忠縣天然氣凈化廠低負荷下公用輔助裝置優(yōu)化運行研究

夏林 曾強 許佳樂 黎娜

中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠

忠縣天然氣凈化廠(以下簡稱凈化廠)設(shè)計生產(chǎn)能力為600×104m3/d,操作彈性為40%～100%,由兩套300×104m3/d的主體裝置、一套公用工程系統(tǒng)和生產(chǎn)輔助裝置組成。主體裝置包括:原料氣過濾分離單元、脫硫脫碳單元、脫水單元、硫磺回收單元。輔助生產(chǎn)設(shè)施包括:硫磺成型裝置、污水處理裝置、火炬及放空裝置、消防裝置、分析化驗室、維修設(shè)施、庫房及綜合樓等。公用工程部分:新鮮水系統(tǒng)、鍋爐給水及蒸汽系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、空氣氮氣系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)[1-2]。隨著川渝地區(qū)天然氣開采量的下降,天然氣凈化廠原料氣處理量逐年降低,裝置負荷率逐漸降低,特別是近幾年來,單套主裝置的負荷長期在40%～60%運行,不僅造成水電氣單耗增高,還對公用輔助裝置造成一定的影響[3-7]。

1 低負荷工況對裝置的影響

1.1 低負荷對重要動設(shè)備的影響

(1)循環(huán)水泵:主體裝置單套低負荷運行,200 m3/h循環(huán)冷卻水即可滿足日常生產(chǎn)。若循環(huán)水泵流量(額定流量400 m3/h)長期維持50%左右的負荷運行,不僅導(dǎo)致泵單耗增加,還會造成設(shè)備憋壓事件,影響設(shè)備的安全平穩(wěn)運行。同時,泵的富裕能量較多,沒有得到充分的回收利用,造成能源浪費[5]。

(2)鍋爐燃燒機:主體裝置單套低負荷運行,整個裝置所用的蒸汽量較設(shè)計偏低,實際鍋爐負荷長期處于單臺鍋爐負荷的20%左右運行,大功率的燃燒機低負荷運行不僅導(dǎo)致燃燒機故障率高,而且造成高耗低效的狀況。

1.2 低負荷運行對凈化工藝的影響

1.2.1 對污水處理裝置的影響

污水處理裝置采用生物接觸氧化法工藝,設(shè)計處理量為20 m3/h,進水COD 值為200～600 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度≤50 mg/L。污水經(jīng)氣浮、厭氧、好氧、沉淀、過濾工藝使油含量、懸浮物含量和COD 值等指標(biāo)達到國家和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的環(huán)保要求后,用于廠區(qū)綠地、道路和場地的澆灑,或排至廠外附近水體,以節(jié)約用水、保護環(huán)境。每年裝置檢修產(chǎn)生的高含量污水量為600～800 m3,為確保污水處理裝置連續(xù)運行,使得污水處理裝置長期低負荷運行。近幾年,污水處理裝置污水處理量為9 m3/h,進水COD 值為100～200 mg/L,造成微生物活性偏低,裝置處理污水的能力下降[8]。當(dāng)需要提高進水含量,加大污水處理量,加快污水處理進度時,又受限于活性污泥含量低的影響,易導(dǎo)致外排水水質(zhì)超標(biāo)。

1.2.2 對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)水量為400 m3/h,由于主裝置長期單套低負荷運行,造成循環(huán)水泵的50%負荷即可滿足生產(chǎn)需要,富裕能量得不到充分有效的利用,能耗偏高[9]。整個循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)仍然按照標(biāo)準(zhǔn)控制,裝置低負荷運行造成化工原材料緩蝕緩垢劑、殺菌滅藻劑的單耗明顯增加[8]。

1.2.3 對鍋爐蒸汽系統(tǒng)的影響

凈化廠鍋爐蒸汽系統(tǒng)設(shè)計鍋爐為WNS15-1.25-YQ 型,配備640 ZM RT 敦威燃燒機。由于主裝置長期單套低負荷運行,僅需2～3 t蒸汽即可滿足生產(chǎn)需要,實際鍋爐負荷長期處于單臺鍋爐的負荷20%左右運行,造成鍋爐燃燒機效率低下,能耗偏高的狀況[3]。

2 優(yōu)化措施

針對以上低負荷工況對裝置的運行影響分析,結(jié)合實際生產(chǎn)情況,優(yōu)化工藝操作,以達到裝置平穩(wěn)經(jīng)濟運行的目的,主要采取了如下措施。

