油氣田余熱的低碳化綜合利用

常小虎，陳祺錨，徐夢瑤，呂曉芳，郭 靖，李藝超

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.江蘇省油氣儲運(yùn)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.上海優(yōu)華系統(tǒng)集成技術(shù)股份有限公司)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和能源消耗的快速增加,各國不斷開發(fā)新能源或提高能源利用效率,以減少化石燃料的消耗和使用[1]。目前,我國對可再生能源的利用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但我國能源利用效率仍然較低。大約只有30%的余熱被再利用,比發(fā)達(dá)國家低10%左右,至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄[2-3]。

工業(yè)余熱一般指生產(chǎn)設(shè)備或燃燒系統(tǒng)轉(zhuǎn)換或熱交換后排出的可以回收的熱能。根據(jù)類型不同,余熱可以有不同的利用方式,目前比較成熟的工業(yè)余熱利用技術(shù)主要有熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換余熱發(fā)電技術(shù)和余熱制冷制熱技術(shù)[3]。石化行業(yè)產(chǎn)生的余熱主要為低品位熱能,其介質(zhì)溫度一般高于產(chǎn)品儲藏溫度但低于工藝處理過程溫度。將其用于生活供暖,熱能利用率較低;而且,由于不同季節(jié)的熱能需求不同,會導(dǎo)致工藝處理過程的熱能分配不合理,甚至造成安全事故。此外,部分優(yōu)質(zhì)熱源回收困難,而通過循環(huán)水或空氣冷卻器進(jìn)行冷卻會造成熱能、電能、循環(huán)水等資源的極大浪費(fèi)[4-5]。

基于此,Chan等[6]研究了化學(xué)熱泵技術(shù)、熱循環(huán)技術(shù)以及熱能存儲技術(shù)對低品位余熱利用效果,發(fā)現(xiàn)熱泵技術(shù)可以在不同循環(huán)方式中應(yīng)用,具有較大優(yōu)勢。Zhang Jang等[7]綜述了我國工業(yè)熱泵系統(tǒng)在制冷劑、多級系統(tǒng)、雙效吸收系統(tǒng)、壓縮吸收系統(tǒng)、太陽能輔助系統(tǒng)和化學(xué)熱泵系統(tǒng)等方面的研究應(yīng)用進(jìn)展。Jia Yongying等[8]以余熱溫度、所需供熱溫度、供熱能力、能效為輸入?yún)?shù),提出壓縮熱泵系統(tǒng)的綜合選型與評估方法,結(jié)合需求可以輸出制冷劑、壓縮機(jī)、熱交換器、系統(tǒng)配置的所有適當(dāng)組合。此外,有很多學(xué)者研究了熱泵技術(shù)在石油化工、天然氣行業(yè)應(yīng)用的可行性與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明在石油天然氣化工行業(yè)應(yīng)用熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著,可以有效減少環(huán)境污染問題[9-12]。

因此,石化行業(yè)經(jīng)常采用熱泵技術(shù)提高余熱品位和利用效率,將余熱回收并入工業(yè)流程,實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱和供冷。本課題基于中國石化某工作站實(shí)際熱能回收利用情況,采用壓縮式熱泵技術(shù)對該工作站的低溫余熱進(jìn)行回收利用,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,同時為石油化工行業(yè),特別是油氣田領(lǐng)域的低溫余熱利用提供指導(dǎo)。

1 熱能工作站概述

本研究涉及的熱能站為某油氣田的熱能工作站。該油氣田位于塔里木盆地中西部,其油氣藏類型特殊,具有超深、超高壓、超高溫等特點(diǎn),儲層平均埋藏深度超過7 300 m,是世界上埋藏最深的油氣藏之一。截至目前,該油氣田產(chǎn)能為兆噸級,累計生產(chǎn)原油3.33 Mt、天然氣1.497×109m3,成為中國石化“十四·五”期間重要的原油天然氣產(chǎn)地。油氣田熱能工作站的主要作用是為油氣田產(chǎn)出物處理提供能源,如凈化的原油、采出水、天然氣的外輸,液化氣、穩(wěn)定輕烴、硫磺等的生產(chǎn)。

工作站用能過程主要有:原油、天然氣增壓輸送;原油、再生氣加熱;混烴脫硫塔、再生塔、脫乙烷塔、液化氣塔塔底再沸器加熱;混烴脫硫塔、再生塔、液化氣塔塔頂空氣冷卻器(簡稱空冷)冷卻,丙烷壓縮機(jī)產(chǎn)生的冷量用于胺液、液化氣、穩(wěn)定輕烴、增壓氣、天然氣冷卻,各壓縮機(jī)級間空冷冷卻;鍋爐發(fā)生蒸汽,熱媒爐加熱導(dǎo)熱油等。工作站綜合能耗如表1所示。由表1可知:全站實(shí)際綜合能耗為26.52 kgce/t(1 kgce=29.3 MJ);全站消耗能源主要包括水、電和燃料氣,三者所占比例分別為0.03%、31.82%和68.14%。由此可見,燃料燃燒熱能在工作站綜合能耗中的占比較大。

