油氣田余熱的低碳化綜合利用

常小虎，陳祺錨，徐夢瑤，呂曉芳，郭 靖，李藝超

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室；3.江蘇省油氣儲運省重點實驗室；4.上海優(yōu)華系統(tǒng)集成技術(shù)股份有限公司)

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和能源消耗的快速增加,各國不斷開發(fā)新能源或提高能源利用效率,以減少化石燃料的消耗和使用[1]。目前,我國對可再生能源的利用已經(jīng)取得了一定的進展,但我國能源利用效率仍然較低。大約只有30%的余熱被再利用,比發(fā)達國家低10%左右,至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄[2-3]。

工業(yè)余熱一般指生產(chǎn)設(shè)備或燃燒系統(tǒng)轉(zhuǎn)換或熱交換后排出的可以回收的熱能。根據(jù)類型不同,余熱可以有不同的利用方式,目前比較成熟的工業(yè)余熱利用技術(shù)主要有熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換余熱發(fā)電技術(shù)和余熱制冷制熱技術(shù)[3]。石化行業(yè)產(chǎn)生的余熱主要為低品位熱能,其介質(zhì)溫度一般高于產(chǎn)品儲藏溫度但低于工藝處理過程溫度。將其用于生活供暖,熱能利用率較低;而且,由于不同季節(jié)的熱能需求不同,會導致工藝處理過程的熱能分配不合理,甚至造成安全事故。此外,部分優(yōu)質(zhì)熱源回收困難,而通過循環(huán)水或空氣冷卻器進行冷卻會造成熱能、電能、循環(huán)水等資源的極大浪費[4-5]。

基于此,Chan等[6]研究了化學熱泵技術(shù)、熱循環(huán)技術(shù)以及熱能存儲技術(shù)對低品位余熱利用效果,發(fā)現(xiàn)熱泵技術(shù)可以在不同循環(huán)方式中應(yīng)用,具有較大優(yōu)勢。Zhang Jang等[7]綜述了我國工業(yè)熱泵系統(tǒng)在制冷劑、多級系統(tǒng)、雙效吸收系統(tǒng)、壓縮吸收系統(tǒng)、太陽能輔助系統(tǒng)和化學熱泵系統(tǒng)等方面的研究應(yīng)用進展。Jia Yongying等[8]以余熱溫度、所需供熱溫度、供熱能力、能效為輸入?yún)?shù),提出壓縮熱泵系統(tǒng)的綜合選型與評估方法,結(jié)合需求可以輸出制冷劑、壓縮機、熱交換器、系統(tǒng)配置的所有適當組合。此外,有很多學者研究了熱泵技術(shù)在石油化工、天然氣行業(yè)應(yīng)用的可行性與經(jīng)濟性,結(jié)果表明在石油天然氣化工行業(yè)應(yīng)用熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著,可以有效減少環(huán)境污染問題[9-12]。

因此,石化行業(yè)經(jīng)常采用熱泵技術(shù)提高余熱品位和利用效率,將余熱回收并入工業(yè)流程,實現(xiàn)區(qū)域供熱和供冷。本課題基于中國石化某工作站實際熱能回收利用情況,采用壓縮式熱泵技術(shù)對該工作站的低溫余熱進行回收利用,以實現(xiàn)節(jié)能減排,同時為石油化工行業(yè),特別是油氣田領(lǐng)域的低溫余熱利用提供指導。

1 熱能工作站概述

本研究涉及的熱能站為某油氣田的熱能工作站。該油氣田位于塔里木盆地中西部,其油氣藏類型特殊,具有超深、超高壓、超高溫等特點,儲層平均埋藏深度超過7 300 m,是世界上埋藏最深的油氣藏之一。截至目前,該油氣田產(chǎn)能為兆噸級,累計生產(chǎn)原油3.33 Mt、天然氣1.497×109m3,成為中國石化“十四·五”期間重要的原油天然氣產(chǎn)地。油氣田熱能工作站的主要作用是為油氣田產(chǎn)出物處理提供能源,如凈化的原油、采出水、天然氣的外輸,液化氣、穩(wěn)定輕烴、硫磺等的生產(chǎn)。

工作站用能過程主要有:原油、天然氣增壓輸送;原油、再生氣加熱;混烴脫硫塔、再生塔、脫乙烷塔、液化氣塔塔底再沸器加熱;混烴脫硫塔、再生塔、液化氣塔塔頂空氣冷卻器(簡稱空冷)冷卻,丙烷壓縮機產(chǎn)生的冷量用于胺液、液化氣、穩(wěn)定輕烴、增壓氣、天然氣冷卻,各壓縮機級間空冷冷卻;鍋爐發(fā)生蒸汽,熱媒爐加熱導熱油等。工作站綜合能耗如表1所示。由表1可知:全站實際綜合能耗為26.52 kgce/t(1 kgce=29.3 MJ);全站消耗能源主要包括水、電和燃料氣,三者所占比例分別為0.03%、31.82%和68.14%。由此可見,燃料燃燒熱能在工作站綜合能耗中的占比較大。

