楊 震 張亞飛 曾 博 魏正學(xué) 王秋麟 蒲黎明

1. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司, 北京 100007;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 成都 四川 610041;3. 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083;4. 中石油北京天然氣管道有限公司, 北京 100083

0 前言

凝析氣田天然氣中含有大量C2及C2以上等輕烴組分，是制備乙烯的優(yōu)質(zhì)原料。隨著國內(nèi)天然氣處理技術(shù)的迅速發(fā)展,油氣田企業(yè)通過建設(shè)天然氣輕烴回收廠，回收天然氣中C2及C2以上組分生產(chǎn)乙烷、液化石油氣(LPG)和穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品,不僅有效利用了資源,而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

隨著國內(nèi)節(jié)能減排要求的提高,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)外輸天然氣壓縮機(jī)組進(jìn)行余熱回收,能夠?qū)崿F(xiàn)資源有效利用,達(dá)到節(jié)能降耗目的[1-5]。目前，國內(nèi)油氣田對(duì)天然氣增壓機(jī)組產(chǎn)生的余熱主要采用吸收式制冷、直接回收、溫差發(fā)電和有機(jī)朗肯循環(huán)等方式進(jìn)行回收利用,節(jié)能效果顯著[6-20]。因此本文針對(duì)西部某油田輕烴回收廠及擴(kuò)建工程提出了一種利用外輸氣增壓機(jī)出口氣余熱回收進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案,實(shí)現(xiàn)資源再利用。

1 冷卻系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

西部某油田輕烴回收廠2017年投產(chǎn),年處理天然氣規(guī)模100×108m3，回收天然氣中C3及C3以上組分生產(chǎn)LPG和穩(wěn)定輕烴,每年可生產(chǎn)45×104t液烴產(chǎn)品。由于該輕烴回收廠地處沙漠地帶,水資源匱乏,其冷卻系統(tǒng)采用電驅(qū)風(fēng)冷制冷機(jī)組制備冷凍水為輕烴回收廠壓縮機(jī)電機(jī)、變頻器等設(shè)備提供冷量,風(fēng)冷系統(tǒng)年耗電2 213.2×104kWh。該輕烴回收廠擬擴(kuò)建,將天然氣中C2組分進(jìn)行回收,每年乙烷產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)到76×104t,用于下游60×104t乙烷裂解制乙烯工程原料。擬擴(kuò)建項(xiàng)目中天然氣經(jīng)增壓后升溫達(dá)到105 ℃，需冷卻至40 ℃外輸，增壓機(jī)組冷卻系統(tǒng)是輕烴回收廠用電消耗的大戶,也是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)能降耗的重要方向。

1.1 冷卻系統(tǒng)能耗分析

西部某油田輕烴回收廠現(xiàn)有冷卻系統(tǒng),主要依靠電驅(qū)風(fēng)冷制冷機(jī)組和空氣冷卻器聯(lián)合制冷方案,配置12臺(tái)冷卻水循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)冷凍水循環(huán),用電負(fù)荷情況見表1。夏季環(huán)境溫度高,使用電驅(qū)風(fēng)冷制冷機(jī)組制冷,配置 426 kW 制冷機(jī)12臺(tái),用電負(fù)荷5 291 kW,年運(yùn)行時(shí)間 4 000 h,耗電2 116.4×104kWh；冬季環(huán)境溫度低,冷卻負(fù)荷降低,同時(shí)為節(jié)約能耗,停開電驅(qū)風(fēng)冷制冷機(jī)組,僅使用空氣冷卻器冷卻冷凍水,配置22 kW空氣冷卻器12臺(tái),用電負(fù)荷847 kW,年運(yùn)行時(shí)間4 000 h,耗電96.8×104kWh。冷卻系統(tǒng)制冷總功率5 533 kW,年耗電量2 213.2×104kWh,現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)耗電主要集中在夏季,冬夏兩季電能消耗占比見圖1。

