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脱油脱水装置节能降耗分析

2014-12-24陈宗宇刘宇坤

石油化工应用 2014年11期
关键词:温度差节流阀预冷

陈宗宇,侯 山,郭 萍,刘宇坤,梁 坤

(中国石油长庆油田分公司第三采气厂,内蒙古鄂尔多斯 017300)

天然气在降低温度下形成水合物,水合物会引起管线、阀门堵塞,降低管线的流动能力,同时天然气中通常含有CO2、H2S 等酸性气体,这些气体溶于水之后,形成具有腐蚀性的酸液,引起管线和设备的腐蚀,所以脱水措施是天然气外输使用的基本要求。天然气脱水主要采用分子筛脱水、三甘醇脱水、节流降温脱水、丙烷制冷等方法进行天然气脱水。分子筛脱水效果较好,但是对于大装置,设备投资和操作费用都比较高。三甘醇脱水系统比较复杂,三甘醇溶液再生过程的能耗比较大,三甘醇溶液会损失和被污染,因此需要补充和净化,三甘醇脱水的投资和运行成本比较高。丙烷制冷脱水需要整套的丙烷压缩机等设备,耗电量较大。节流阀脱水成本低,但是在脱水循环中一部分处于水合物生成范围内,容易生成水合物,因此需要采取添加抑制剂等防止水合物生成的措施,以及配套的抑制剂回收系统。

1 处理厂脱油脱水装置节能应用

原料气(约25 ℃)经过滤分离器进入预冷换热器,利用外输的产品气对原料气进行预冷,夏季温度降低至2 ℃(冬季温度降低至-8 ℃);再进入丙烷蒸发器,与液体丙烷进行换热降温,夏季温度降低至-5 ℃(冬季温度降低至-15 ℃);进入低温分离器进行脱油脱水,再进入预冷换热器,与原料天然气逆流换热,然后去配气区进行外输。

假设没有预冷换热器的换热效果,原料气的温度需要从25 ℃降温至-5 ℃(冬季温度降低至-15 ℃),温度变化范围夏季约30 ℃,冬季约40 ℃。在脱油脱水装置中应用了预冷换热器,原料气需要制冷温度约7 ℃,能够有效的降低丙烷蒸发器的负荷,起到节能降耗的目的(见图1)。

图1 装置工艺流程图

2 预冷换热器换热效率分析

2.1 管壳式换热器的传热原理

热传递基本公式:

根据传热可知,提高传热效率的途径有三条:提高传热系数K,增大换热面积A;加大对数平均温差ΔT。适当的增大换热面积和增大对数平均温度差可以提高换热效率,提高热传递系数K:

K-总热传递系数,ao-管外流体给热系数,at-管内流体给热系数,rdo-管外污垢热阻,rdt-管内污垢热阻,rw-管壁热阻,Ao/At-管外表面积和管内表面积比,η-翅化比(螺纹管外表面积/光管外表面积)。

而换热管的材料、规格一旦选定,则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下来。提高管内、外换热系数ao和at、降低污垢系数rt和ro, 能够有效提高换热器的总传热系数K。

2.2 预冷换热器温度变化曲线分析

根据GB151-1999 附录F 中描述,传热系数K 固定不变时,在纯逆流换热器中,流体温度变化情况(见图2)。

图2 预冷换热器温度变化曲线图

按照脱油脱水装置换热器的换热过程,符号纯逆流换热,T0为原料气管层进口温度,T1为原料气管层出口温度,t1为产品气壳层进口温度,t0为产品气壳层出口温度。ΔT1=T1-t1为丙烷蒸发器制冷后温度差,ΔT0=T0-t0为出预冷换热器管壳层温度差。

换热面积=长度×单位长度换热面积,图2 横坐标为换热器长度L,图2 可以描述为在不同的换热面积后,温度差的变换过程,脱油脱水装置中,原料气进气温度T0,经预冷换热器后交换热量Q1使得温度降至T1,经丙烷蒸发器制冷交换热量Q2使得温度降至t1,原料气总消耗热量Q原=Q1+Q2,Q1为图3 阴影部分面积,Q2为丙烷蒸发器制冷的热量。经丙烷蒸发器后的产品气经预冷换热器吸收的热量Q3使得温度升至t0,产品气吸收的热量Q3为图4 阴影部分面积。进出装置消耗的总能量Q=Q1+Q2-Q3。

图3

图4

假设ΔT1=ΔT0,即T1-t1=T0-t0;换热器在换热过程中,无能量损耗,能量只在进行原料气和产品气间进行热传递。由于曲线变化速率一致,Q1=Q3,进出装置的总消耗能量为Q=Q2,为丙烷制冷消耗的能量。

正常使用换热器过程中,ΔT1≠ΔT0,设备存在散热是必然的现象,做好设备与空气间的隔热非常重要,能够减少能量的损耗。

3 脱油脱水装置节能分析

3.1 用电量节约

由预冷换热器变化曲线,可以得出丙烷蒸发器制冷是关键,温度差过大,必然导致设备运行负荷增大,考虑降低温度差可以降低丙烷蒸发器的制冷能耗。由热传递基本公式Q=KAΔT,降低温度差,热传递效率下降,适当增大换热面积能够有效提高传递效率。

苏里格第五天然气处理厂12 月装置处理气量13 338×104m3天然气,装置耗电量22.95×104kW·h,装置进出口温度差5 ℃,换算日均处理500 万m3天然气需要消耗约8 600 kW·h 电量。假设增大2 倍换热面积,不考虑设备与大气间的热传递,保证热传递效率与原先的一样,温度差可减半,装置进出口温度差2.5 ℃,可以直接降低丙烷蒸发器的制冷量,减少了丙烷蒸发器的运行负荷,可以选择负荷更低的设备,有效的减少耗电量。

3.2 采用节流阀降低温度

低温分离器上游增设节流阀,取消丙烷蒸发器流程。节流阀能够直接对天然气进行降温。选择合适的节流阀和预冷换热器达到低温分离器温度,夏季温度降低至-5 ℃(冬季温度降低至-15 ℃),减少了丙烷制冷系统带来的能量消耗,日均节省8 600 kW·h 电量。

节流前后温度降ΔT 的计算公式:ui-焦耳-汤姆逊系数,温度在-15 ℃~25 ℃,压力在4.0 MPa~5.0 MPa,甲烷的ui大于3.87[1]。

图5

当压力降为0.5MPa 时,温度差为1.935 ℃(0.5×3.87);当压力降为1 MPa 时,温度差3.87 ℃。

缺点是增大了装置运行的压降,气量不易控制。

4 结论和建议

(1)通过预冷换热器温度差变化曲线分析装置能量的变化情况,装置总的消耗能量为丙烷制冷。有效的做好设备与空气间的隔热,减少能量的损耗。

(2)通过用电量的统计,分析适当增加换热面积,减少温度差的途径,选择更低负荷的设备,有效的减少耗电量。

(3)增加节流阀的途径,直接进行降温处理,取代丙烷制冷消耗的能量,有效的进行节能降耗。

[1] 董正远.计算天然气焦耳一汤姆逊系数的BWRS 方法[J].油气储运,2007,26(1):18-22.

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