天然氣加溫減壓站余能計(jì)算及回收利用方案探討

惲 鴻 張彩娟

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

天然氣綜合利用項(xiàng)目是中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)“六期”工程項(xiàng)目之一，天然氣加溫減壓設(shè)施是天然氣綜合利用項(xiàng)目的其中一項(xiàng)內(nèi)容。目前，上海石化的4.0 MPa天然氣通過(guò)加溫減壓設(shè)施經(jīng)二級(jí)減壓到0.6 MPa后進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)輸送給各燃料氣用戶使用。天然氣加溫減壓站建立在上海石化芳烴部2#芳烴聯(lián)合裝置內(nèi)，由中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司設(shè)計(jì)，于2010年3月18日投入運(yùn)行。天然氣加溫減壓站采用了二級(jí)調(diào)壓方式，主要通過(guò)增設(shè)計(jì)量、換熱及減壓設(shè)施，將從上游交接門站來(lái)的4.0 MPa的高壓天然氣先經(jīng)過(guò)固定管板式換熱器與低壓凝水換熱至40 ℃后進(jìn)入一級(jí)減壓閥，將4.0 MPa天然氣壓力減壓至1.6 MPa，再進(jìn)入二級(jí)減壓閥減壓至0.6 MPa。經(jīng)過(guò)調(diào)壓后的天然氣通過(guò)燃料氣管網(wǎng)送至上海石化芳烴部及其他二級(jí)單位燃料氣用戶使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年，經(jīng)加溫減壓站減壓的天然氣約為3.9×108m3。

1 加溫減壓站可用余能計(jì)算

天然氣減壓過(guò)程中釋放的壓力能、冷能的大小是確定是否具有能量利用價(jià)值的關(guān)鍵參數(shù)。

ex,h=ex,p+ex,t

(1)

式中：ex,h——天然氣的比焓，kJ/kg；

ex,t——天然氣的比溫度，kJ/kg；

ex,p——天然氣的比壓力，kJ/kg。

(2)

式中：T0——環(huán)境溫度，K；

P1——狀態(tài)變化前的天然氣絕對(duì)壓力，MPa；

P2——狀態(tài)變化后的天然氣絕對(duì)壓力，MPa；

V——天然氣的比體積，m3/kg；

Rg——甲烷摩爾氣體常數(shù)，一般取0.518 kJ/(kg·K)。

(3)

式中：T——狀態(tài)變化后的天然氣溫度，K；

Cp——天然氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)。

由式(3)可知：若要計(jì)算高壓天然氣膨脹降壓后產(chǎn)生的冷能，需計(jì)算出經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹降壓后天然氣的溫度T。

對(duì)于實(shí)際氣體的絕熱非等熵膨脹過(guò)程，可以采用以下方程表示[8]：

pVn=常數(shù)

(4)

其中：n=k/(k-Ф2(k-1))

(5)

式中：n——絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)；

k——比熱容比，甲烷一般取1.29；

Ф——透平膨脹機(jī)的速度因子。

只要由式(5)求出絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)n，可由式(6)算出膨脹降壓后天然氣的溫度[9]：

T2=T1(P2/P1)(n-1)/n

(6)

式中：T1——透平膨脹機(jī)進(jìn)口氣體溫度，K；

T2——透平膨脹機(jī)出口氣體溫度，K。

為便于計(jì)算，假設(shè)天然氣的組分全部是甲烷，取環(huán)境壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃，天然氣的比定壓熱容Cp取為2.223 kJ/(kg·K)，透平膨脹機(jī)的速度因子為0.96。由式(5)計(jì)算出絕熱非等熵過(guò)程的指數(shù)n為1.26。

2 透平膨脹機(jī)替代減壓系統(tǒng)的改造方案

上海石化天然氣減壓過(guò)程中損失大量的能量，為回收利用天然氣調(diào)壓過(guò)程中產(chǎn)生的壓力能和冷能，擬采用透平膨脹機(jī)替代原加溫減壓系統(tǒng),通過(guò)新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。

