天然氣凈化裝置蒸汽平衡優(yōu)化與效益分析

吳高亮，田夢雯，黃 暄

（1.中國石油西南油氣田公司川東北作業(yè)分公司，四川成都 610000；2.中國石油西南油氣田公司物資分公司，四川成都 610000）

中國石油西南油氣田公司川東北作業(yè)分公司羅家寨生產(chǎn)作業(yè)區(qū)宣漢凈化廠（以下簡稱宣漢凈化廠）是中國內(nèi)陸首個國際合作開發(fā)的高含硫天然氣項目，天然氣產(chǎn)能3×109m3/a，建有3列天然氣凈化裝置。為滿足天然氣凈化裝置在開工狀態(tài)下的工藝蒸汽和動力蒸汽需求，配套設(shè)置了2臺開工中壓鍋爐。天然氣凈化裝置使用0.45 MPa、147 ℃的低壓飽和蒸汽，4.2 MPa、252 ℃的中壓飽和蒸汽和4.2 MPa、360 ℃的中壓過熱蒸汽。宣漢凈化廠自投產(chǎn)以來，由于尾氣灼燒余熱鍋爐運(yùn)行溫度未達(dá)到設(shè)計要求、凈化裝置脫硫再生塔重沸器蒸汽消耗量偏高、各爐類設(shè)備排污率偏高、蒸汽透平未全部投用等原因，造成蒸汽系統(tǒng)不平衡。為維持蒸汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，開工中壓鍋爐長期低負(fù)荷運(yùn)行無法停運(yùn)。在造成較大安全風(fēng)險的同時，裝置能耗損失加劇，生產(chǎn)成本上升。針對這一情況，宣漢凈化廠對造成蒸汽不平衡的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，最終成功實現(xiàn)了蒸汽平衡，節(jié)約了生產(chǎn)成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 蒸汽系統(tǒng)工藝流程

宣漢凈化廠蒸汽系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 宣漢凈化廠蒸汽系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)設(shè)計要求，在裝置正常生產(chǎn)過程中，開工中壓鍋爐停運(yùn)[1]，克勞斯余熱鍋爐和尾氣灼燒余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽匯入中壓飽和蒸汽管網(wǎng)，供一級再熱器、二級再熱器、TEG重沸器等設(shè)備加熱使用；剩余中壓飽和蒸汽通過蒸汽過熱器轉(zhuǎn)化為中壓過熱蒸汽，進(jìn)入中壓過熱蒸汽管網(wǎng)。

中壓過熱蒸汽經(jīng)過主風(fēng)機(jī)透平、灼燒爐風(fēng)機(jī)透平、半貧砜胺液泵透平和各單元減溫減壓器后，變成低壓飽和蒸汽。硫磺回收一至三級硫冷凝器、SCOT余熱鍋爐、減溫減壓器產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽進(jìn)入低壓飽和蒸汽管網(wǎng)，用于脫硫再生塔重沸器、酸水汽提塔重沸器、硫磺廠液硫管線及其他設(shè)備的保溫，剩余低壓飽和蒸汽放空至空氣冷凝器冷凝。

2 蒸汽系統(tǒng)不平衡的原因分析及優(yōu)化措施

2.1 尾氣灼燒余熱鍋爐運(yùn)行溫度偏低

尾氣灼燒余熱鍋爐是主要的中壓飽和蒸汽產(chǎn)生設(shè)備之一，蒸汽產(chǎn)出率約占整列凈化裝置的30%。中壓飽和蒸汽是進(jìn)一步生產(chǎn)中壓過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽的來源，因此尾氣灼燒余熱鍋爐的運(yùn)行狀況直接影響到凈化裝置的蒸汽平衡。尾氣灼燒余熱鍋爐的設(shè)計參數(shù)與工況值見表1。

表1 尾氣灼燒余熱鍋爐設(shè)計參數(shù)與工況值

由表1可見：尾氣灼燒余熱鍋爐爐膛設(shè)計溫度為760 ℃，設(shè)計蒸發(fā)量為13.28 t/h，而實際運(yùn)行過程中爐膛溫度為710 ℃，蒸發(fā)量為11.8 t/h，工況值與設(shè)計值偏差較大。

蒸汽蒸發(fā)量沒有達(dá)到設(shè)計值，是造成開工中壓鍋爐無法停運(yùn)的主要原因。提高尾氣灼燒余熱鍋爐的爐膛溫度可以提高其中壓飽和蒸汽產(chǎn)生量。為避免溫度突然升高對尾氣灼燒余熱鍋爐本體及耐火襯里造成影響，以10 ℃/次的幅度緩慢提高尾氣灼燒余熱鍋爐的爐膛溫度，在滿足凈化裝置蒸汽需求的情況下，尾氣灼燒余熱鍋爐與開工中壓鍋爐蒸汽產(chǎn)生量對比情況見圖2。

