天然氣化工一體化系統(tǒng)的能量梯級利用分析

隋秀云 馬玉新 魯明

摘 要 能量梯級在天然氣化工一體化系統(tǒng)中的合理應(yīng)用可提高天然氣能源利用率，對天然氣化工一體化系統(tǒng)升級具備重要意義。本文分析天然氣化工一體化系統(tǒng)能量梯級的利用，介紹能量梯級的利用原則，研究一體化蒸汽系統(tǒng)中能量梯級的利用方式，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞 天然氣;化工一體化;能量梯級

引言

天然氣化工一體化系統(tǒng)具備規(guī)模大、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)鏈長等特點，在系統(tǒng)運行過程中存在巨大的節(jié)能潛能。循環(huán)經(jīng)濟背景下，行業(yè)將能量梯級的概念融入化工一體化系統(tǒng)當(dāng)中，對蒸汽進行分品位梯度利用，以促進化工行業(yè)朝向低碳化、可循環(huán)化發(fā)展。

1天然氣化工一體化系統(tǒng)的能量梯級利用原則

能量的最大限度利用需盡可能避免利用過程中發(fā)生能源浪費后損失，能量梯級即依照能量的品位不同，分層次將其應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，直到無法再利用為止?？偨Y(jié)來說，天然氣化工一體化系統(tǒng)的能量梯級利用包括兩項原則。第一，能量的合理利用。在確保能量利用經(jīng)濟效益的情況下，盡可能降低能量供需之間的級差，避免利用過程中不可逆?損。第二，能量的有效利用。借助一定的先進工藝技術(shù)，確保能量得到最大限度的應(yīng)用，獲取最高的綜合效益。一般依照如下規(guī)律安排能量利用方案：先動力后工藝、先高溫后低溫、先工業(yè)后生活，按照不同用途對能量質(zhì)量及數(shù)量要求進行分析，確保每一部分能量均得到有效利用[1]。

天然氣化工一體化系統(tǒng)能量以蒸汽的狀態(tài)存在，蒸汽被利用之后，可降級循環(huán)使用，提升循環(huán)次數(shù)即可顯著提高能量利用效率。在使用依靠蒸汽進行加熱的設(shè)備時，需根據(jù)設(shè)備耗能特點，對應(yīng)蒸汽品位，高品位蒸汽應(yīng)盡量提高其利用次數(shù)，充分挖掘能量資源。

2天然氣化工一體化系統(tǒng)的能量梯級利用方案

2.1 蒸汽能級及品位分析

（1）能級分析

蒸汽能量分析目的是對能量損耗的屬性、規(guī)律、大小等進行明確，為能量利用率的提高提供理論參考。蒸汽能量分析方法包括以下三種：一是能分析，以熱力學(xué)第一定律為核心原理，通過分析表明能量發(fā)生轉(zhuǎn)換、傳遞、利用、損耗時的具體情況，最終確定某一系統(tǒng)的能量利用率。二是?分析，以熱力學(xué)第一定律及第二定律為核心原理，通過分析表明能量?發(fā)生轉(zhuǎn)換、傳遞、利用及損耗時的具體情況，最終確定某一系統(tǒng)?的利用率。三是能級分析，以熱力學(xué)第一定律與第二定律為核心原理，明確能量利用過程中，質(zhì)量及數(shù)量的變化情況，判斷是否處于合理范圍。對比以上三種能量分析方法，?的分析可實現(xiàn)質(zhì)量與數(shù)量分析的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，由此得出的分析結(jié)果較焓分析更為全面、深入。

（2）品位分析

天然氣化工一體化系統(tǒng)中，蒸汽是最主要的能源介質(zhì)，長期以來受重視程度較低，存在較高的能量浪費。能量梯度利用概念被提出后，系統(tǒng)中的蒸汽能源被充分開發(fā)，提高該部分能源的利用率及使用效率，隨之而來的經(jīng)濟效益非?？捎^。

