燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣加熱三甘醇脫水再生工藝研究

岑康 范文強(qiáng) 周莉 程思杰 吳懈 趙靚

1.西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院

在天然氣集輸管網(wǎng)中，增壓脫水站內(nèi)主要耗能設(shè)備為燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)和脫水裝置重沸器。燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組為天然氣增壓，脫水裝置重沸器通過(guò)燃燒天然氣加熱直燃式火管為三甘醇富液再生提供熱量。某氣田節(jié)能監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，集輸管網(wǎng)中燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)及脫水裝置重沸器年耗氣量分別為3 174.88×104m3和101.41×104m3，占?xì)馓锟偰芎牧康?5%和3%。然而，大部分燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率僅為30%左右，燃料氣產(chǎn)生的熱量未得到有效利用，絕大部分均以煙氣的形式直接排放到大氣中[1-2]。增壓機(jī)煙氣余熱未得到利用的同時(shí)，重沸器消耗了大量天然氣，致使增壓脫水站能源利用率較低。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)氣田燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣余熱已提出多種利用方法,較為常見(jiàn)的是利用有機(jī)朗肯循環(huán)或超臨界CO2布雷頓循環(huán)，回收增壓機(jī)煙氣余熱發(fā)電，以滿足站內(nèi)的電能需求[2-5]。Lokare等[6]利用增壓機(jī)煙氣加熱非常規(guī)儲(chǔ)層中的含鹽采出水，對(duì)含鹽采出水進(jìn)行提濃以降低處理成本。王扶輝等[7]利用余熱蒸汽鍋爐回收增壓機(jī)煙氣余熱產(chǎn)生蒸汽，用以加熱原油及站內(nèi)生活的熱能需求。張梁等[8]利用吸收式制冷技術(shù)回收增壓機(jī)煙氣余熱，為辦公樓和壓縮機(jī)房供冷。然而，對(duì)于陸上油氣田利用增壓機(jī)煙氣加熱三甘醇脫水再生工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性方面的研究，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

選取某典型增壓脫水站為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試站內(nèi)燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣參數(shù)，分析其煙氣余熱利用潛力，提出利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇的節(jié)能改造方案。建立Aspen HYSYS模型，分析工藝改造方案在不同工況下的適應(yīng)性，同時(shí)采用現(xiàn)金流量法評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性，以期為氣田增壓脫水站的節(jié)能改造提供新的思路。

1 工藝流程及運(yùn)行現(xiàn)狀

某增壓脫水站工藝流程如圖1所示。集氣支線來(lái)氣經(jīng)分離過(guò)濾后進(jìn)入燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)，增壓后原料氣進(jìn)入三甘醇脫水裝置吸收塔，在吸收塔內(nèi)與三甘醇貧液逆流接觸，脫水后干氣進(jìn)入集氣干線。三甘醇富液經(jīng)過(guò)濾、閃蒸后進(jìn)入再生塔內(nèi)提濃，提濃后貧液從塔底緩沖罐流出被再次送入吸收塔。

站內(nèi)設(shè)有7臺(tái)ZTY265 MH 9×7型燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)。燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)及冷卻系統(tǒng)組成，單臺(tái)增壓機(jī)處理能力為7×104m3/d，總設(shè)計(jì)處理能力為50×104m3/d，增壓機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣通過(guò)排煙通道直排至大氣。同時(shí),設(shè)有1列設(shè)計(jì)處理能力為50×104m3/d的三甘醇脫水裝置，三甘醇再生裝置熱源為重沸器直燃式火管，通過(guò)燃燒天然氣為三甘醇富液再生提供熱量。燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)與脫水裝置間距約為280 m。

站內(nèi)目前運(yùn)行工況為：處理氣量17×104m3/d；增壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)3臺(tái)，運(yùn)行負(fù)荷80%；吸收塔進(jìn)氣溫度37 ℃，干氣出塔露點(diǎn)5 ℃，再生塔富液進(jìn)塔溫度84.5 ℃，三甘醇注入量為30 L/kg(氣體中的水)，重沸器溫度194 ℃。