圖2 尾氣灼燒余熱鍋爐與開工中壓鍋爐蒸汽產(chǎn)生量對比

由圖2可知：在保證蒸汽壓力的情況下，提高尾氣灼燒余熱鍋爐的爐膛溫度，其生成的中壓飽和蒸汽量明顯上升，開工中壓鍋爐補(bǔ)充的蒸汽量下降至最低負(fù)荷7.7 t/h，為凈化裝置實現(xiàn)蒸汽平衡、開工中壓鍋爐停運(yùn)提供了可能。當(dāng)尾氣灼燒余熱鍋爐爐膛溫度上升至740 ℃時，其外殼溫度上漲至控制上限340 ℃，存在超溫的可能。故尾氣灼燒余熱鍋爐控制爐膛溫度在740 ℃。

2.2 脫硫再生塔重沸器蒸汽消耗量高

在滿足凈化裝置正常生產(chǎn)需要的前提下，降低脫硫再生塔重沸器的低壓飽和蒸汽消耗量，是實現(xiàn)蒸汽平衡的重要措施，但同時也會造成脫硫貧液中H2S含量上升，嚴(yán)重時會造成外輸天然氣H2S含量超標(biāo)。宣漢凈化廠控制脫硫貧液中ρ(H2S)在0.70~1.12 g/L，緩慢降低脫硫再生塔重沸器的蒸汽量，能夠保證產(chǎn)品天然氣質(zhì)量合格。

脫硫再生塔重沸器蒸汽量優(yōu)化前后數(shù)據(jù)見表2。

表2 脫硫再生塔重沸器蒸汽量優(yōu)化前后數(shù)據(jù)

由表2可見：在滿足正常生產(chǎn)需要的前提下，3列凈化裝置消耗的蒸汽量經(jīng)優(yōu)化后，總共可節(jié)約低壓飽和蒸汽3.7 t/h。

2.3 爐類設(shè)備排污率偏高

在鍋爐運(yùn)行過程中，需要將含有較多鹽分和沉渣的鍋爐水排放到鍋爐外。以化學(xué)軟水為補(bǔ)給水的供熱式發(fā)電鍋爐和中壓工業(yè)鍋爐的排污率一般不超過5%；以化學(xué)軟水為補(bǔ)給水的低壓工業(yè)鍋爐的排污率一般不超過10%[2]。經(jīng)查詢設(shè)計資料，宣漢凈化廠的爐類設(shè)備均是按照5%的排污率進(jìn)行設(shè)計的。

宣漢凈化廠3列裝置共有爐類設(shè)備20臺，其中開工中壓鍋爐2臺，克勞斯余熱鍋爐、一級硫冷凝器、二級硫冷凝器、三級硫冷凝器、SCOT余熱鍋爐和尾氣灼燒余熱鍋爐各3臺。各設(shè)備額定蒸發(fā)量及排污量見表3。

由表3可見：各爐類設(shè)備實際蒸發(fā)量均低于額定蒸發(fā)量；相反，實際排污率卻高于額定排污率，造成鍋爐給水、藥品及蒸汽的消耗量增加，影響凈化裝置的蒸汽平衡。

表3 單列裝置爐類設(shè)備蒸發(fā)量及排污量

爐類設(shè)備的排污率對裝置節(jié)能、實現(xiàn)蒸汽平衡非常重要。目前宣漢凈化廠爐類設(shè)備排污率普遍高于工業(yè)鍋爐設(shè)計要求，排污率越高，裝置的熱能耗越高，產(chǎn)生的蒸汽量越少，越不利于凈化裝置的蒸汽平衡。宣漢凈化廠在保證爐類設(shè)備水質(zhì)合格的前提下，逐步優(yōu)化各爐類設(shè)備的排污量及排污率，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)見表4。

由表4可知：各爐類設(shè)備排污量都存在較多的優(yōu)化空間，單列凈化裝置所有爐類設(shè)備排污量可節(jié)約2.86 t/h，3列凈化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時，蒸汽量可節(jié)約總計8.58 t/h；優(yōu)化后排污率從7.02%~24.75%下降到4.65%~7.63%。

表4 單列爐類設(shè)備排污量及排污率優(yōu)化前后數(shù)據(jù)

2.4 蒸汽透平設(shè)備未全部投運(yùn)

