天然气净化厂公用介质优化研究

2022-07-14庾年伟

四川化工 2022年3期

庾年伟

(中国石化达州天然气净化有限公司天然气净化厂，四川达州，635000)

1 前言

某天然气净化厂公用介质主要包括：中、低压蒸汽、氮气、净化风、非净化风、燃料气和循环水等。公用介质不仅是装置生产运行、停工保护的必需要素，也是全厂降耗、增效的有效突破点。据统计，该天然气净化厂生产运行能耗占普光气田生产运行能耗的97%，净化厂自耗气量占分公司自耗气量的95%，净化厂节能增效对普光气田意义重大。对此，天然气净化厂从优化生产组织、公用介质供给方面下功夫，针对联合装置关键设施不同运行状态下公用介质平衡，开展系统性研究，以技术、数据为支撑，促进公用介质供给精细化管理水平进一步提高，提升天然气生产效率，为气田降本增产增效打下坚实基础。

2 单列净化装置不同状态下公用介质消耗分析

2.1 正常生产工况

2.1.1 氮气

氮气主要用于联合装置气密、置换、燃烧器管嘴保护。单列装置用量为550方/小时，其中尾炉、克劳斯炉、加氢炉仪表保护用量330方/小时，占总用量的60%，过程气切断阀HV-31007A/B两侧保护氮气150方/小时，占总用量的27%。

2.1.2 燃料气

满负荷生产工况：燃料气用于尾炉、加氢炉燃烧器及长明灯，总量约3350方/小时(包含闪蒸汽)，其中尾气焚烧炉用量1950方/小时，加氢炉550方/小时，克劳斯炉用量0，管网充压消耗平均850方/小时。

2.1.3 中压蒸汽

中压蒸汽产出/消耗：产出点为克劳斯炉、尾炉余热锅炉，累计产出量68t/h，消耗点为联合装置汽驱，单套消耗20t/h，一级二级反应加热器、TEG重沸器等换热设备消耗量较少，约8.8t/h。累计产出19.2t/h。

2.1.4 低压蒸汽

低压蒸汽产出/消耗：利用硫磺冷却器、加氢反应换热器，回收装置过程气余热，产出低压蒸汽25t/h；汽驱中压蒸汽做功转化低压蒸汽；消耗方面，重沸器E-104消耗51t/h，占总消耗量的70%。累计消耗7.2t/h。

表1 单列装置正常生产中、低压锅炉水使用情况

2.1.5 中、低压锅炉水

2.2 停工过程

2.2.1 氮气

停工初期氮气用量高达980方/小时，主要增加用量为：C-104塔顶氮气加速胺液再生、酸性气管线置换、加氢开工循环线投用。中期用量720方/小时，主要增加用量为：原料气过滤器置换、开工喷射器EJ-401置换。后期稳定于600方/小时。

2.2.2 燃料气

停工过程消耗：硫磺单元钝化结束前，燃料气用量约3050-3250方/小时，其中克劳斯炉吹硫、钝化燃料气用量1100方/小时，尾炉1100-1300方/小时。硫磺单元降温后，克劳斯逐步降至300方/小时，尾炉逐步降至400方/小时。

2.2.3 停工过程中、低压蒸汽产出/消耗

对联合装置胺液再生、吹硫、钝化、降温的全过程进行了蒸汽平衡分析。较准确地反应了装置停工全过程的蒸汽产出、消耗情况。可用于全厂生产组织统筹的蒸汽平衡分析。

2.3 开工过程

2.3.1 开工过程氮气消耗

开工准备初期，氮气充压气密，单列总用量约20000方；随着克劳斯炉、尾炉保护氮气投用，用量稳定于500方/小时。加氢炉点炉、开工循环线投用后，氮气用量上升至700方/小时。

2.3.2 开工过程燃料气消耗

尾炉、克劳斯炉升温，燃料气用量分别由400方/小时、300方/小时，逐步增加为1100方/小时。装置热备期间用量为3250方/小时。引气开机后，克劳斯炉转为酸性气模式，燃料气用量由1100方/小时降为0，但尾气炉由1100方/小时增加为1850方/小时，加氢炉由200方/小时增加至550方/小时，因此，总用量保持3250方/小时。

2.3.3 开工过程中、低压蒸汽产出/消耗

对联合装置汽驱投用、建立循环、热备、引气开机的全过程进行了蒸汽平衡分析。较准确地反应了装置开工准备过程中蒸汽产出、消耗情况。

2.4 停工保护

2.4.1 停工保护氮气

依据长期停工保护方案，对联合装置停工保护期间氮气投用点、投用量进行了统计分析，与正常生产相比，停工保护氮气用量点更为分散。停工保护单列用量为570方/小时，较正常生产期间用量多20方/小时。

3 公用介质优化研究

3.1 氮气供给计算

3.1.1 充压工艺氮气用量计算

充压氮气体积=充压体积×(充压压力/大气压力)

经计算，常用氮气充压氮气用量如表2。

表2 冲压氮气使用量

3.1.2 氮气管网压降计算

依据可压缩流体力学原理建立管道压力损失公式。从微元流束中沿轴线S任意取ds段，应用理想流体欧拉运动微分方程，有：

(1)

式(1)中，v——气体体积m3；ρ——气体密度 kg/m3。

微段dl上的单位质量气体摩擦损失量为：

(2)

式(2)中，λ——气流的摩擦阻力系数；D——管径，m。

将其加到理想气体欧拉微分方程中，得到实际气体的一元运动微分方程为：

(3)

