某油氣終端處理廠能量系統(tǒng)分析與優(yōu)化

張艷華

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司）

海上平臺(tái)設(shè)施地理環(huán)境特殊復(fù)雜、遠(yuǎn)離陸地，且各生產(chǎn)作業(yè)設(shè)施相對(duì)獨(dú)立，因此海上開采的油氣在平臺(tái)設(shè)施初步處理后，直接輸送至陸地終端處理廠進(jìn)行進(jìn)一步處理。終端處理廠比傳統(tǒng)的煉油化工裝置能耗低很多，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不太關(guān)注能量系統(tǒng)分析優(yōu)化問題，導(dǎo)致終端處理廠在用能方面存在部分不合理的情況[1-2]。在“碳中和”大背景下，利用能量系統(tǒng)分析優(yōu)化技術(shù)對(duì)終端處理廠進(jìn)行節(jié)能潛力的挖掘是十分必要的[3-5]。

1 終端處理廠工藝簡介

某油氣終端處理廠主要分為油處理系統(tǒng)及氣處理系統(tǒng)。油處理系統(tǒng)主要工藝流程為：海管來油依次進(jìn)入三相分離器、電脫水器進(jìn)行油氣水三相分離后，油進(jìn)入原油緩沖罐，緩沖罐底部出來的原油分兩路分別進(jìn)入負(fù)壓塔及原油穩(wěn)定塔。進(jìn)入負(fù)壓塔的原油閃蒸負(fù)壓操作后，頂部閃蒸出輕烴后經(jīng)負(fù)壓壓縮機(jī)送至穩(wěn)定氣空冷器及冷凝器；另一路原油經(jīng)過提升泵提升壓力后進(jìn)入板式換熱器與穩(wěn)定塔塔底進(jìn)行原油換熱，油溫提升后進(jìn)入原油加熱爐，進(jìn)一步提升溫度后進(jìn)入原油穩(wěn)定塔，在原油穩(wěn)定塔內(nèi)進(jìn)行輕組分的脫除。塔頂輕組分與負(fù)壓塔輕組分匯合后冷凝進(jìn)入回流罐，回流罐中氣相組分脫硫后進(jìn)入氣處理系統(tǒng)，液相輕烴分為兩路，一路作為穩(wěn)定塔回流，另一路作為輕烴回收系統(tǒng)的原料。塔底穩(wěn)定原油經(jīng)與進(jìn)料換熱并進(jìn)一步水冷后進(jìn)原油儲(chǔ)罐。

氣處理系統(tǒng)主要工藝流程為：來自原油處理系統(tǒng)的伴生氣經(jīng)干式脫硫裝置脫硫后和海管輸送的低壓氣經(jīng)壓縮單元壓力升至2.0 MPa 后與高壓海管來氣匯合進(jìn)一步脫硫，之后經(jīng)脫水和過濾處理，經(jīng)一級(jí)換熱器換熱、丙烷蒸發(fā)器冷卻后進(jìn)入一級(jí)低溫分離器，分離后氣進(jìn)入二級(jí)換熱器進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入二級(jí)低溫分離器，分離后氣進(jìn)入膨脹壓縮機(jī)膨脹端，壓力降為0.4 MPa，之后經(jīng)一級(jí)二級(jí)換熱器換熱后經(jīng)膨脹機(jī)增壓端壓力升至0.50 MPa 送至配氣站。一級(jí)二級(jí)低溫分離器分離的液體進(jìn)入脫乙烷塔，塔頂氣經(jīng)一級(jí)換熱器換熱后溫度升至20℃作為發(fā)電燃料。脫乙烷塔塔底液體與來自原油系統(tǒng)的凝析液進(jìn)入脫丁烷分餾塔，塔頂產(chǎn)品液化氣進(jìn)入液化氣球罐，塔底產(chǎn)品為穩(wěn)定輕油，進(jìn)入輕油儲(chǔ)罐。

2 用能分析

該終端處理廠用能過程涉及設(shè)備眾多，但工藝系統(tǒng)需求的能量只有熱力和電力。熱力主要用于天然氣脫水過程的分子篩再生、原油穩(wěn)定塔之前的原油加熱、脫乙烷塔及脫丁烷塔的塔底再沸器，電力用于終端的所有用電設(shè)備。