2.1 污水處理裝置管理操作優(yōu)化

凈化廠污水處理裝置采用生物接觸氧化的工藝處理方法,利用微生物的新陳代謝作用,使污水中呈溶解狀態(tài)的有機污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無害物質(zhì)。污水經(jīng)氣浮、厭氧、好氧、沉淀、過濾等水處理工藝使油含量、懸浮物含量和COD 值等指標(biāo)達到國家和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的環(huán)保要求后外排或者用于廠區(qū)綠地、道路和場地的澆灑,以節(jié)約用水、保護環(huán)境,其工藝流程圖見圖1。

2.1.1 精確勾兌水

凈化廠污水主要包括生產(chǎn)污水和生活污水,生產(chǎn)污水又包括檢修污水和日常生產(chǎn)污水。檢修污水主要是凈化廠停產(chǎn)檢修時產(chǎn)生的含MDEA、TEG 以及微量烴類、固體雜質(zhì)、懸浮物和少量硫化物的高含量污水。日常生產(chǎn)污水包括循環(huán)水排污水、鍋爐排污水、廢熱鍋爐及各級硫冷器排污水、場地沖洗水等清潔廢水。由于原設(shè)計的污水調(diào)配池容積小(20 m3)、進水含量變化大、進水管線大且無計量等原因造成不能準(zhǔn)確勾兌水,為確保生化池微生物活性及外排污水水質(zhì)達標(biāo),凈化廠每月分析污水池內(nèi)污水含量后,通過配水泵轉(zhuǎn)入生產(chǎn)污水池進行勾兌水。生產(chǎn)污水池采用“一用一備”的模式,即一個池蓄水,一個池處理水。每天分別通過配水泵和生活污水提升泵,向蓄水池內(nèi)轉(zhuǎn)入一定量高含量檢修污水和生活污水進行調(diào)配,同時將部分外排水回流至蓄水池內(nèi)進行稀釋。當(dāng)生產(chǎn)污水池液位處理至30%～35%且蓄水池液位達到90%～95%時,切換生產(chǎn)污水池進行處理。根據(jù)原水池化驗分析顯示的污水含量,進而控制配水泵運行時間來實現(xiàn)精確勾兌水。

表1 檢修污水配水時間表

2.1.2 精細生化池操作

由于微生物除磷不徹底,而且微生物活性影響因素多等特點,凈化廠結(jié)合實際水質(zhì),摸索總結(jié)出污水處理裝置低負荷情況下的操作要點。

(1)向沉淀池適量投加絮凝劑進行污水除磷[10-12]。在其他工藝參數(shù)相同的前提下,探索凈化廠污水水質(zhì)的化學(xué)除磷方案,考察絮凝劑投加量。從表2得出,凈化廠的絮凝劑加藥量為1.12%(w)相對較好。

表2 相同條件下不同加藥量的除磷效率匯總表

(2)嚴(yán)格控制調(diào)節(jié)池水質(zhì)[13-14]。與原設(shè)計相比,調(diào)節(jié)池污水增加了石油類、硫化物、總磷、p H 值等工藝指標(biāo)(見表3),更加嚴(yán)格控制進生化池污水水質(zhì),確保生化池微生物活性及效率,從而確保外排水穩(wěn)定達標(biāo)。

表3 調(diào)節(jié)池工藝控制指標(biāo) ρ/(mg·L-1)

(3)明確生化池工藝控制指標(biāo)及日常操作[15-16]。在不斷摸索總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,相對于設(shè)計,更加明確了污泥沉降比、污水回流率控制范圍,量化了排污量(見表4),更有助于員工的日常操作和管理。

表4 凈化廠生化池工藝控制參數(shù)表

2.1.3 中水回用

凈化廠根據(jù)中水回用設(shè)計方案,于2017 年2 月15日組織實施了中水回用項目。按照設(shè)計方案,分別對Ⅰ套、Ⅱ套、中控室外、鍋爐房前等綠化帶7個灌溉區(qū)進行升級改造,于2017 年7 月5 日完成并順利投運。升級改造后外排水能夠全部回用,回用率達到100%,不僅減少了污染排放,節(jié)約了排污費用,而且還減輕了對地表水體的污染,達到了清潔生產(chǎn)的目的。作為廠區(qū)綠化用水,如折算成新鮮水計算,每年可節(jié)約2×104m3新鮮水,按照目前忠縣當(dāng)?shù)毓I(yè)用水水價3.4元/m3計算,每年可節(jié)約成本約7.0萬元。

2.2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管理操作優(yōu)化

2.2.1 富裕能量的利用

由于主裝置長期單套低負荷運行,循環(huán)冷卻水總量只有設(shè)計的一半,循環(huán)水的流量、壓力都有較大的富余,這些能量都消耗在節(jié)流閥上。因此,凈化廠通過調(diào)研及理論核算,提出涼水塔電動風(fēng)機改水動風(fēng)機的優(yōu)化實施方案[9],并于2017年9月實現(xiàn)了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)零電耗。該優(yōu)化項目實施后,水動風(fēng)機不僅能夠滿足裝置生產(chǎn)的工藝參數(shù)要求,而且年節(jié)約電能6.78×104k W·h,達到了預(yù)期改造節(jié)能降耗的目的。