2 燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣余熱利用方案

2.1 煙氣余熱潛力分析

以站內(nèi)目前的運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，分析燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣余熱的利用潛力。對(duì)單臺(tái)ZTY265 MH 9×7型燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)的煙氣參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣組分和消耗量、動(dòng)力缸排煙溫度及排煙壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)。其中：燃料氣組分通過(guò)抽取燃料氣樣品送檢獲得；燃料氣消耗量通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口管道安裝的智能旋進(jìn)流量計(jì)測(cè)得；動(dòng)力缸排煙溫度和壓力分別通過(guò)安裝在排煙道內(nèi)的熱電偶及壓力變送器測(cè)得[2]；發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)由增壓機(jī)節(jié)能監(jiān)測(cè)結(jié)果獲得。單臺(tái)增壓機(jī)煙氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 單臺(tái)增壓機(jī)煙氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果天然氣消耗量/(m3·h-1)動(dòng)力缸排煙溫度/℃動(dòng)力缸排煙壓力/MPa發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)71.213400.113.2

利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇的前提是煙氣中的可用熱量應(yīng)滿足重沸器的熱負(fù)荷需求。采用煙氣火用值表征增壓機(jī)煙氣余熱的利用潛力，定量分析煙氣中的可用熱量與重沸器所需熱負(fù)荷的關(guān)系。假設(shè)天然氣在增壓機(jī)動(dòng)力缸內(nèi)完全燃燒，可計(jì)算出煙氣總量和煙氣組分[9]，則增壓機(jī)煙氣火用值可由式(1)計(jì)算[10]：

(1)

式中：E為煙氣火用值，kJ/h；M為煙氣質(zhì)量流量，kg/h；Cp為煙氣平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T為排氣溫度，K；p為排氣壓力，kPa；R為煙氣的氣體常數(shù)；T0、p0為計(jì)算參考環(huán)境下的溫度和壓力，分別取298 K和101.3 kPa。

原料氣脫水深度主要由重沸器溫度和三甘醇循環(huán)量決定。為滿足當(dāng)前工況下的露點(diǎn)要求[11]，站內(nèi)將重沸器溫度設(shè)定為194 ℃。三甘醇循環(huán)量和重沸器所需熱負(fù)荷可分別通過(guò)式(2)、式(3)計(jì)算[12]：

(2)

Q=[(Q1+Q2+Q3+Q4)-Q5]/(1-α)

(3)

式中：V為三甘醇循環(huán)量，L/h；q為進(jìn)入吸收塔的天然氣量，m3/h；y為進(jìn)入吸收塔的天然氣含水汽量，g/m3；y′為離開(kāi)吸收塔的干氣含水汽量，g/m3；n為每吸收1 kg水所需要的三甘醇注入量，根據(jù)站內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)取30 L/kg；Q為重沸器所需熱負(fù)荷，kW；Q1為水蒸氣帶走熱量，kW；Q2為再生塔回流所耗熱量，kW；Q3為汽提氣加熱所耗熱量，kW；Q4為三甘醇貧液帶出熱量，kW；Q5為三甘醇富液帶入熱量，kW；α為熱負(fù)荷裕量，一般取10%。

由式(1)計(jì)算可得,3臺(tái)增壓機(jī)煙氣帶走的余熱中有411 kW可利用，而利用式(3)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的重沸器所需熱負(fù)荷僅為36.75 kW。增壓機(jī)煙氣中可用熱量約為重沸器所需熱負(fù)荷的11倍，且增壓機(jī)的排煙溫度在340 ℃左右，遠(yuǎn)高于重沸器內(nèi)三甘醇富液再生溫度194 ℃，存在足夠的換熱溫差加熱再生三甘醇富液。當(dāng)站內(nèi)處理氣量發(fā)生改變時(shí)，增壓機(jī)煙氣余熱會(huì)隨增壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的增加呈倍數(shù)增長(zhǎng)。即便增壓脫水站在額定處理氣量50×104m3/d下運(yùn)行時(shí)，利用式(2)、式(3)計(jì)算得到重沸器所需熱負(fù)荷也僅為108 kW。由此可知，燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)煙氣余熱可為三甘醇再生提供足夠熱量。

