少不凝氣的設(shè)計(jì)

蒸汽中的不凝性氣體主要是空氣，其可以從疏水閥、閥門(mén)密封墊、排氣閥等地方進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)，如果未能及時(shí)排出，空氣在熱傳導(dǎo)表面就會(huì)形成一個(gè)絕熱層，橫在蒸汽和金屬表面之間，降低熱傳導(dǎo)速率，導(dǎo)致蒸汽溫度降低或者增加燃料氣消耗。所以，排出蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)中的空氣是相當(dāng)有必要的。

目前，凈化廠主要是通過(guò)熱力除氧器頂部排氣孔對(duì)氧氣及其他不凝氣進(jìn)行排放，但有些凈化廠由于除氧器安裝高度、除氧器類(lèi)型的限制或由于蒸汽管網(wǎng)太過(guò)龐大，而無(wú)法排盡管網(wǎng)里面的不凝氣。因此，建議凈化廠在蒸汽管線的高點(diǎn)設(shè)置排氣孔，通過(guò)手動(dòng)閥或自動(dòng)閥控制對(duì)不凝氣進(jìn)行排放。

4.4凝結(jié)水的凈化再利用

在生產(chǎn)中，通常認(rèn)為凝結(jié)水是潔凈的，可直接回收再利用。但實(shí)際上，凝結(jié)水往往含有過(guò)量的鐵離子、油類(lèi)污染物、固體顆粒以及因設(shè)備滲漏、竄漏等問(wèn)題導(dǎo)致溶液進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)。若凝結(jié)水中的鐵離子濃度較高，就會(huì)加速鍋爐內(nèi)金屬的電化學(xué)腐蝕。另外，在鍋爐高溫受熱面上容易生成氧化鐵垢，影響傳熱，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵管甚至爆管，嚴(yán)重威脅鍋爐的安全運(yùn)行。

凝結(jié)水中的油類(lèi)污染物主要危害有：①油類(lèi)物質(zhì)會(huì)附在鍋爐管壁上，影響傳熱；②會(huì)使鍋爐水形成泡沫且極易生成漂浮的水渣，降低蒸汽品質(zhì)；③油類(lèi)物質(zhì)在鍋爐中容易發(fā)生高溫分解酸化，威脅設(shè)備安全。

5　結(jié) 語(yǔ)

重慶天然氣凈化總廠針對(duì)蒸汽及凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題所采取的節(jié)能經(jīng)濟(jì)管理和技術(shù)改造等節(jié)能措施是有效的。另外，可看出蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)還有較大的節(jié)能潛力：①首先應(yīng)從裝置設(shè)計(jì)出發(fā)，保證正確的蒸汽管徑，疏水距離、位置、管徑等設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保能耗損失最小；②在日常生產(chǎn)中，要及時(shí)檢查、更換壞的疏水閥，減少蒸汽泄漏量，提高凝結(jié)水回收率；③針對(duì)蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)開(kāi)展技術(shù)節(jié)能改造。凈化廠作為生產(chǎn)單位，應(yīng)把及時(shí)檢查、更換壞的疏水閥，對(duì)鍋爐清灰，根據(jù)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整蒸汽量，定期檢查保溫效果等作為重點(diǎn)工作，從日常生產(chǎn)管理中降低燃料氣、蒸汽消耗，提高凝結(jié)水回收率，這是最直接的節(jié)能措施。同時(shí)，凈化廠應(yīng)加強(qiáng)能源消耗數(shù)據(jù)的收集、分析，提出相應(yīng)的整改建議措施，并利用裝置大修期間，對(duì)蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

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Discussion on energy saving technology of steam and condensate system in natural gas purification plant

Chen Shiming， Wang Jun， Wang Yi

(ChongqingNaturalGasPurificationPlantGeneral，PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chongqing401259，China)

Aiming at operating problems such as large consumption of boiler fuel gas, low recovery rate of condensate, large amount of steam venting, and field leaking water of steam condensate, etc., Chongqing Natural Gas Purification Plant General strengthened the economical operation and management of energy-saving through cleaning the boilers, timely adjusting the steam volume according to the load variation, as well as checking the insulation effect regularly. Besides, energy saving technical reconstruction, including enhancing the steam heat exchange and low quality water recycling, were carried out. The field practice showed that the energy saving measures were feasible and effect. In addition, the field data of fuel gas consumption and condensate recovery rate indicated that there were further energy-saving space for the steam condensate system, and the energy-saving potential in steam and condensate system could be achieved by further reducing the leakage, improving the condensate recovery and guaranteeing the quality of steam condensate.

natural gas purification plant, steam, condensate, energy saving technology

陳世明(1984-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠，從事天然氣凈化工藝技術(shù)和能源管理工作。E-mail：chen_shiming@petrochina.com.cn

TE683

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.022

2016-01-08；編輯：鐘國(guó)利