熱力及電力均為終端自產(chǎn)，對(duì)于熱力，分子篩再生過程所需熱量由再生氣加熱爐直接加熱再生氣供應(yīng)，原油穩(wěn)定所需熱量由兩臺(tái)原油加熱爐直接加熱原油供應(yīng)，脫乙烷塔及脫丁烷塔所需熱量由兩臺(tái)熱介質(zhì)爐加熱導(dǎo)熱油、導(dǎo)熱油間接供應(yīng)[6-7]。對(duì)于電力，由6 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電動(dòng)機(jī)及1 套余熱發(fā)電設(shè)施供應(yīng)。熱力供應(yīng)系統(tǒng)及電力供應(yīng)系統(tǒng)燃料均為終端自產(chǎn)天然氣，全年燃?xì)庀那闆r見表1。

表1 全年燃?xì)庀那闆r

降低終端能耗的方式為提升供能設(shè)備效率及降低工藝系統(tǒng)用能需求。由表1 可以看出，終端電力供應(yīng)系統(tǒng)燃?xì)庀恼既細(xì)饪傁牡?1.58%。經(jīng)分析，對(duì)于電力供應(yīng)系統(tǒng)，終端燃?xì)廨啓C(jī)已進(jìn)行了余熱回收，六臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷均在50%以上，負(fù)荷分配較合理；對(duì)于工藝系統(tǒng)用電設(shè)備，終端已逐步淘汰了落后電動(dòng)機(jī)，對(duì)于參數(shù)波動(dòng)較大的設(shè)備采取了變頻等措施，且定期對(duì)設(shè)備做能效監(jiān)測。因此，雖然電力系統(tǒng)能量消耗占比較大，但節(jié)能空間較小。

對(duì)于熱力供應(yīng)系統(tǒng)，終端5 臺(tái)加熱爐排煙溫度指標(biāo)均滿足《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（GB/T3 1453—2015）限定值要求，但有2 臺(tái)加熱爐煙氣中氧含量在10%左右，經(jīng)計(jì)算過?？諝庀禂?shù)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限定值要求，終端可以提升操作水平將2臺(tái)加熱爐煙氣中氧含量控制在2%～4%，進(jìn)一步提升加熱爐效率，降低能量的損失。對(duì)于工藝系統(tǒng)用熱，強(qiáng)化工藝系統(tǒng)熱量回收是降低工藝系統(tǒng)熱量需求的關(guān)鍵，經(jīng)分析，終端主要有三股余熱物流[8]，終端工藝系統(tǒng)余熱統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 終端工藝系統(tǒng)余熱統(tǒng)計(jì)

物流1、2 均為油處理系統(tǒng)物流，1 物流為原油穩(wěn)定塔（T-A13A）塔底物流經(jīng)熱量回收后的原油產(chǎn)品，2 物流為原油穩(wěn)定塔塔頂?shù)妮p烴及氣相。原油穩(wěn)定塔熱量由原油加熱爐供給，通過以上物流熱量回收可降低加熱爐熱量供應(yīng)量。物流3 為氣處理系統(tǒng)天然氣脫水單元物流，該終端為分子篩脫水工藝，分子篩再生時(shí)，熱再生氣進(jìn)入分子篩進(jìn)行分子篩再生，高溫氣體帶出水份直接進(jìn)水冷器進(jìn)行冷卻。再生氣熱量由再生氣加熱爐供給，通過強(qiáng)化物流3 熱量回收可降低加熱爐熱量供應(yīng)量。經(jīng)以上分析，終端主要節(jié)能方向?yàn)閺?qiáng)化工藝系統(tǒng)余熱回收降低工藝系統(tǒng)熱量需求，以降低各加熱爐負(fù)荷。

3 優(yōu)化措施

3.1 原油換熱流程優(yōu)化

強(qiáng)化物流1、2 熱量回收可降低原油加熱爐負(fù)荷。物流2 雖然溫位較高，但熱負(fù)荷低，且熱負(fù)荷主要是相變負(fù)荷，相變溫度較物流1 溫度更低，且相變換熱器投資更高，因此，經(jīng)綜合分析對(duì)物流1熱量進(jìn)行回收。

原油換熱工藝流程為：來自原油緩沖罐（V-A09A/B）溫度約為63 ℃的原油分為兩路，一路進(jìn)入原油負(fù)壓塔，另一路進(jìn)入板式換熱器HE-A11與從原油穩(wěn)定塔塔底出來的穩(wěn)后原油換熱至126 ℃，之后進(jìn)入原油加熱爐加熱至165 ℃進(jìn)入原油穩(wěn)定塔進(jìn)行輕組分的分離，原油穩(wěn)定塔底165 ℃的穩(wěn)定原油進(jìn)入板式換熱器HE-A11 回收熱量后溫度降至97 ℃進(jìn)水冷器。原油換熱工藝流程見圖1。