表1 冷卻系統(tǒng)用電負(fù)荷情況

設(shè)備數(shù)量/臺(tái)單臺(tái)規(guī)格/(kW·臺(tái)-1)冷凍水循環(huán)泵12(11用1備)55制冷機(jī)12(11用1備)426空氣冷卻器12(11用1備)22

圖1 輕烴回收廠冷卻系統(tǒng)冬夏兩季電能消耗占比圖

1.2 冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷分析

輕烴回收廠擴(kuò)建后冷卻系統(tǒng)主要用冷設(shè)備，包括LPG冷水器、穩(wěn)定輕烴冷水器、外輸增壓裝置油站冷卻器、外輸增壓裝置主電機(jī)冷卻器、外輸增壓裝置變頻冷卻器以及外輸天然氣冷卻器,夏季用冷負(fù)荷15 152.4 kW,冬季用冷負(fù)荷4 443.6 kW。用冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表2、表3,外輸增壓裝置冷卻負(fù)荷在夏季占整個(gè)冷卻系統(tǒng)負(fù)荷97%以上,因此選擇天然氣外輸增壓裝置冷卻工藝作為冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的突破口。

1.3 外輸增壓裝置冷卻工藝流程

天然氣外輸增壓裝置處于輕烴回收廠最末端,天然氣在輕烴回收后,壓力降到2.78 MPa,需要進(jìn)入增壓裝置將天然氣增壓至6.2 MPa后外輸,夏季天然氣經(jīng)過增壓后溫度從34.7 ℃升至103.7 ℃,冬季溫度則達(dá)到92 ℃。冷卻工藝流程為:增壓裝置—換熱器—空氣冷卻器—水冷卻器—外輸管線,高溫天然氣先進(jìn)入換熱器冷卻至70～85 ℃,再進(jìn)入空氣冷卻器冷卻至50 ℃,最后通過水冷卻器冷卻至40 ℃達(dá)到外輸條件，見圖2。

表2 冷卻系統(tǒng)裝置用冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

設(shè)備數(shù)量/臺(tái)單臺(tái)負(fù)荷/kW運(yùn)行特點(diǎn)LPG冷水器2245夏季運(yùn)行穩(wěn)定輕烴冷水器235夏季運(yùn)行外輸增壓裝置油站冷卻器12420全年連續(xù)外輸增壓裝置油站冷卻器22350全年連續(xù)外輸增壓裝置主電機(jī)冷卻器12840全年連續(xù)外輸增壓裝置主電機(jī)冷卻器22700全年連續(xù)外輸增壓裝置變頻冷卻器12350全年連續(xù)外輸增壓裝置變頻冷卻器22295全年連續(xù)天然氣冷卻器23 600夏季運(yùn)行

表3 冬夏兩季冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷

項(xiàng)目用冷負(fù)荷/kW夏季工藝10 980冬季工藝3 220夏季工藝(120%工況)13 176冬季工藝(120%工況)3 864夏季工藝設(shè)計(jì)(1.15倍)15 152.4冬季工藝設(shè)計(jì)(1.15倍)4 443.6

圖2 外輸增壓裝置冷卻工藝流程圖

2 外輸增壓裝置冷卻工藝優(yōu)化潛力

通過對(duì)外輸增壓裝置冷卻工藝流程分析發(fā)現(xiàn),增壓裝置的高溫天然氣在經(jīng)過換熱器第一次降溫時(shí),會(huì)將大量的熱傳遞給換熱器中的冷卻水,產(chǎn)生余熱,但未得到充分利用，見圖3。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn),換熱器余熱負(fù)荷剛好能滿足夏季冷卻系統(tǒng)的用冷負(fù)荷需求,可通過優(yōu)化工藝流程,利用換熱器余熱為冷卻系統(tǒng)制冷。