2.1 原料

擬建裝置原料來(lái)自上游交接門站來(lái)的高壓天然氣，其平均流量為46 000 m3/h(波動(dòng)范圍在17 000～49 000 m3/h)，平均壓力為4.0 MPa(波動(dòng)范圍在2.89 ～4.8 MPa)，操作彈性為50%～120%。進(jìn)入膨脹機(jī)入口的天然氣原料組成見(jiàn)表1(2013年12月平均值)。

表1 原料天然氣組成

2.2 工藝流程

天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施由天然氣膨脹壓縮機(jī)組、制冷換熱器、空氣冷卻換熱器及循環(huán)水泵等組成，其中膨脹壓縮機(jī)組是核心設(shè)備。擬建裝置的能量利用方式為：以天然氣膨脹機(jī)的輸出功驅(qū)動(dòng)同軸空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣，滿足生產(chǎn)裝置部分壓縮空氣的需求；以天然氣膨脹降溫產(chǎn)生的余冷生產(chǎn)冷凍循環(huán)水，滿足生產(chǎn)裝置部分需要冷能的工藝設(shè)備要求。天然氣差壓余能利用工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施工藝流程示意

天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)天然氣首級(jí)入口，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹做功直接帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣。天然氣燃料氣經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)后，出口溫度為-17.6 ℃，進(jìn)入換熱器生產(chǎn)0 ℃的冷凍循環(huán)水，同時(shí)天然氣原料氣溫度上升。

經(jīng)一級(jí)膨脹機(jī)換熱后的天然氣進(jìn)入二級(jí)膨脹機(jī)，同樣帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)制壓縮空氣。原料天然氣通過(guò)膨脹機(jī)后壓力減至0.6 MPa，溫度又下降至-44.3 ℃，再通過(guò)換熱器生產(chǎn)0 ℃的冷凍水，換熱后的天然氣進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)。空氣首先經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器進(jìn)入首級(jí)壓縮機(jī)(由二級(jí)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng))，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，壓力升至0.20 MPa，溫度升至195 ℃，經(jīng)循環(huán)水冷卻換熱器后溫度降至40 ℃的空氣經(jīng)二級(jí)壓縮(有一級(jí)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng))，壓力升至0.80 MPa，溫度升至195 ℃，經(jīng)循環(huán)水冷卻換熱器溫度降至20 ℃后送壓縮空氣管網(wǎng)。

上海石化的生產(chǎn)裝置均為連續(xù)性生產(chǎn)裝置，通過(guò)天然氣差壓余能利用設(shè)施生產(chǎn)的冷凍水和壓縮空氣是為下游裝置提供公用工程產(chǎn)品的。為保證在天然氣差壓余能利用設(shè)施發(fā)生故障或停機(jī)維修時(shí)下游裝置的正常運(yùn)行，擬建的余能利用設(shè)施考慮了相應(yīng)的應(yīng)急措施：

(1)原有的天然氣加溫減壓站保留。同時(shí)，為確保在膨脹機(jī)組發(fā)生故障或停機(jī)維修時(shí)能穩(wěn)定快速地切換至旁通系統(tǒng)，天然氣在膨脹機(jī)入口和原減壓系統(tǒng)入口設(shè)置快速切斷閥；為確保天然氣出口壓力穩(wěn)定在0.6 MPa進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，二級(jí)減壓后的天然氣出口處增設(shè)一組調(diào)節(jié)閥。

(2)壓縮空氣出口處設(shè)置高壓緩沖罐，該罐壓縮空氣的儲(chǔ)存量可滿足下游裝置30 min用氣量，留出切換至備用空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，保證下游裝置壓縮空氣的正常使用。