表1 工作站綜合能耗

該工作站熱能使用的網(wǎng)絡(luò)分布如圖1所示。

圖1 工作站熱能分布網(wǎng)絡(luò)

2 工作站熱量利用情況

2.1 工作站用能情況

工作站的主要熱源包括塔頂油氣、凝結(jié)水和煙氣等,其運(yùn)行參數(shù)見表2;而工作站主要熱阱(原油加熱、采暖水加熱、輕烴再沸等)的用熱負(fù)荷見表3。

表2 工作站余熱統(tǒng)計結(jié)果

表3 工作站熱阱用熱負(fù)荷

從表2可以看出,工作站內(nèi)余熱負(fù)荷較大,主要來自一列、二列再生塔塔頂氣,因而應(yīng)在換熱過程中回收90 ℃以上低溫余熱。

2.2 夾點(diǎn)溫差模擬優(yōu)化

換熱流程的合理性在于實(shí)現(xiàn)冷熱物流的“溫度對口、梯級利用”?；诠ぷ髡灸壳盁嵩醇盁嶷宓倪\(yùn)行現(xiàn)狀,采用Aspen Plus軟件對站內(nèi)20 ℃以上物流進(jìn)行夾點(diǎn)分析,繪制了工作站冷熱物流實(shí)際夾點(diǎn)溫差溫焓曲線,如圖2所示。由圖2可知,工作站冷熱物流實(shí)際夾點(diǎn)溫差為44.1 ℃,傳熱溫差明顯偏高,換熱流程亟需進(jìn)一步優(yōu)化,從而更好回收利用余熱。

圖2 冷熱物流實(shí)際夾點(diǎn)溫差溫焓曲線 —熱組合曲線; —冷組合曲線; —夾點(diǎn)溫差

基于“溫度對口,梯級利用”的原理,對工作站冷熱物流進(jìn)行優(yōu)化匹配。理論上,傳熱溫差越小,則換熱器需要傳熱面積越大,會造成換熱網(wǎng)絡(luò)工程投資費(fèi)用增多,而操作費(fèi)用降低。因此,夾點(diǎn)溫度與設(shè)備費(fèi)用并非簡單的正比例關(guān)系。依據(jù)Aspen Plus軟件中夾點(diǎn)溫差分析模塊,得到工作站冷熱物流夾點(diǎn)溫差與年設(shè)備費(fèi)用曲線和優(yōu)化后的冷熱物流夾點(diǎn)溫差的溫-焓曲線,如圖3所示。將年設(shè)備費(fèi)用控制在5 500萬元以內(nèi)為改造的合理區(qū)間,由圖3(a)可知工作站換熱流程的合理夾點(diǎn)溫度范圍為5～32 ℃,而出現(xiàn)年最低設(shè)備費(fèi)用時,對應(yīng)的最佳夾點(diǎn)溫差為7 ℃。基于對夾點(diǎn)溫差的優(yōu)化可知,工作站可回收余熱約11 MW。

圖3 優(yōu)化后冷熱物流夾點(diǎn)溫差分析結(jié)果 —熱組合曲線; —冷組合曲線; —夾點(diǎn)溫差

3 低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

該工作站能量利用分析結(jié)果見表4。工作站熱量利用后會產(chǎn)生能級較低的低溫余熱,而目前該工作站處理工藝的余熱回收率僅為25.48%,較多余熱被廢棄。該工作站的工藝回收能中僅僅包含熱回收能,排棄能及產(chǎn)品帶出能并未被回收。因此,在該站設(shè)置一套低碳化余熱綜合利用系統(tǒng),集成多種余熱利用技術(shù),按照“統(tǒng)籌調(diào)度、梯級利用”的科學(xué)用能原理對低溫余熱進(jìn)行合理回收分配利用,可以明顯降低CO2排放。

表4 工作站能量利用分析結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況,采用壓縮式熱泵技術(shù)可建立“智慧熱島”能源站,智能高效回收一列、二列溶劑再生塔塔頂熱量,并用于原油加熱、脫乙烷塔塔底再沸器、采暖取熱,以及升級利用替代部分再生塔塔底再沸器蒸汽。增設(shè)智慧熱島系統(tǒng)的余熱回收工藝流程如圖4所示。

圖4 余熱回收工藝流程

其優(yōu)化設(shè)計方案如下:

(1)熱水循環(huán)部分

將流量為250 t/h的73 ℃循環(huán)水送至一列溶劑再生塔塔頂回收余熱,塔頂循環(huán)水溫度提高到約83 ℃后送到智慧熱島能源站進(jìn)行熱能綜合處理。循環(huán)水溫度進(jìn)一步提高至85 ℃,作為熱源送至原油加熱和脫乙烷塔塔底再沸器。其中,加熱原油后的循環(huán)水降至65 ℃,通過脫乙烷塔再沸器的循環(huán)水降至75 ℃,之后循環(huán)水在空冷器混合后為73 ℃。通過進(jìn)行循環(huán)水改造減少全廠蒸汽消耗,即減少全廠燃料氣消耗。

(2)蒸汽循環(huán)部分

將120 ℃的除氧水以流量為11.4 t/h輸送至二列溶劑再生塔塔頂,生產(chǎn)壓力為84.5 kPa的95 ℃飽和蒸汽;該蒸汽通過螺桿式熱泵機(jī)組引入智慧熱島能源站進(jìn)行升級利用,升壓至0.25 MPa,溫度升至175.8 ℃。該部分蒸汽優(yōu)先用于加熱循環(huán)熱水和冬季采暖水,剩余的0.25 MPa蒸汽送至溶劑再生塔塔底再沸器,減少其蒸汽消耗。經(jīng)過再沸器的蒸汽壓力降至0.15 MPa,溫度降為128 ℃,凝結(jié)后輸送至除氧器。

(3)溶劑再生塔流程改造

將溶劑再生塔塔頂改造為兩級冷卻系統(tǒng):一列溶劑再生塔塔頂酸性氣通過新增低溫差高效換熱機(jī)組先與熱水換熱,再經(jīng)空氣冷卻器(空冷)冷卻,溫度可由106.1 ℃降至85 ℃;二列溶劑再生塔塔頂酸性氣先發(fā)生95 ℃飽和蒸汽,再經(jīng)空冷冷卻,溫度由107.6 ℃降至100 ℃。同時,將二列溶劑再生塔塔底再沸器更換為低溫差高效換熱機(jī)組,并在前端增設(shè)了流量控制。

此外,將原油加熱系統(tǒng)改造為兩級加熱系統(tǒng),原油先經(jīng)85 ℃熱水加熱,后經(jīng)0.4 MPa蒸汽加熱,溫度可由35 ℃升至55 ℃。采暖流程先將60 ℃采暖水送入智慧熱島能源站加熱至85 ℃,然后經(jīng)汽-水換熱器(熱量不足時的備用換熱器)調(diào)溫后送至采暖伴熱用戶。

優(yōu)化后,低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)熱量平衡數(shù)據(jù)如表5所示?；谏鲜鰞?yōu)化方案,工作站夏季和冬季可分別減少加熱蒸汽負(fù)荷10 984 kW和10 403 kW,折合節(jié)省天然氣平均1 205.3 m3/h,因而可將3臺蒸汽鍋爐降低為2臺,夏季和冬季的蒸汽流量可分別由49.5 t/h和55 t/h減少至33.2 t/h和38.8 t/h。而增設(shè)智慧熱島能源站和智慧熱島熱水循環(huán)系統(tǒng)需要增加電耗,夏季和冬季分別增加用電負(fù)荷1 174 kW和593 kW。

表5 低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)能量平衡數(shù)據(jù)

3.2 節(jié)能效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過應(yīng)用低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳,具體增加或減少的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表6。從表6可得,節(jié)約天然氣預(yù)計產(chǎn)生效益為685萬元/a。改造后,每年可以減少CO2排放量13 525 t,增加效益約67.6萬元。

表6 增加或減少的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 論

基于中國石化某工作站實(shí)際熱能回收利用現(xiàn)狀分析,發(fā)現(xiàn)站內(nèi)換熱流程的實(shí)際夾點(diǎn)溫度與最佳溫差值偏差很大,而且余熱負(fù)荷大,其工藝余熱回收率僅25.48%,較多余熱被排棄。

為了有效回收余熱,基于“溫度對口、梯級利用”的原則,對該工作站進(jìn)行余熱低碳化綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)工作站冷熱物流合理夾點(diǎn)溫度為5～32 ℃,最佳夾點(diǎn)溫度為7 ℃。采用壓縮式熱泵技術(shù)建立了工作站“智慧熱島”能源站,智能高效回收一列、二列溶劑再生塔塔頂熱量,用于原油加熱、脫乙烷塔底再沸、采暖和升級利用替代部分再生塔底再沸器蒸汽。

通過優(yōu)化余熱低碳化綜合利用系統(tǒng),該工作站可以降低能耗約10.62×106kgce/a,通過節(jié)約天然氣消耗可新增效益685萬元/a;同時,改造后每年可以減少CO2排放量約13 525 t,新增效益約67.6萬元。