圖3 外輸增壓裝置冷卻工藝余熱產(chǎn)生示意圖

2.1 潛在可利用余熱分析

夏季，外輸增壓裝置出口天然氣溫度103.7 ℃,經(jīng)過換熱器換熱降溫后,天然氣溫度降至70 ℃,同時(shí)將換熱器中60 ℃冷卻水加熱至80 ℃;冬季，外輸增壓裝置出口天然氣溫度92 ℃,經(jīng)過換熱器換熱降溫后,天然氣溫度降至85 ℃,同時(shí)將換熱器中冷卻水加熱至85 ℃。換熱器獲得的天然氣余熱負(fù)荷可按式(1)計(jì)算:

Q=CMq(to-ti)K

(1)

式中:Q為換熱器獲得余熱負(fù)荷,kW;C為天然氣熱容,kJ/kg·℃;Mq為天然氣質(zhì)量流量,kg/h;ti為天然氣換熱裝置進(jìn)口溫度,℃;to為天然氣換熱裝置出口溫度,℃;K為能量換算系數(shù),kW/kJ,1/3 600。

計(jì)算得出，夏季換熱器可獲得天然氣余熱負(fù)荷20 560 kW,冬季換熱器可獲得天然氣余熱負(fù)荷4 372 kW，具體計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 換熱器獲得天然氣余熱負(fù)荷

季節(jié)天然氣換熱運(yùn)行參數(shù)ti/℃to/℃Mq/(×10 5 kg·h-1)C/(kJ·kg-1)余熱負(fù)荷Q/kW夏季103.7704.212.60720 560冬季92854.212.6074 372

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

2.2.1 供需平衡分析

天然氣經(jīng)過換熱器降溫產(chǎn)生的余熱給外輸增壓裝置冷卻工藝優(yōu)化提供了可能,余熱利用應(yīng)該在充分考慮冷卻系統(tǒng)負(fù)荷供需平衡的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

夏季,換熱器產(chǎn)生的余熱負(fù)荷可以滿足冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷和綜合公寓生活熱水用熱負(fù)荷需求。夏季冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷15 152.4 kW,綜合公寓生活熱水用熱負(fù)荷485 kW,冷熱負(fù)荷合計(jì)15 637.4 kW,換熱器產(chǎn)生余熱負(fù)荷20 560 kW,完全滿足冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷和綜合公寓生活熱水用熱負(fù)荷需求。因此,在夏季可以利用換熱器產(chǎn)生的余熱負(fù)荷通過熱水型溴化鋰機(jī)組制冷產(chǎn)生冷凍水,為冷卻系統(tǒng)提供用冷負(fù)荷,同時(shí)為綜合公寓熱水提供熱源。

冬季,換熱器產(chǎn)生的余熱負(fù)荷不能滿足冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷需求,但可以滿足建筑單體供暖、綜合公寓熱水以及除鹽水裝置用熱負(fù)荷需求。冬季室外溫度低,冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷降低至4 443.6 kW,換熱器余熱可提供的負(fù)荷同時(shí)也降至4 372 kW,此時(shí)換熱器余熱負(fù)荷已不能滿足冷卻系統(tǒng)制冷負(fù)荷需求。通過對(duì)輕烴回收廠生產(chǎn)生活區(qū)供暖供熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì),冬季生產(chǎn)生活供熱負(fù)荷約3 468 kW,其中工業(yè)建筑單體冬季供暖負(fù)荷約1 000 kW,2座綜合公寓采暖負(fù)荷分別為 1 350、483 kW,2座綜合公寓生活熱水負(fù)荷分別為320、165 kW；另外,輕烴回收廠有除鹽水裝置1套,為保證其除鹽效率,需要對(duì)進(jìn)入除鹽水裝置的水進(jìn)行預(yù)熱,其熱負(fù)荷約150 kW,見表5。冬季換熱器產(chǎn)生的余熱可以滿足供暖及除鹽水裝置供熱負(fù)荷需求。因此,在冬季可以通過空氣冷卻器為冷卻系統(tǒng)供冷,換熱器余熱負(fù)荷為建筑單體供暖、生活熱水供熱以及除鹽裝置供熱,見表6。

