深冷裝置中丙烷壓縮機節能運行研究

黃焜(中國石油大港油田天然氣公司處理站, 天津 300280)

0 引言

大港油田天然氣處理站共有兩套深冷裝置，其對天然氣的處理工藝包括壓縮、脫硫、脫水、制冷和精餾五個工藝單元。其中制冷單元采用“丙烷蒸發輔助制冷+渦輪膨脹機制冷”的聯合制冷工藝，將天然氣加壓并降溫到-80℃以下，從而回收天然氣中的輕烴。在夏季，丙烷蒸發輔助制冷工藝可以顯著提高深冷裝置的C3收率和產量。

丙烷蒸發制冷工藝的基本流程為:在丙烷蒸發器內，低溫低壓的丙烷液體與原料氣進行換熱，原料氣失去熱量而溫度下降實現制冷，丙烷液體吸收原料氣的熱量成為丙烷蒸汽，之后經壓縮機壓縮后成過熱氣體，再進入冷凝器中冷卻成為高壓飽和液體，該液體通過重力作用流入儲液器。從儲液器流出的制冷劑液體進經濟器過冷后，再次流入丙烷蒸發器，如此循環。

1 丙烷機組運行存在問題

天然氣處理站深冷裝置采用丙烷蒸發輔助制冷工藝,來提高裝置的運行效率。由于丙烷機組功率大，電能消耗量高，尤其夏季運行時其負荷更大，耗費電能更多，而且電機的電流值極高(通常會達到50A以上)，很容易出現“電流過載”聯鎖停機，既影響了機組的安全和壽命，也影響了裝置的平穩運行和產量提高。

2 節能降耗措施的研究

2.1 制定合理的丙烷機組啟/停時間表

YORK/FRICK壓縮機具有“VOLUMIZER TM”專利的可變內容積比技術，可以通過控制壓縮機殼體內的滑塊軸向移動來控制排氣口的位置，以此達到最優的壓縮行程，從而避免過壓縮及欠壓縮過程，使機組實際運行的功耗達到最小。但是丙烷壓縮機組的主電機仍然是丙烷制冷工藝單元的電能消耗的大戶，其功率為430kW，年耗電量達3766800 kW·h。因此如果能夠減少該機組的運行時間，無疑將會節約很大一部分電能。見圖1。

由上圖可以看出，外界環境溫度是嚴格按照冬冷夏熱的規律呈正弦線變化，重接觸塔頂溫與外界氣溫呈同相變化趨勢，而C3收率與外界氣溫呈反相變化趨勢。具體來說，每年進入3月份以后外界環境溫度開始上升，重接觸塔頂溫也逐步升高，至5月份末期時外界環境溫度大約升高至23℃，重接觸塔頂溫已升高至-86℃，C3收率降低至91%，此時就應該啟動丙烷壓縮機組，啟動后可使裝置的C3收率重新提高至96%以上；至10月份末期，外界環境溫度下降至10℃以下，在丙烷壓縮機不啟動的情況下，重接觸塔的頂溫依然可以保持在-92℃以下，C3收率可在96%以上，丙烷壓縮機此時應當停止運行。也就是說:當日平均氣溫高于23℃左右時，就應當啟動丙烷壓縮機組為深冷裝置輔助制冷，提高裝置的C3收率和產量；當日平均氣溫低于10℃左右時，就應當停運丙烷壓縮機組，降低電能消耗。

綜上所述，一年當中丙烷壓縮機組可根據季節變化間歇性運行，針對大港油田天然氣處理站氣候特點，丙烷機組可在每年的6～10月份運行，其他時段停運，從而可以節約的丙烷壓縮機組的耗電量為3766800×7/12 = 2197300kW·h，節電率高達58.33%，節約的電費為153.81萬元(按0.7元/kW·h計算)。

2.2 實時調整丙烷機組吸入壓力的設定值

丙烷壓縮機可以通過殼體內的滑閥卸載裝置來控制壓縮腔內旁通至吸氣口的制冷劑量，實現在10%～100%范圍內無級調節負荷，在壓縮機啟動和加載之前，機組處于低負載狀態，在加載后負荷開始逐步增大。該滑閥的移動由一套液壓活塞機構自動執行，其指令是來自微電腦控制中心的時間比例信號。丙烷壓縮機組的負荷正是受其吸入壓力設定值的控制，當吸入壓力高于其設定值時，機組負荷會增大，當吸入壓力低于其設定值時，機組負荷會減小。見圖2。