表1 工作站綜合能耗

該工作站熱能使用的網(wǎng)絡(luò)分布如圖1所示。

圖1 工作站熱能分布網(wǎng)絡(luò)

2 工作站熱量利用情況

2.1 工作站用能情況

工作站的主要熱源包括塔頂油氣、凝結(jié)水和煙氣等,其運行參數(shù)見表2;而工作站主要熱阱(原油加熱、采暖水加熱、輕烴再沸等)的用熱負荷見表3。

表2 工作站余熱統(tǒng)計結(jié)果

表3 工作站熱阱用熱負荷

從表2可以看出,工作站內(nèi)余熱負荷較大,主要來自一列、二列再生塔塔頂氣,因而應(yīng)在換熱過程中回收90 ℃以上低溫余熱。

2.2 夾點溫差模擬優(yōu)化

換熱流程的合理性在于實現(xiàn)冷熱物流的“溫度對口、梯級利用”。基于工作站目前熱源及熱阱的運行現(xiàn)狀,采用Aspen Plus軟件對站內(nèi)20 ℃以上物流進行夾點分析,繪制了工作站冷熱物流實際夾點溫差溫焓曲線,如圖2所示。由圖2可知,工作站冷熱物流實際夾點溫差為44.1 ℃,傳熱溫差明顯偏高,換熱流程亟需進一步優(yōu)化,從而更好回收利用余熱。

圖2 冷熱物流實際夾點溫差溫焓曲線 —熱組合曲線; —冷組合曲線; —夾點溫差

基于“溫度對口,梯級利用”的原理,對工作站冷熱物流進行優(yōu)化匹配。理論上,傳熱溫差越小,則換熱器需要傳熱面積越大,會造成換熱網(wǎng)絡(luò)工程投資費用增多,而操作費用降低。因此,夾點溫度與設(shè)備費用并非簡單的正比例關(guān)系。依據(jù)Aspen Plus軟件中夾點溫差分析模塊,得到工作站冷熱物流夾點溫差與年設(shè)備費用曲線和優(yōu)化后的冷熱物流夾點溫差的溫-焓曲線,如圖3所示。將年設(shè)備費用控制在5 500萬元以內(nèi)為改造的合理區(qū)間,由圖3(a)可知工作站換熱流程的合理夾點溫度范圍為5～32 ℃,而出現(xiàn)年最低設(shè)備費用時,對應(yīng)的最佳夾點溫差為7 ℃。基于對夾點溫差的優(yōu)化可知,工作站可回收余熱約11 MW。

圖3 優(yōu)化后冷熱物流夾點溫差分析結(jié)果 —熱組合曲線; —冷組合曲線; —夾點溫差

3 低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

該工作站能量利用分析結(jié)果見表4。工作站熱量利用后會產(chǎn)生能級較低的低溫余熱,而目前該工作站處理工藝的余熱回收率僅為25.48%,較多余熱被廢棄。該工作站的工藝回收能中僅僅包含熱回收能,排棄能及產(chǎn)品帶出能并未被回收。因此,在該站設(shè)置一套低碳化余熱綜合利用系統(tǒng),集成多種余熱利用技術(shù),按照“統(tǒng)籌調(diào)度、梯級利用”的科學用能原理對低溫余熱進行合理回收分配利用,可以明顯降低CO2排放。

表4 工作站能量利用分析結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)企業(yè)實際情況,采用壓縮式熱泵技術(shù)可建立“智慧熱島”能源站,智能高效回收一列、二列溶劑再生塔塔頂熱量,并用于原油加熱、脫乙烷塔塔底再沸器、采暖取熱,以及升級利用替代部分再生塔塔底再沸器蒸汽。增設(shè)智慧熱島系統(tǒng)的余熱回收工藝流程如圖4所示。

圖4 余熱回收工藝流程

其優(yōu)化設(shè)計方案如下:

(1)熱水循環(huán)部分

將流量為250 t/h的73 ℃循環(huán)水送至一列溶劑再生塔塔頂回收余熱,塔頂循環(huán)水溫度提高到約83 ℃后送到智慧熱島能源站進行熱能綜合處理。循環(huán)水溫度進一步提高至85 ℃,作為熱源送至原油加熱和脫乙烷塔塔底再沸器。其中,加熱原油后的循環(huán)水降至65 ℃,通過脫乙烷塔再沸器的循環(huán)水降至75 ℃,之后循環(huán)水在空冷器混合后為73 ℃。通過進行循環(huán)水改造減少全廠蒸汽消耗,即減少全廠燃料氣消耗。

(2)蒸汽循環(huán)部分

將120 ℃的除氧水以流量為11.4 t/h輸送至二列溶劑再生塔塔頂,生產(chǎn)壓力為84.5 kPa的95 ℃飽和蒸汽;該蒸汽通過螺桿式熱泵機組引入智慧熱島能源站進行升級利用,升壓至0.25 MPa,溫度升至175.8 ℃。該部分蒸汽優(yōu)先用于加熱循環(huán)熱水和冬季采暖水,剩余的0.25 MPa蒸汽送至溶劑再生塔塔底再沸器,減少其蒸汽消耗。經(jīng)過再沸器的蒸汽壓力降至0.15 MPa,溫度降為128 ℃,凝結(jié)后輸送至除氧器。

(3)溶劑再生塔流程改造

將溶劑再生塔塔頂改造為兩級冷卻系統(tǒng):一列溶劑再生塔塔頂酸性氣通過新增低溫差高效換熱機組先與熱水換熱,再經(jīng)空氣冷卻器(空冷)冷卻,溫度可由106.1 ℃降至85 ℃;二列溶劑再生塔塔頂酸性氣先發(fā)生95 ℃飽和蒸汽,再經(jīng)空冷冷卻,溫度由107.6 ℃降至100 ℃。同時,將二列溶劑再生塔塔底再沸器更換為低溫差高效換熱機組,并在前端增設(shè)了流量控制。

此外,將原油加熱系統(tǒng)改造為兩級加熱系統(tǒng),原油先經(jīng)85 ℃熱水加熱,后經(jīng)0.4 MPa蒸汽加熱,溫度可由35 ℃升至55 ℃。采暖流程先將60 ℃采暖水送入智慧熱島能源站加熱至85 ℃,然后經(jīng)汽-水換熱器(熱量不足時的備用換熱器)調(diào)溫后送至采暖伴熱用戶。

優(yōu)化后,低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)熱量平衡數(shù)據(jù)如表5所示。基于上述優(yōu)化方案,工作站夏季和冬季可分別減少加熱蒸汽負荷10 984 kW和10 403 kW,折合節(jié)省天然氣平均1 205.3 m3/h,因而可將3臺蒸汽鍋爐降低為2臺,夏季和冬季的蒸汽流量可分別由49.5 t/h和55 t/h減少至33.2 t/h和38.8 t/h。而增設(shè)智慧熱島能源站和智慧熱島熱水循環(huán)系統(tǒng)需要增加電耗,夏季和冬季分別增加用電負荷1 174 kW和593 kW。

表5 低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)能量平衡數(shù)據(jù)

3.2 節(jié)能效果及技術(shù)經(jīng)濟指標

通過應(yīng)用低碳化余熱綜合利用系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)節(jié)能減碳,具體增加或減少的經(jīng)濟技術(shù)指標見表6。從表6可得,節(jié)約天然氣預(yù)計產(chǎn)生效益為685萬元/a。改造后,每年可以減少CO2排放量13 525 t,增加效益約67.6萬元。

表6 增加或減少的經(jīng)濟技術(shù)指標

4 結(jié) 論

基于中國石化某工作站實際熱能回收利用現(xiàn)狀分析,發(fā)現(xiàn)站內(nèi)換熱流程的實際夾點溫度與最佳溫差值偏差很大,而且余熱負荷大,其工藝余熱回收率僅25.48%,較多余熱被排棄。

為了有效回收余熱,基于“溫度對口、梯級利用”的原則,對該工作站進行余熱低碳化綜合利用系統(tǒng)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)工作站冷熱物流合理夾點溫度為5～32 ℃,最佳夾點溫度為7 ℃。采用壓縮式熱泵技術(shù)建立了工作站“智慧熱島”能源站,智能高效回收一列、二列溶劑再生塔塔頂熱量,用于原油加熱、脫乙烷塔底再沸、采暖和升級利用替代部分再生塔底再沸器蒸汽。

通過優(yōu)化余熱低碳化綜合利用系統(tǒng),該工作站可以降低能耗約10.62×106kgce/a,通過節(jié)約天然氣消耗可新增效益685萬元/a;同時,改造后每年可以減少CO2排放量約13 525 t,新增效益約67.6萬元。