2.2 工藝改造方案

利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇的工藝節(jié)能改造方案(見(jiàn)圖2),該方案在保留傳統(tǒng)火管式重沸器的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套利用增壓機(jī)高溫?zé)煔饧訜嵩偕蚀嫉腢形管束重沸器[13]。當(dāng)增壓機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，利用增壓機(jī)煙氣為三甘醇富液再生提供熱量；當(dāng)增壓機(jī)停運(yùn)或煙氣熱量不足時(shí)，則切換至傳統(tǒng)直燃式火管加熱再生工藝。

具體工藝流程為：在增壓機(jī)排煙道至重沸器間敷設(shè)煙氣管道，采用巖棉保溫材料對(duì)管道進(jìn)行保溫；將增壓機(jī)煙氣引入重沸器U形管束加熱三甘醇富液，隨后煙氣通過(guò)煙囪直接排入大氣；增壓機(jī)排煙道內(nèi)設(shè)有溫度傳感器Ⅰ和流量傳感器Ⅰ，當(dāng)檢測(cè)到排煙道內(nèi)溫度或流量過(guò)低時(shí)，傳感器將信號(hào)傳遞至控制器Ⅰ，控制直燃式火管點(diǎn)火，流程切換至傳統(tǒng)直燃式火管加熱再生工藝；增壓機(jī)排煙口接入煙氣管道后會(huì)造成排煙壓力升高，設(shè)置引風(fēng)機(jī)用以克服煙氣管道背壓；重沸器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器Ⅱ，用以監(jiān)測(cè)液床溫度并將信號(hào)傳遞至控制器Ⅱ，由控制器Ⅱ?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)溫度控制閥閥門開(kāi)度[14]，進(jìn)而調(diào)節(jié)重沸器內(nèi)參與換熱的煙氣流量，保證再生系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 工藝改造方案適應(yīng)性分析

3.1 設(shè)備優(yōu)選

改造方案中煙氣管道和重沸器U形管束的規(guī)格尺寸將影響增壓機(jī)煙氣對(duì)三甘醇富液的加熱效果，應(yīng)合理確定其規(guī)格尺寸。煙氣管道管徑根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速15～20 m/s確定[15]。利用Dittus-Boelter管內(nèi)受迫對(duì)流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式、管外自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式及保溫材料厚度和導(dǎo)熱系數(shù)[16]，基于傳熱試算的方式可確定優(yōu)化的保溫層厚度。

根據(jù)目標(biāo)換熱量及冷熱流體對(duì)數(shù)平均溫差，基于平均溫差法確定U形管束的換熱面積及其結(jié)構(gòu)參數(shù)[16]。其中，煙氣側(cè)換熱系數(shù)選用Gnielinski關(guān)聯(lián)式[17]，三甘醇側(cè)換熱系數(shù)選用改良Mostinski關(guān)聯(lián)式[18]。根據(jù)站內(nèi)實(shí)際情況，最終優(yōu)選出煙氣管道及U形管束規(guī)格尺寸[19-20]，如表2所列。

表2 煙氣管道及換熱設(shè)備優(yōu)選結(jié)果煙氣管道U形管束規(guī)格/mmΦ406×6規(guī)格/mmΦ25×2.5管長(zhǎng)/m300管長(zhǎng)/m2保溫材料巖棉管材20#鋼保溫層厚度/mm140總管數(shù)/根100