式(3)中：λ——气流的摩擦阻力系数；ρ——气体密度 kg/m3；D——管径m。

对长度为L的1、2两断面进行积分并简化，求得：

(4)

式(4)中，p1——1断面的压强，Pa；ρ1——1断面的密度，kg/m3；p2——2断面的压强，Pa；k——气体绝热指数；λ——气体摩擦阻力系数；Q——气体质量流量，kg/s；D——管径，m；l——管线长度(包括附件当量长度)，m；A——管段截面积，m2。

经计算，空分空压站出口至五联合界区，压降为0.4MPa。联合装置内部管路错杂，压力进一步损失。经实际测算，为保障末端压力，氮气管网充压消耗量约3000方/h。

3.2 联合装置燃料气用量分析

表3 联合装置不同状态下燃料气用量

结论：(1)酸性气负荷的增加，各系列加氢炉、尾炉燃料气用量以及管网充压消耗，均呈现非线性增长。(2)装置休眠运行期间燃料气消耗量约为满负荷运行工况下的57%。停工吹硫期间燃料气消耗量约为满负荷运行工况下的74%，钝化期间约为91%。

3.3 联合装置中压蒸汽产出量计算

3.3.1 克劳斯炉余热锅炉(D-302)蒸汽发生量的计算

克劳斯炉中发生的主要化学反应有：

一是1/3的H2S高温放热反应：

二是2/3的H2S与SO2的放热反应：

S8→4S2+4327kcal/Nm3

发生蒸汽从克劳斯炉中移除的热量：Q1=Q-Qs

蒸汽产量有：F1=Q1/HS1

式中:Q1——克劳斯炉过剩热，kW；Q——反应热，kW；QS——酸气升温热、燃烧空气升温热及设备散热的总和;HS1——单位3.5MPa饱和蒸汽焓值(2801.3kJ/kg)。

其中，进料酸气组分含量(V)%如表所示(参考工艺技术规程)：

带入放热量公式：

a%——H2S与SO2在克劳斯炉中反应率。

热量损失：

Qs=F酸×b1+F空×b2+Q散热=F酸(b1+Mb2)+Q散热

b1——酸气升温系数；b2——燃烧空气升温系数；Q散热——设备散热，当相关组分确定、温差一定时，可认为三者均为常数。M——酸气配风比，取1.21。

采用实际记录数据反推，确定常量值，其中：Q散热=10849140.01956 kJ，得到克劳斯炉余热锅炉(E-302)蒸汽产生量F1(t/h)与酸气量(Nm3)关系式：

F1=F酸×0.0019395-3.872895

3.3.2 尾气焚烧炉余热锅炉(D-401)蒸汽产量的推算

利用烟气温度差计算蒸汽移除的热量。利用烟气放热量公式：

Q2=∑Cpimi(Tin-Tout)

烟气产蒸汽量：

F2=Q2/HS1

式中：Cpi——烟气组分的比热容，kJ/(kg·℃)；mi——烟气各组分质量流量，kg/h；Tin——蒸发段入口烟气温度，450℃(取自工艺技术规程)；Tout——出口烟气温度，255℃；HS1——单位3.5MPa饱和蒸汽焓值(2801.3kJ/kg)。带入Q2并简化：

式中F烟——烟气流量，Nm3/h；Vi %——各组分体积比；22.4——气体摩尔体积，L/mol；ni——各组分摩尔质量，g/mol。烟气组分参考工艺技术规程。求得尾炉蒸汽产生量(单位：t/h)与烟气量(单位：Nm3/h)的关系式：

F2=F烟×0.00009857581

经实际测试，实际蒸汽产量与理论计算值误差小于3t/h。

3.4 低压蒸汽产出计算

3.4.1 胺液再生塔重沸器用量

根据能量/物料平衡，推算胺液再生塔重沸器用量。利用物体吸收/放出热量公式：Q=C_p mΔt，式中Cp——物体比热容，kJ/(kg·℃)；m——质量流量，kg/h；Δt——温度差。

胺液吸收的热量等于低压蒸汽放出的热量。对胺液重沸器E-104胺液系统进行物料平衡分析。数据代入热量公式，胺液吸收热量为1933230.19kJ。查表135℃饱和蒸汽比热容，计算得出蒸汽流量55.234t/h。

3.4.2 联合装置及图幅伴热量

利用蒸汽和凝结水的质量平衡，计算伴热用量。各装置凝结水外输量(有计量)，减去各使用点蒸汽转化凝结水量(有计量)，得到装置及图幅伴热用量(无计量)。推算得：联合装置伴热、图幅管网伴热共计使用蒸汽190.28t/h，其中单列联合装置伴热蒸汽量15t/h，图幅管网伴热蒸汽量55.28t/h。

3.5 各单元公用介质使用量优化

经理论计算、实际测试，综合考虑节能、环保、保护效果等因素，确定各单元(系列)公用介质使用量参考最优值，如表4。

表4 各单元(系列)公用介质供给参考最优值

4 现场应用效果分析

2021年9月20日开始，以最优值为参考，净化厂全面开展公用介质优化。相同的生产组织模式下，各系列装置再生蒸汽用量下降2-3t/h，动力站锅炉负荷由35t/h降低至28t/h，燃料气用量减少770方/小时；联合装置燃料气用量共减少200方/小时；全厂氮气用量由8300方/小时降低至8000方/小时。经计算累计每天可减少成本4.39万元，2021年已累计降低成本395万元。