(3)0 ℃冷凍水供給需要冷能的工藝設(shè)備，這些工藝設(shè)備原有的預(yù)冷設(shè)施需要保留，必要時(shí)需重新啟動(dòng)。

(4)降低空壓機(jī)進(jìn)氣溫度可以有效提高膨脹機(jī)的效率[10]。工藝中擬采用膨脹后的低溫天然氣冷量冷卻空壓機(jī)進(jìn)氣空氣，增加進(jìn)入空壓機(jī)空氣的數(shù)量，從而在壓比不變的情況下減少所需的壓縮功，進(jìn)一步提高透平膨脹機(jī)的效率。

2.3 產(chǎn)品性質(zhì)

天然氣膨脹降溫產(chǎn)生的冷量用于制備0 ℃冷凍循環(huán)水，供給需要冷量的工藝設(shè)備；天然氣膨脹機(jī)的輸出功驅(qū)動(dòng)同軸空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣送壓縮空氣管網(wǎng)供用戶使用。壓縮空氣及冷凍水產(chǎn)品規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 壓縮空氣及冷凍水參數(shù)

2.4 裝置運(yùn)行成本

一套平均流量為46 000 m3/h天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施運(yùn)行成本見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)行成本估算

從表3操作成本數(shù)據(jù)可以看出：擬建的天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施年運(yùn)行總成本為129.42萬(wàn)元。

2.5 效益分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2012年上海石化經(jīng)加溫減壓站減壓的天然氣約為3.9×108m3。目前，這部分天然氣是采用二級(jí)調(diào)壓方式將高壓天然氣減壓后進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)供上海石化芳烴部及其他二級(jí)單位下游用戶使用的，沒(méi)有進(jìn)行能量的回收利用。新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施可回收大量的能源，提高能源綜合利用率，為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

擬建裝置的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在生產(chǎn)的0 ℃冷凍循環(huán)水以及壓縮空氣的數(shù)量上。經(jīng)濟(jì)效益估算以天然氣流量46 000 m3/h、天然氣由4.0 MPa降壓到0.6 MPa為計(jì)算基準(zhǔn)。

項(xiàng)目實(shí)施后，預(yù)計(jì)每年可產(chǎn)生0 ℃冷凍循環(huán)水以及壓縮空氣量約520 kt、9.6×107m3。0 ℃冷凍循環(huán)水、壓縮空氣分別以1.5元/t、0.18元/m3計(jì)，年操作成本129.42萬(wàn)元，每年可產(chǎn)生效益1 676.58萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，新建一套天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表4為《綜合能耗計(jì)算通則》GB/T 2589—2008中部分能源折標(biāo)準(zhǔn)煤因子。表5為根據(jù)表4折標(biāo)煤因子計(jì)算出項(xiàng)目實(shí)施后的折標(biāo)數(shù)量。

表4 部分能源折標(biāo)煤因子

表5 項(xiàng)目實(shí)施后折標(biāo)數(shù)量

由表5可見(jiàn)：項(xiàng)目實(shí)施后，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)煤3 886.4 t，按照1 t標(biāo)煤可減排0.67 t碳計(jì)，相當(dāng)于每年減排2 603.9 t碳。

綜上分析可知，天然氣差壓余能利用設(shè)施項(xiàng)目實(shí)施后，可為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)論

(1)上海石化加溫減壓設(shè)施每年約可產(chǎn)生44.1 kJ/kg的冷能、287.9 kJ/kg的壓力能,約損失能量9.85×1010kJ，造成能源浪費(fèi)。

(2)以透平膨脹機(jī)替代原減壓系統(tǒng)，上海石化新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施，可有效回收天然氣降壓過(guò)程中損失的能量，提高能源的利用率，相應(yīng)地可以節(jié)省能源。

(3)天然氣差壓余能利用項(xiàng)目實(shí)施后，每年可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1 676.58萬(wàn)元，同時(shí)社會(huì)效益顯著，預(yù)計(jì)每年可減排碳2 603.9 t。

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