2.2.2 大流量循環(huán)水泵改為小流量循環(huán)水泵

凈化廠原設(shè)計循環(huán)水泵2 臺,額定流量分別為400 m3/h、450 m3/h,功率為90 k W,裝置正常生產(chǎn)期間運行使用;小循環(huán)水泵2臺,額定流量50 m3/h,為空壓機提供冷卻水,僅裝置大修期間使用。由于上游氣礦產(chǎn)能不足,裝置長期單套低負荷運行,循環(huán)水富余量較大[17]。結(jié)合水動風(fēng)機最佳工況對應(yīng)循環(huán)水流量約為250 m3/h,能夠滿足裝置換熱設(shè)備、機泵、空壓機冷卻要求。2015年9月裝置大修期間,在循環(huán)水泵房內(nèi)拆除1 臺小循環(huán)水泵,就地新增1 臺額定流量250 m3/h、功率為55 k W 的循環(huán)水泵。當(dāng)兩套裝置同時生產(chǎn)或者夏季高溫時段循環(huán)冷卻水耗量較大時使用大循環(huán)水泵,其余時間均使用新增的小循環(huán)水泵,其節(jié)能效果顯著,平均每年節(jié)約電量10×104k W·h。

2.3 鍋爐蒸汽系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

2.3.1 鍋爐燃燒機升級改造

表5 凈化廠A臺鍋爐燃燒機更換前后相關(guān)參數(shù)對比

2015年8～9 月,凈化廠對A臺鍋爐進行了升級改造,2016年6月對B 臺鍋爐進行升級改造,均是將原用的15 t/h的640 ZM RT 敦威燃燒機改型為10 t/h的WM-G50/2-A 威索燃燒機,并對配套的控制系統(tǒng)進行了更換。更換后生產(chǎn)單位蒸汽鍋爐燃料氣耗量下降(4～8)×104m3/104t,節(jié)能效果顯著。

從表5可以看出,A 臺鍋爐新燃燒機更換后節(jié)能效果較為明顯,以3～5月、7月生產(chǎn)單位蒸汽鍋爐燃料氣耗量估算,每月每噸蒸汽可節(jié)約燃料氣量Δe A 為:

參考7月蒸汽產(chǎn)量(7月蒸汽總產(chǎn)量為2750 t),估計每年A 臺鍋爐可節(jié)約燃料氣量為:

注:①每年鍋爐單元運行約11個月,另外1個月進行大修;②EA 為全年僅A 臺鍋爐運行,B 臺鍋爐不運行的情況下節(jié)約的燃料氣量。

2.3.2 濃水回收利用

凈化廠除鹽水裝置采用反滲透除鹽水工藝,其核心部件為反滲透膜。反滲透膜孔徑小至納米級,在一定的壓力下,直徑較小的H2O 分子可以直接通過反滲透膜而得到含鹽量極低的除鹽水。而軟水中直徑較大的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體等雜質(zhì)無法通過反滲透膜,從而被反滲透膜截留下來形成含鹽量較高的濃鹽水。濃鹽水中懸浮少,濁度低,幾乎不含有機物雜質(zhì)及Ca2+、Mg2+,其硬度、堿度都較低,濃鹽水水質(zhì)分析見表6。

表6 新鮮水、濃鹽水與循環(huán)水的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

由表6可知,濃鹽水的總硬度非常低,對減少換熱設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕非常有利,濃鹽水用作循環(huán)水是完全可行的[18-19]。

反滲透純水裝置RO 主機平均每月產(chǎn)生550 m3濃鹽水,分廠將反滲透純水裝置RO 主機排出的濃鹽水回用至循環(huán)水系統(tǒng),代替新鮮水作為循環(huán)水系統(tǒng)的補充水,減少新鮮水用量。濃鹽水的回收利用,既不影響循環(huán)水水質(zhì),又節(jié)約了新鮮水量[20]。

3 結(jié)語

天然氣凈化廠低負荷運行不僅給安全生產(chǎn)帶來壓力,還使得各類動設(shè)備能效利用率降低,水電氣單耗增大導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。在摸索總結(jié)如何優(yōu)化裝置操作運行的同時,節(jié)能降耗將是重點討論問題。因此,如何通過優(yōu)化工藝操作來使裝置高效、平穩(wěn)、長周期地運行,將是天然氣凈化廠低負荷情況下亟待解決的問題。