3.2 適應(yīng)性分析

原料氣脫水前后的露點(diǎn)降應(yīng)實(shí)時(shí)根據(jù)輸送條件下最低環(huán)境溫度的改變而改變[11]，一般通過(guò)調(diào)節(jié)重沸器溫度和三甘醇循環(huán)量這兩個(gè)工藝參數(shù)來(lái)滿足露點(diǎn)降要求。顯然，重沸器溫度和三甘醇循環(huán)量的變化會(huì)改變重沸器所需熱負(fù)荷[21]，從而對(duì)增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇的效果產(chǎn)生直接影響。根據(jù)圖2所示的工藝流程建立對(duì)應(yīng)的Aspen HYSYS模型[22]，如圖3所示。

以該站當(dāng)前運(yùn)行工況為研究對(duì)象，選擇煙氣利用率(進(jìn)入重沸器的煙氣流量占增壓機(jī)煙氣總量的比率)表征工藝適應(yīng)性，分析在不同重沸器溫度和三甘醇循環(huán)量條件下工藝改造方案的適應(yīng)性。

3.2.1重沸器溫度對(duì)煙氣利用率的影響

為保證三甘醇富液在重沸器中再生合格和防止高溫降解，通常將重沸器溫度控制在190～200 ℃以內(nèi)[12,23]。將三甘醇循環(huán)量設(shè)定為317.9 kg/h，在重沸器溫度范圍為190～200 ℃時(shí)，分析重沸器溫度對(duì)煙氣利用率的影響，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)重沸器溫度為194 ℃時(shí)，煙氣利用率為13.51%。煙氣利用率隨著重沸器溫度的增大而增大，但即便重沸器溫度達(dá)到上限200 ℃時(shí)，煙氣利用率也僅為15.24%。由此可知，重沸器溫度的改變對(duì)煙氣利用率的影響較小，增壓機(jī)煙氣的高品位余熱能夠充分滿足不同重沸器溫度下的熱負(fù)荷需求。

3.2.2三甘醇循環(huán)量對(duì)煙氣利用率的影響

當(dāng)三甘醇注入量介于20～50 L/kg(氣體中的水)時(shí)，原料氣增壓脫水后的露點(diǎn)降可達(dá)32～57 ℃，能夠滿足絕大部分條件下的原料氣露點(diǎn)要求[12]。將重沸器溫度設(shè)定為200 ℃，利用式(2)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的三甘醇循環(huán)量為215.05～523.60 kg/h。分析三甘醇循環(huán)量對(duì)煙氣利用率的影響，如圖5所示。由圖5可知，煙氣利用率隨三甘醇循環(huán)量的增大而增大，當(dāng)三甘醇循環(huán)量為523.6 kg/h時(shí)，煙氣利用率僅為26.78%，增壓機(jī)煙氣可為三甘醇再生提供足夠熱量。

綜上所述，利用煙氣加熱再生三甘醇的工藝改造方案是可行的。在17×104m3/d的處理氣量下，高溫?zé)煔饽軐⑷蚀几灰杭訜嶂聊繕?biāo)溫度，73.22%以上的煙氣未進(jìn)行有效利用而被直接排放。當(dāng)該站處理氣量增大時(shí)，增壓機(jī)煙氣中的余熱會(huì)近似呈倍數(shù)增長(zhǎng)，而重沸器熱負(fù)荷的增長(zhǎng)速率相對(duì)較小，增壓機(jī)煙氣余熱將始終高于重沸器所需熱負(fù)荷。因此，利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇具有良好的工藝適應(yīng)性。需要說(shuō)明的是，即便當(dāng)增壓機(jī)煙氣無(wú)法為三甘醇再生提供足夠熱量時(shí)，仍可利用直燃式火管進(jìn)行熱量補(bǔ)充，加熱再生三甘醇富液，確保增壓脫水工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

若該增壓脫水站在額定處理氣量50×104m3/d下運(yùn)行，且增壓機(jī)煙氣能夠完全替代重沸器燃料氣消耗的情況下，每年可節(jié)約重沸器燃料氣消耗量約36.25×104m3，節(jié)能減排量約482.16 t標(biāo)準(zhǔn)煤。采用現(xiàn)金流量法評(píng)價(jià)改造方案的經(jīng)濟(jì)性，編制現(xiàn)金流量表，以項(xiàng)目現(xiàn)金流量為基礎(chǔ)，通過(guò)分析經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性[24]。

