國(guó)外某天然氣處理工廠蒸汽系統(tǒng)汽水平衡計(jì)算與分析

蘇海鵬，張懿君

（1.華油惠博普科技股份有限公司， 北京 100088）（2.陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安710043）

卡讓薩油田天然氣處理項(xiàng)目位于哈薩克斯坦阿克糾賓州巴伊卡尼斯地區(qū)，用以處理原料氣量為300×106Nm3/a，并回收體積含量為2%-3%H2S的石油伴生氣。處理后的氣體輸送至氣體收集站，進(jìn)行天然氣和凝液分離，并生產(chǎn)商品天然氣、液化石油氣、穩(wěn)定凝析油及硫磺產(chǎn)品[1-2]。硫磺回收采用超級(jí)克勞斯工藝，裝置運(yùn)行過程中除進(jìn)行硫回收外，還產(chǎn)生低壓蒸汽。在天然氣處理過程中，需要消耗大量的熱負(fù)荷用以加熱工藝介質(zhì)及設(shè)備和管線伴熱、采暖等[3-4]。如何將各裝置工藝設(shè)備用蒸汽和超級(jí)克勞斯裝置自產(chǎn)蒸汽的有效結(jié)合，設(shè)計(jì)一套技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能較高、滿足生產(chǎn)過程用蒸汽的蒸汽供熱系統(tǒng)，需要進(jìn)行精心規(guī)劃設(shè)計(jì)和計(jì)算。本文在結(jié)合該天然氣處理廠工藝裝置的設(shè)計(jì)過程，建立換熱裝置的蒸汽負(fù)荷計(jì)算模型和蒸汽鍋爐煙氣側(cè)與工質(zhì)側(cè)的熱平衡方程，對(duì)冬季、夏季和開工條件下的蒸汽供熱系統(tǒng)汽水平衡進(jìn)行了計(jì)算分析，為蒸汽供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供有效的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)類似工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 熱交換器計(jì)算模型及假設(shè)條件

該天然氣處理廠主要蒸汽用戶和蒸汽生產(chǎn)設(shè)備為天然氣凈化過程裝置、伴熱系統(tǒng)和超級(jí)克勞斯裝置、蒸汽鍋爐等。天然氣凈化裝置中主要用蒸汽設(shè)備有再生塔底重沸器、脫乙烷塔重沸器、脫丁烷塔重沸器等。天然氣凈化裝置首先通過HYSYS酸氣處理模型進(jìn)行計(jì)算，然后通過模型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行蒸汽負(fù)荷的計(jì)算[5]。硫磺回收裝置由三級(jí)克勞斯反應(yīng)器加一個(gè)超級(jí)克勞斯反應(yīng)器和三個(gè)過程氣加熱器、五級(jí)冷凝器及燃燒爐、余熱鍋爐、尾氣焚燒爐等組成，軟化水在余熱鍋爐和各級(jí)冷凝器殼程中與管程的過程氣進(jìn)行換熱產(chǎn)生低壓蒸汽[6]。硫磺回收在HYSYS和BRE ProMax工藝模擬的基礎(chǔ)上，通過搭建相應(yīng)的蒸汽負(fù)荷計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，以獲得工藝設(shè)備的蒸汽數(shù)據(jù)。需要伴熱的裝置主要有再生塔頂空冷器、再生氣空冷器、脫丁烷塔頂空冷器、硫磺回收單元泠凝器、管線等。由于蒸汽伴熱計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，本項(xiàng)目所需蒸汽消耗量采用參照或比照以往類似項(xiàng)目數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行確定，然后再擬合至整個(gè)系統(tǒng)中建立平衡模式。