蒸汽透平是將中壓過熱蒸汽中蘊(yùn)有的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并通過減溫減壓器將中壓過熱蒸汽變成低壓飽和蒸汽供凈化裝置使用的設(shè)備。宣漢凈化廠有主風(fēng)機(jī)透平、灼燒爐風(fēng)機(jī)透平、半貧砜胺液泵透平等共計15臺蒸汽透平，正常生產(chǎn)時應(yīng)全部投用。但由于設(shè)備自身原因，有3臺蒸汽透平無法正常使用，投用率僅為80%，從而造成中壓過熱蒸汽過剩，一方面限制了尾氣灼燒余熱鍋爐等中壓飽和蒸汽產(chǎn)生設(shè)備的生產(chǎn)率，另一方面過剩的中壓過熱蒸汽只能通過減溫減壓器變?yōu)榈蛪猴柡驼羝?，造成能量大幅損耗。蒸汽透平類設(shè)備的投用對裝置節(jié)能效果明顯，因此投用全部蒸汽透平類設(shè)備，一方面可以減少電驅(qū)設(shè)備的使用，最大程度地節(jié)約電能；另一方面，透平設(shè)備產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽又能提供給凈化裝置使用，使中壓過熱蒸汽的使用實現(xiàn)最大化。

3 蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化效果與經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 優(yōu)化效果

宣漢凈化廠蒸汽系統(tǒng)經(jīng)過上述優(yōu)化后，根據(jù)系統(tǒng)蒸汽數(shù)據(jù)分析得出：

1）中壓飽和蒸汽產(chǎn)生量151.5 t/h，設(shè)備消耗后剩余143.3 t/h通過蒸汽過熱器轉(zhuǎn)化為中壓過熱蒸汽并進(jìn)入中壓過熱蒸汽管網(wǎng)，中壓過熱蒸汽經(jīng)過透平設(shè)備和減溫減壓器消耗后無余量，中壓蒸汽系統(tǒng)實現(xiàn)了蒸汽平衡。

2）中壓過熱蒸汽經(jīng)透平設(shè)備和減溫減壓器消耗后轉(zhuǎn)化為低壓飽和蒸汽，和其余設(shè)備產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽并入低壓飽和蒸汽管網(wǎng)，經(jīng)設(shè)備消耗后有16 t/h低壓飽和蒸汽通過空氣冷凝器冷凝回收，低壓飽和蒸汽系統(tǒng)實現(xiàn)了蒸汽平衡。

宣漢凈化廠天然氣凈化裝置蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，實現(xiàn)了蒸汽平衡，蒸汽平衡圖見圖3。

圖3 宣漢凈化廠蒸汽平衡狀況

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

天然氣凈化裝置蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具體表現(xiàn)在：

1）燃料氣消耗。開工中壓鍋爐停運(yùn)前維持最低負(fù)荷運(yùn)行，周平均燃料氣流量為630 m3/h，開工中壓鍋爐停運(yùn)后可節(jié)約燃料氣630×24=15 120 m3/d。燃料氣按2元/m3計，可節(jié)約燃料費30 240元/d。

2）除鹽水消耗。開工中壓鍋爐停運(yùn)前維持最低負(fù)荷運(yùn)行，周平均上水流量為9.3 t/h，開工中壓鍋爐停運(yùn)后可節(jié)約除鹽水9.3×24=223.2 t/d。除鹽水按15元/t計，可節(jié)約水費3 348元/d。

3）電能消耗。開工中壓鍋爐運(yùn)行時，電能消耗為396×24=9 504 kWh/d。電價按0.5元/kWh計，可節(jié)約電費4 752元/d。

綜上所述，開工中壓鍋爐停運(yùn)后，每天節(jié)約成本合計38 340元。1年運(yùn)行時間按300 d計，可節(jié)約成本約1 150.2萬元/a。

4 結(jié)語

通過對宣漢凈化廠天然氣凈化裝置蒸汽系統(tǒng)蒸汽不平衡的原因進(jìn)行分析，提出了調(diào)整尾氣灼燒余熱鍋爐爐膛溫度、優(yōu)化脫硫再生塔重沸器蒸汽消耗量、調(diào)整爐類設(shè)備排污率、投用蒸汽透平設(shè)備等系列措施，解決了開工中壓鍋爐長期低負(fù)荷運(yùn)行，無法按照設(shè)計要求停運(yùn)的問題，實現(xiàn)了蒸汽平衡和清潔、高效生產(chǎn)。同時，停運(yùn)開工中壓鍋爐，可節(jié)約成本約1 150.2萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。