(4)

(5)

(6)

式中：FNPV為財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值，萬(wàn)元；n為計(jì)算期，年；t為計(jì)算期的年序號(hào)；CI為現(xiàn)金流入量，萬(wàn)元；CO為現(xiàn)金流出量，萬(wàn)元;ic為基準(zhǔn)收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率；FIRR為財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率，%；TP為靜態(tài)投資回收期，年；T為累計(jì)凈現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份；NPVT-1為上年累計(jì)凈現(xiàn)金流量的絕對(duì)值，萬(wàn)元；NPVT為當(dāng)年凈現(xiàn)金流量的絕對(duì)值，萬(wàn)元。

應(yīng)用以上數(shù)學(xué)模型，對(duì)改造方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；A(chǔ)參數(shù)主要包括：評(píng)價(jià)期10年，設(shè)備投資78.03萬(wàn)元，工程設(shè)計(jì)及施工改造費(fèi)用60萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用4.96萬(wàn)元/年，天然氣內(nèi)部結(jié)算價(jià)1.17元/m3，設(shè)備殘值5%，增值稅9%，教育附加稅率3%，城市維護(hù)建設(shè)稅1%，所得稅25%，基準(zhǔn)收益率12%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得到各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果(見(jiàn)表3)。

表3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值/104元財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率/%靜態(tài)投資回收周期/年動(dòng)態(tài)投資回收周期/年33.2320.85.016.79

熱能工程改造項(xiàng)目的基準(zhǔn)投資回收期一般為8～10年，小型項(xiàng)目回收期為7年[13]。表3中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)表明，工藝改造方案可獲得不低于基準(zhǔn)收益水平的收益額，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較好。改造方案的經(jīng)濟(jì)性與站場(chǎng)處理規(guī)模直接相關(guān)，站場(chǎng)處理規(guī)模增大后，利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇可替代更多的重沸器燃料氣消耗量，將進(jìn)一步提高項(xiàng)目的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值，縮短投資回收期。分析該站場(chǎng)在不同處理規(guī)模下的經(jīng)濟(jì)性，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)站場(chǎng)的處理規(guī)模大于169×104m3/d時(shí)，靜動(dòng)態(tài)投資回收期可控制在1年以內(nèi)，節(jié)能改造方案能使站場(chǎng)在減排的同時(shí)獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)測(cè)試ZTY265 MH 9×7型燃?xì)馐皆鰤簷C(jī)的煙氣參數(shù)，并計(jì)算站內(nèi)脫水裝置重沸器所需熱負(fù)荷，對(duì)比得出增壓機(jī)煙氣火用值為重沸器所需熱負(fù)荷的11倍，可為三甘醇富液再生提供足夠熱量。

(2) 提出了利用增壓機(jī)煙氣加熱再生三甘醇的節(jié)能改造方案，并對(duì)改造方案中的煙氣管道及U形管束進(jìn)行了優(yōu)化選型。改造方案的適應(yīng)性分析結(jié)果表明，重沸器溫度和三甘醇循環(huán)量的變化對(duì)增壓機(jī)煙氣利用率的影響較小，增壓機(jī)煙氣均能將三甘醇富液加熱至目標(biāo)溫度，且73.22%以上的煙氣未進(jìn)行有效利用而被直接排放。在不同運(yùn)行工況下，改造方案均具有良好的適應(yīng)性。

(3) 工藝改造方案可獲得不低于基準(zhǔn)收益水平的收益額，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較好。改造方案的投資回收期隨增壓脫水站處理規(guī)模的增大而縮短，當(dāng)站場(chǎng)的處理規(guī)模大于169×104m3/d時(shí)，靜動(dòng)態(tài)投資回收期可控制在1年以內(nèi)，能使站場(chǎng)在節(jié)能減排的同時(shí)獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。