在進(jìn)行蒸汽消耗的計(jì)算過程中，做出如下設(shè)定：（1）工藝裝置各個(gè)時(shí)期運(yùn)行過程中的熱損失不存在差別；（2）各工藝設(shè)備在相同的環(huán)境條件下，不因工藝設(shè)備外形尺寸的不同而存在差別；（3）假設(shè)余熱鍋爐和冷凝器的排污率為0；（4）克勞斯余熱鍋爐蒸汽參數(shù)為1.0MPa、184℃，冷凝器蒸汽參數(shù)為0.5MPa、152℃。

2 蒸汽系統(tǒng)模型的建立

在計(jì)算各工藝裝置用蒸汽負(fù)荷與硫磺回收裝置生產(chǎn)蒸汽負(fù)荷的基礎(chǔ)上，對(duì)蒸汽供熱系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。按照工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求，在進(jìn)行蒸汽鍋爐熱平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，分別建立了夏季、冬季和開工條件三種工況下各工藝裝置和輔助裝置蒸汽系統(tǒng)模型。

2.1 蒸汽鍋爐熱平衡方程

汽水系統(tǒng)的平衡計(jì)算依賴于蒸汽鍋爐、余熱鍋爐和冷凝器的煙氣、過程氣熱平衡和熱交換設(shè)備的汽水工質(zhì)熱平衡計(jì)算。上述余熱鍋爐和冷凝器、熱交換器等模型實(shí)際上已經(jīng)建立了熱平衡，這里就蒸汽鍋爐的熱平衡計(jì)算進(jìn)行論述。圖1和圖2分別為蒸汽鍋爐的燃料側(cè)熱平衡和工質(zhì)側(cè)平衡。

圖1 燃料側(cè)熱平衡

圖2 工質(zhì)側(cè)平衡

根據(jù)燃料側(cè)平衡（如圖1所示），鍋爐熱平衡和熱效率公式[7-8]。

由工質(zhì)側(cè)平衡（如圖2所示）可知：

式中：Ql—（鍋爐）輸出熱量，kW（kJ/s）；Dzq—飽和蒸汽額定蒸發(fā)量，kg/s；ibq—飽和蒸汽焓，kJ/kg；igs—給水焓，kJ/kg；r—汽化潛熱，kJ/kg；W—蒸汽濕度，%；Dpw—排污量，kg/s；Gbs—補(bǔ)水量，kg/s；ibs—飽和水焓，kJ/kg；

那么，由（式1～5），燃料側(cè)與工質(zhì)側(cè)的熱平衡公式：

通過建立的蒸汽鍋爐燃料側(cè)和工質(zhì)側(cè)的平衡方程，并結(jié)合上述余熱鍋爐和冷凝器、熱交換器等模型建立的熱平衡，在計(jì)算或假設(shè)蒸汽鍋的熱效率、排污率和排煙溫度等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個(gè)蒸汽系統(tǒng)汽水平衡的計(jì)算。

2.2 冬季汽水循環(huán)系統(tǒng)模型

冬季汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。由于冬季因?yàn)樾枰M(jìn)行采暖和消防水罐的蒸汽伴熱，根據(jù)上述工藝設(shè)備的蒸汽負(fù)荷模型計(jì)算結(jié)果，蒸汽系統(tǒng)在運(yùn)行鍋爐為三臺(tái)，硫磺回收裝置內(nèi)的余熱鍋爐和冷凝器處于正常運(yùn)行。

2.3 夏季汽水循環(huán)系統(tǒng)模型

夏季汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程如圖4所示。由于夏季不需要進(jìn)行采暖和消防水罐的蒸汽伴熱，根據(jù)上述工藝設(shè)備的蒸汽負(fù)荷模型計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)運(yùn)行蒸汽鍋爐為兩臺(tái)，停止其他蒸汽鍋爐的運(yùn)行，而硫磺回收裝置內(nèi)的余熱鍋爐和冷凝器為正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 開工運(yùn)行汽水循環(huán)系統(tǒng)模型