表5 生產(chǎn)生活區(qū)供暖供熱負(fù)荷需求

用熱單體負(fù)荷/kW用熱特點(diǎn)工業(yè)建筑供暖1 000冬季運(yùn)行綜合公寓1供暖1 350冬季運(yùn)行綜合公寓2供暖483冬季運(yùn)行綜合公寓1生活熱水320全年連續(xù)綜合公寓2生活熱水165全年連續(xù)除鹽水裝置150冬季運(yùn)行合計(jì)3 468

表6 換熱器余熱負(fù)荷供需分析

季節(jié)換熱器余熱負(fù)荷Q/kW冷凍水站用熱負(fù)荷Q1/kW生產(chǎn)生活區(qū)用熱負(fù)荷Q2/kW供需分析夏季20 56015 152.4485Q>Q1+Q2冬季4 3724 443.63 468QQ2

2.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

統(tǒng)籌考慮冬夏兩季余熱負(fù)荷、冷卻系統(tǒng)用冷負(fù)荷需求以及輕烴回收廠生產(chǎn)生活用熱等情況,本文對(duì)冷卻系統(tǒng)工藝進(jìn)行重新優(yōu)化。

2.2.2.1 制冷工藝方案

根據(jù)換熱器余熱負(fù)荷情況,夏季充分利用換熱器余熱,通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)組制冷,為冷卻系統(tǒng)提供冷凍水。余熱回收中熱水的制備采用閉式循環(huán)系統(tǒng),熱源依靠設(shè)置在外輸氣管線上的換熱器提供,循環(huán)動(dòng)力依靠熱水循環(huán)泵,制冷工藝采用2臺(tái)7 600 kW熱水型溴化鋰制冷機(jī)組,總規(guī)模15 200 kW。夏季運(yùn)行時(shí),冷凍水經(jīng)過余熱回收制冷裝置,將水溫冷卻至30 ℃,然后送至各冷卻裝置區(qū),其回水溫度為35 ℃,見圖4。冬季運(yùn)行時(shí),環(huán)境溫度低,主要采用空氣冷卻器為冷卻系統(tǒng)供冷,將冷凍水冷卻至30 ℃,送至各冷卻裝置區(qū),其回水溫度為35 ℃,見圖5。系統(tǒng)循環(huán)采用冷凍水循環(huán)泵作為循環(huán)動(dòng)力,系統(tǒng)定壓采用低位囊式定壓罐定壓,補(bǔ)水系統(tǒng)采用除鹽水裝置及補(bǔ)水泵實(shí)現(xiàn)。

圖4 夏季制冷工藝示意圖

圖5 冬季制冷工藝示意圖

2.2.2.2 余熱供暖工藝方案

在冬季，余熱回收和熱水的制備與制冷工藝采用同一套閉式循環(huán)系統(tǒng),熱源依靠設(shè)置在外輸氣管線上的換熱器提供,循環(huán)動(dòng)力依靠熱水循環(huán)泵,熱水供水溫度為85 ℃,另設(shè)置二級(jí)供暖換熱器2套(1用1備),為新建公寓、已建公寓及輕烴回收廠廠區(qū)供采暖熱水,熱水供水溫度為80 ℃,二級(jí)系統(tǒng)采用閉式循環(huán),循環(huán)動(dòng)力依靠熱水循環(huán)泵。換熱站設(shè)置在輕烴回收廠中,熱水采用熱力管道輸送至用熱建筑單體,見圖6。