圖1 外界環境溫度、重接觸塔頂溫與C3收率之間的關系

圖2

蒸發壓力決定了蒸發溫度，當蒸發溫度滿足裝置制冷需要時，此時的蒸發壓力就不應當再度降低，以免使機組負荷增大，造成無為的電能浪費。由3.1中的分析我們得知，當低溫分離器的溫度達到-35℃以下時，裝置的C3收率就可以≥95%，對照下表可以看出，丙烷蒸發壓力在140kPa左右時就可使低溫分離器的溫度≤-35℃。因此在實際運行過程中，丙烷機組的吸入壓力設定值不應低于140kPa。

表1 不同絕對壓力下丙烷的蒸發溫度

必須指出，當丙烷機組吸入壓力設定值一定時，如果原料氣的溫度上升或者物料量增加，仍會造成丙烷機組負荷增大、電流升高，甚至造成丙烷機組故障報警和聯鎖停機。此時就必須嚴密監控電流值變化情況，一旦接近于報警和聯鎖停機值，就必須放棄C3收率，轉而適當提高其吸入壓力設定值，降低機組負荷和電流值，優先保證機組不發生聯鎖停機或損壞，否則將引起工藝系統產生更大的波動。

總之，通過采取以上措施，可以找到裝置的C3收率理想化和丙烷壓縮機節能的平衡點，實現機組的最優化運行。

2.3 優化控制機組排氣壓力

(1)適當增加空冷器電機的啟動臺數

在外界環境溫度一定的情況下，適當提高空冷器電機的啟動臺數，可以增強冷卻效果，明顯降低冷凝溫度和機組排氣壓力。但是，增加空冷器電機啟動臺數與之前3.4所述的節電內容相沖突，如何解決呢？可以根據電流值計算出增啟一臺空冷器電機后丙烷壓縮機組負荷的減小量，并將之與增啟一臺空冷器電機后用電負荷的增加量(也即22kW)進行比較，如果前者大于后者，則說明壓縮機和空冷器的總體用電負荷是比之前減小的，此時應當增加啟動一臺空冷器電機，反之則不應增加啟動。另外，通過將空冷器電機改造為變頻控制并改變變頻控制的設定值，也能起到很好的節電降耗作用。

(2)調整風扇扇葉傾角和百葉窗開度

電機風扇的扇葉傾角是可以人工調整的。傾角越大則冷卻效果越好，反之則越差。因此應當適度調大扇葉傾角。但是這里也有一個與之對立的問題就是:扇葉傾角越大則電機負荷也越大，從而使耗電量增加，而且扇葉傾角不能無限調大，否則容易使電機過載甚至燒毀。位于空冷器最頂部的百葉窗可以調整通過空冷器的空氣流通量，從而啟動改變冷卻溫度的作用。百葉窗應當處于完全開啟狀態才能保證具有最好的冷卻效果。

(3)定期清洗空冷器翅片

空冷器的管束外表面有很多細微的翅片，這些翅片增大了換熱面積，對提高冷卻效果有著至關重要的作用。但是隨著空冷器使用時間的延長，這些翅片表面會附著很多灰塵和雜質，影響丙烷和空氣的熱量交換過程，降低了換熱效果。在北方或者沙塵比較大的地區，一般每使用6～12個月就應當對空冷器翅片進行一次全面清洗；在南方或空氣比較干凈的地區，可每使用1～2年清洗一次。

3 結語

丙烷壓縮機組是天然氣處理和加工行業中不可或缺的關鍵設備，但其能耗較高一直是困擾業界的一大心腹問題。通過制定合理的丙烷機組啟/停時間表，實時調整丙烷機組吸入壓力的設定值和優化控制機組排氣壓力等措施，可以實現很好的節能降耗效果，同時有利于機組的安全運行和深冷裝置效率的提高。