圖1 原油換熱工藝流程

為強(qiáng)化原油產(chǎn)品（物流1）的熱量回收，可新增1 臺(tái)換熱器E-N01 與板式換熱器HE-A11 串聯(lián)，63 ℃的原油先在E-N01 與溫度降低后的穩(wěn)定原油換熱至99 ℃，再與從原油穩(wěn)定塔塔底出來的高溫穩(wěn)后原油在HE-A11 中換熱至138 ℃進(jìn)入原油加熱爐[9]。改進(jìn)后原油換熱工藝流程見圖2。

圖2 改進(jìn)后原油換熱工藝流程

HE-A11 改進(jìn)前熱負(fù)荷6 472 kW，改進(jìn)后下降為4 331 kW，新增換熱情熱負(fù)荷為3 643 kW。該方案需新增換熱器4 臺(tái)，4 臺(tái)換熱器串聯(lián)運(yùn)行，改進(jìn)后回收原油熱量1 502 kW，可節(jié)約原油加熱爐燃?xì)庀?31.0×104m3/a，節(jié)能量為1 781 tce。

3.2 分子篩脫水流程優(yōu)化

分子篩脫水工藝流程為：原料氣經(jīng)過洗氣罐分離出少部分液體后，進(jìn)入分子篩干燥器之一進(jìn)行脫水，經(jīng)過分子篩脫水后的原料氣進(jìn)入粉塵過濾器FT-B33，之后進(jìn)入下一處理單元。一個(gè)分子篩脫水時(shí)另一個(gè)分子篩再生，40 ℃的再生氣經(jīng)再生氣加熱爐HE-B36 加熱至280 ℃，自下而上進(jìn)入另一分子篩干燥器對(duì)分子篩進(jìn)行再生，再生時(shí)間約為9 h。出分子篩干燥器的再生氣熱量未回收，直接經(jīng)冷卻器HE-B34 冷卻后進(jìn)入下一單元。分子篩干燥器熱吹時(shí)間約為5 h，再生熱吹過程完成后，再生氣將不經(jīng)過再生氣加熱爐HE-B36 而直接進(jìn)入干燥塔進(jìn)行冷吹，冷吹時(shí)間為約為4 h，分子篩脫水工藝流程見圖3。

圖3 分子篩脫水工藝流程

為強(qiáng)化熱量回收，新增1 臺(tái)換熱器E-N02，熱吹后的再生氣溫度約260 ℃，和進(jìn)入再生氣加熱爐HE-B36 之前的再生氣進(jìn)行換熱溫度降至100 ℃，然后進(jìn)入再生氣冷卻器HE-B34；增設(shè)冷吹過程旁路管線，冷吹過程再生氣走旁路不再經(jīng)過換熱器E-N02。干燥的再生氣經(jīng)換熱溫度升至214 ℃之后再進(jìn)再生氣加熱爐繼續(xù)升溫，改進(jìn)后分子篩脫水工藝流程見圖4[10]。

圖4 改進(jìn)后分子篩脫水工藝流程

改進(jìn)后回收熱吹再生氣熱量324 kW，可降低再生氣加熱爐燃?xì)庀?9.7×104m3/a，方案節(jié)能量為206 tce。

3.3 優(yōu)化效果

經(jīng)過優(yōu)化并改進(jìn)后，可產(chǎn)生較明顯的節(jié)能效果見表3。

表3 節(jié)能效果

4 結(jié)論

該油氣終端處理廠工藝系統(tǒng)及用能簡單，電力及熱力均為自產(chǎn)。電力供應(yīng)系統(tǒng)消耗能源較高，但終端電力供應(yīng)系統(tǒng)及用電設(shè)備采取了較多的節(jié)能措施，優(yōu)化空間較小。熱力供應(yīng)系統(tǒng)存在操作優(yōu)化的空間，同時(shí)經(jīng)系統(tǒng)分析，工藝系統(tǒng)余熱存在回收的空間，可通過余熱回收降低工藝系統(tǒng)熱量需求。針對(duì)余熱物流進(jìn)行了余熱回收方案設(shè)計(jì)，方案實(shí)施后，降低原油加熱爐、再生氣加熱爐燃料氣消耗150.7×104m3/a，實(shí)現(xiàn)終端燃料氣總消耗降低3%的良好效果，節(jié)能效果明顯。