開工汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。由于開工階段需要先行啟動(dòng)蒸汽鍋爐系統(tǒng)，主工藝裝置上屬于非正常運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)上述工藝設(shè)備的蒸汽負(fù)荷模型計(jì)算結(jié)果，以及開工階段火炬消煙和煮爐的蒸汽需求，僅有兩臺(tái)蒸汽鍋爐運(yùn)行。該模型假設(shè)開工階段硫磺回收裝置未產(chǎn)生蒸汽及開工運(yùn)行不在冬季時(shí)段。

3 蒸汽系統(tǒng)汽水平衡計(jì)算及結(jié)果分析

圖3 冬季汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

圖4 夏季汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

圖5 開工汽水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)建立的蒸汽系統(tǒng)平衡方程和計(jì)算方法，蒸汽循環(huán)系統(tǒng)汽水平衡計(jì)算結(jié)果見表1。計(jì)算結(jié)果顯示，由于開工運(yùn)行階段，蒸汽消耗無法回收，這個(gè)時(shí)期系統(tǒng)的補(bǔ)水量比較大。工廠在冬季的蒸汽負(fù)荷最高，幾乎是夏季與開工時(shí)的兩倍，冬季全場(chǎng)蒸汽熱負(fù)荷占到了設(shè)計(jì)運(yùn)行熱負(fù)荷的85.3%，夏季和開工時(shí)的蒸汽熱負(fù)荷則僅為49.9%和54.5%。因此，若考慮到系統(tǒng)的熱損失，冬季只需要將鍋爐運(yùn)行在大約90%負(fù)荷下、夏季和開工時(shí)運(yùn)行在約55%～60%的負(fù)荷條件下，就能夠滿足工藝裝置的蒸汽負(fù)荷需要。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行的比對(duì)，表明汽水系統(tǒng)的平衡計(jì)算體現(xiàn)了設(shè)計(jì)與運(yùn)行的基本一致。

表1 蒸汽循環(huán)系統(tǒng)汽水平衡計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行系統(tǒng)汽水平衡計(jì)算過程中做了諸多假設(shè)，計(jì)算過程和方法仍然有改進(jìn)的地方。首先，忽略了工藝裝置各個(gè)時(shí)期運(yùn)行過程中的熱損失差別；其次，假設(shè)工藝設(shè)備在相同的環(huán)境條件下，不因設(shè)備外形尺寸的不同而存在熱損失差別；再次，未考慮蒸汽系統(tǒng)凝結(jié)水疏水的質(zhì)、熱損失；最后未考慮因給水處理運(yùn)行水平所引起的系統(tǒng)排污變化。

4 結(jié)語

天然氣處理廠蒸汽裝置是公用工程系統(tǒng)的重要組成部分和工藝裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型過程，筆者認(rèn)為：（1）克勞斯裝置蒸汽生產(chǎn)和消耗的計(jì)算是蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和重點(diǎn)，只有比較準(zhǔn)確的計(jì)算出克勞斯裝置的產(chǎn)汽量和蒸汽消耗量，才能夠比較準(zhǔn)確地進(jìn)行整個(gè)蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝置選型；（2）由于運(yùn)行環(huán)境存在的可能變化是計(jì)算過程無法預(yù)料的，因此，理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)將會(huì)存在一定的差距，需要充分考慮系統(tǒng)因運(yùn)行條件變化而帶來的損失，以確保供熱系統(tǒng)滿足工藝裝置的運(yùn)行需要；（3）由于克勞斯工藝本身比較復(fù)雜，通常比較不容易進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，因此，建立比較準(zhǔn)確的工藝模型和總結(jié)類似項(xiàng)目的有關(guān)數(shù)據(jù)，是進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)選型和計(jì)算有效保障。（4）克勞斯裝置蒸汽系統(tǒng)參數(shù)的確定與裝置的規(guī)模、酸氣量以及過程氣的溫度參數(shù)要很大的關(guān)系，蒸汽系統(tǒng)參數(shù)越高，克勞斯蒸汽裝置的腐蝕也越嚴(yán)重。

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