圖6 冬季余熱供暖工藝示意圖

2.2.3 工藝優(yōu)化裝置需求

工藝優(yōu)化裝置需求見表7。

3 余熱回收利用方案效果

3.1 節(jié)能降耗分析

冷卻系統(tǒng)工藝優(yōu)化后,夏季利用余熱回收制冷為冷卻系統(tǒng)供冷,冷卻系統(tǒng)需配置150 kW冷卻水循環(huán)泵4臺(tái)(2用2備),30 kW制冷機(jī)2臺(tái),90 kW熱水循環(huán)泵4臺(tái)(2用2備),350 kW冷卻水泵4臺(tái)(2用2備),132 kW空氣冷卻器2臺(tái),夏季冷卻系統(tǒng)制冷用電負(fù)荷1 504 kW,運(yùn)行4 000 h,運(yùn)行期間耗電601.6×104kWh;冬季使用空氣冷卻器制冷,制冷用電負(fù)荷964 kW,運(yùn)行4 000 h,運(yùn)行期間耗電385.6×104kWh,見表8。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案冷卻系統(tǒng)冬夏兩季年耗電987.2×104kWh,較優(yōu)化前每年節(jié)約耗電1 226×104kWh。另外,冬季供暖按照GB/T 2589-2008《綜合能耗計(jì)算通則》給定的電力當(dāng)量值3 095 kJ/(kW·h)、燃料氣熱低位值33 450 kJ/m3計(jì)算,每年節(jié)約燃料氣144.5×104m3。

表7 工藝優(yōu)化裝置需求

裝置設(shè)備型號(hào)規(guī)格數(shù)量余熱回收利用變頻式余熱熱水循環(huán)泵流量450 m3/h,揚(yáng)程50 m4臺(tái)一次系統(tǒng)補(bǔ)水定壓裝置補(bǔ)水量5 m3/h1套二次系統(tǒng)補(bǔ)水定壓裝置補(bǔ)水量5 m3/h1套供暖循環(huán)泵流量250 m3/h,揚(yáng)程50 m2套板式換熱器換熱負(fù)荷5 000 kW2套天然氣余熱回收換熱器換熱負(fù)荷10 280 kW2臺(tái)外輸熱力管網(wǎng)高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制保溫管DN 3005 km

表8 優(yōu)化后冷卻系用冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

設(shè)備數(shù)量/臺(tái)規(guī)格/(kW·臺(tái)-1)冷凍水循環(huán)泵4(2用2備)150制冷機(jī)2(不備用)30熱水循環(huán)泵4(2用2備)90冷卻水泵4(2用2備)350空氣冷卻器2(不備用)132

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)測(cè)算,余熱回收利用方案的一次性投資比原方案高2 127萬元。但優(yōu)化設(shè)計(jì)方案年運(yùn)行成本比原始設(shè)計(jì)方案降低了59.8%,10年運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)節(jié)約4 964.2萬元,見表9。

表9 投資效益測(cè)算

方案冷卻系統(tǒng)初投資/(萬元·座-1)電費(fèi)/(萬元·年-1)燃?xì)赓M(fèi)/(萬元·年-1)一次性投資/萬元10年運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)/萬元一次性投資+10年運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)/萬元原設(shè)計(jì)2 7001 593.5174.092 70011 860.714 560.7余熱回收利用4 827710.804 8274 769.59 596.5 注:電費(fèi)按0.72元/kW·h(8 000 h/a)計(jì)算,不含稅;燃?xì)赓M(fèi)按1.21元/m3(4 000 h/a)計(jì)算,不含稅。

4 結(jié)論

本文在對(duì)西部某油田輕烴回收廠冷卻系統(tǒng)工藝流程及能耗分析的基礎(chǔ)上,發(fā)掘其余熱利用潛能,設(shè)計(jì)的余熱回收利用方案夏季可以為輕烴回收廠冷卻系統(tǒng)提供20 560 kW余熱負(fù)荷,冬季能夠?yàn)檩p烴回收廠廠區(qū)建筑供暖提供4 372 kW余熱負(fù)荷,在不影響生產(chǎn)工藝流程的前提下,有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。余熱回收利用方案可以為輕烴回收廠冷卻系統(tǒng)每年節(jié)約耗電1 226×104kWh;冬季可為廠內(nèi)建筑供暖、生活熱水、除鹽裝置供熱，每年節(jié)省燃料氣消耗144.5×104m3;每年可節(jié)約燃料消耗折合標(biāo)煤2 773.2 t,CO2減排7 377 t;10年現(xiàn)值節(jié)約4 964.2 萬元。余熱回收利用方案為輕烴回收廠節(jié)能減排提供了新思路。