蒸汽品位可通過公式λ=熱力系統(tǒng)有效能/熱力系統(tǒng)能獲得。其中有效能即為?，該參數(shù)既表示能量的數(shù)量，又可反映能量的可利用率。蒸汽參數(shù)與其品位之間正相關(guān)，即參數(shù)越高、品位越大，有效能也越大。例如，低壓液態(tài)水的品位一般為0;隨溫度及壓力的上升，飽和蒸汽的品位逐漸上升。在蒸汽能量梯度利用過程中，除數(shù)量損失外，還需關(guān)注其品位損失，避免引發(fā)能量浪費。

2.2 傳統(tǒng)蒸汽調(diào)壓

傳統(tǒng)蒸汽調(diào)壓方式包括節(jié)流減壓和引射減壓兩種。其中，節(jié)流減壓借助減壓閥對蒸汽流量進行調(diào)控，在節(jié)流閥閉緊的過程中，通過縮小截面引發(fā)壓力降調(diào)節(jié)蒸汽壓力大小。在以上過程中，減壓導(dǎo)致的摩擦及渦流改變分子運動秩序，熵值增加，引發(fā)能量損失。經(jīng)節(jié)流減壓方式處理后的蒸汽為過熱蒸汽，其溫度不穩(wěn)，加熱難以控制，為滿足化工生產(chǎn)所需，需要對蒸汽進行降溫處理，形成飽和蒸汽。引射減壓核心設(shè)備為蒸汽噴射器，借助高品位蒸汽對低品位蒸汽或水加壓，使其參數(shù)達到所需標(biāo)準(zhǔn)。該加壓過程高品位蒸汽的熵值上升，低品位蒸汽?值上升。

綜合以上兩種蒸汽減壓方式，考慮減壓過程中蒸汽?值會發(fā)生較大損失，因此決定以蒸汽差壓發(fā)電的方式，提高蒸汽減壓過程中能量的利用率。

2.3 化工一體化熱電聯(lián)產(chǎn)蒸汽減壓

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯，供熱質(zhì)量高，當(dāng)蒸汽減壓需求較高時，即可利用蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)對蒸汽進行分級處理，實現(xiàn)蒸汽分品位梯度利用，提升能源使用效率。

天然氣化工一體化系統(tǒng)中甲醇、甲醛、硝酸、PVC等裝置能夠滿足電熱聯(lián)產(chǎn)條件，選用背壓式汽輪機組進行發(fā)電。對比汽輪機組電熱聯(lián)產(chǎn)過程與節(jié)流減壓及引射減壓過程的能量利用情況，在天然氣化工一體化系統(tǒng)中，蒸汽節(jié)流減壓過程導(dǎo)致蒸汽品位降低，由此產(chǎn)生的能量損耗非常高;引射減壓過程蒸汽能量的效果雖然低于節(jié)流減壓過程，控溫及控壓效果更突出，但在節(jié)能降耗方面依然不夠理想[2]。當(dāng)使用被壓實汽輪機組電熱聯(lián)產(chǎn)方式進行蒸汽減壓時，過程中總能量損失要明顯低于節(jié)流減壓及引射減壓，能量損耗降幅在25%～30%，能量利用率大幅度上升。因此在天然氣化工一體化能量梯級利用中，應(yīng)優(yōu)先選取背壓式汽輪機組進行蒸汽減壓的方案。

3結(jié)束語

天然氣化工一體化系統(tǒng)中能量梯級利用優(yōu)化過程非常復(fù)雜，需要配合大量的研究和計算。目前有關(guān)能量梯級利用的研究成果還不完善，但隨著可持續(xù)發(fā)展理念、循環(huán)經(jīng)濟的深入，能量梯級利用將成為化工一體化系統(tǒng)優(yōu)化的必然趨勢。充分開發(fā)天然氣化工一體化中的蒸汽資源，提升整個一體化系統(tǒng)能源利用效率。

參考文獻

[1] 張彬.石油化學(xué)工業(yè)煉油化工一體化技術(shù)發(fā)展探析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（20）：235-236.

[2] 彭達，肖富森，冉崎，等.基于傾角導(dǎo)向梯度能量熵的斷層檢測方法[J].石油地球物理勘探，2019，54（1）：191-197，12.