脫油脫水裝置節能降耗分析

陳宗宇，侯 山，郭 萍，劉宇坤，梁 坤

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古鄂爾多斯 017300）

天然氣在降低溫度下形成水合物，水合物會引起管線、閥門堵塞，降低管線的流動能力，同時天然氣中通常含有CO2、H2S 等酸性氣體，這些氣體溶于水之后，形成具有腐蝕性的酸液，引起管線和設備的腐蝕，所以脫水措施是天然氣外輸使用的基本要求。天然氣脫水主要采用分子篩脫水、三甘醇脫水、節流降溫脫水、丙烷制冷等方法進行天然氣脫水。分子篩脫水效果較好，但是對于大裝置，設備投資和操作費用都比較高。三甘醇脫水系統比較復雜，三甘醇溶液再生過程的能耗比較大，三甘醇溶液會損失和被污染，因此需要補充和凈化，三甘醇脫水的投資和運行成本比較高。丙烷制冷脫水需要整套的丙烷壓縮機等設備，耗電量較大。節流閥脫水成本低，但是在脫水循環中一部分處于水合物生成范圍內，容易生成水合物，因此需要采取添加抑制劑等防止水合物生成的措施，以及配套的抑制劑回收系統。

1 處理廠脫油脫水裝置節能應用

原料氣（約25 ℃）經過濾分離器進入預冷換熱器，利用外輸的產品氣對原料氣進行預冷，夏季溫度降低至2 ℃（冬季溫度降低至-8 ℃）；再進入丙烷蒸發器，與液體丙烷進行換熱降溫，夏季溫度降低至-5 ℃（冬季溫度降低至-15 ℃）；進入低溫分離器進行脫油脫水，再進入預冷換熱器，與原料天然氣逆流換熱，然后去配氣區進行外輸。

假設沒有預冷換熱器的換熱效果，原料氣的溫度需要從25 ℃降溫至-5 ℃（冬季溫度降低至-15 ℃），溫度變化范圍夏季約30 ℃，冬季約40 ℃。在脫油脫水裝置中應用了預冷換熱器，原料氣需要制冷溫度約7 ℃，能夠有效的降低丙烷蒸發器的負荷，起到節能降耗的目的（見圖1）。

圖1 裝置工藝流程圖

2 預冷換熱器換熱效率分析

2.1 管殼式換熱器的傳熱原理

熱傳遞基本公式：

根據傳熱可知，提高傳熱效率的途徑有三條：提高傳熱系數K，增大換熱面積A；加大對數平均溫差ΔT。適當的增大換熱面積和增大對數平均溫度差可以提高換熱效率，提高熱傳遞系數K：

K－總熱傳遞系數，ao－管外流體給熱系數，at－管內流體給熱系數，rdo－管外污垢熱阻，rdt－管內污垢熱阻，rw－管壁熱阻，Ao/At－管外表面積和管內表面積比，η－翅化比（螺紋管外表面積/光管外表面積）。

而換熱管的材料、規格一旦選定，則管外徑與內徑之比、壁厚及導熱系數等參數也隨之確定下來。提高管內、外換熱系數ao和at、降低污垢系數rt和ro, 能夠有效提高換熱器的總傳熱系數K。

2.2 預冷換熱器溫度變化曲線分析

根據GB151-1999 附錄F 中描述，傳熱系數K 固定不變時，在純逆流換熱器中，流體溫度變化情況（見圖2）。

圖2 預冷換熱器溫度變化曲線圖

按照脫油脫水裝置換熱器的換熱過程，符號純逆流換熱，T0為原料氣管層進口溫度，T1為原料氣管層出口溫度，t1為產品氣殼層進口溫度，t0為產品氣殼層出口溫度。ΔT1=T1-t1為丙烷蒸發器制冷后溫度差，ΔT0=T0-t0為出預冷換熱器管殼層溫度差。

換熱面積=長度×單位長度換熱面積，圖2 橫坐標為換熱器長度L，圖2 可以描述為在不同的換熱面積后，溫度差的變換過程，脫油脫水裝置中，原料氣進氣溫度T0，經預冷換熱器后交換熱量Q1使得溫度降至T1，經丙烷蒸發器制冷交換熱量Q2使得溫度降至t1，原料氣總消耗熱量Q原=Q1+Q2，Q1為圖3 陰影部分面積，Q2為丙烷蒸發器制冷的熱量。經丙烷蒸發器后的產品氣經預冷換熱器吸收的熱量Q3使得溫度升至t0，產品氣吸收的熱量Q3為圖4 陰影部分面積。進出裝置消耗的總能量Q=Q1+Q2-Q3。

圖3

圖4

假設ΔT1=ΔT0，即T1-t1=T0-t0；換熱器在換熱過程中，無能量損耗，能量只在進行原料氣和產品氣間進行熱傳遞。由于曲線變化速率一致，Q1=Q3，進出裝置的總消耗能量為Q=Q2，為丙烷制冷消耗的能量。

正常使用換熱器過程中，ΔT1≠ΔT0，設備存在散熱是必然的現象，做好設備與空氣間的隔熱非常重要，能夠減少能量的損耗。

3 脫油脫水裝置節能分析

3.1 用電量節約

由預冷換熱器變化曲線，可以得出丙烷蒸發器制冷是關鍵，溫度差過大，必然導致設備運行負荷增大，考慮降低溫度差可以降低丙烷蒸發器的制冷能耗。由熱傳遞基本公式Q=KAΔT，降低溫度差，熱傳遞效率下降，適當增大換熱面積能夠有效提高傳遞效率。

蘇里格第五天然氣處理廠12 月裝置處理氣量13 338×104m3天然氣，裝置耗電量22.95×104kW·h，裝置進出口溫度差5 ℃，換算日均處理500 萬m3天然氣需要消耗約8 600 kW·h 電量。假設增大2 倍換熱面積，不考慮設備與大氣間的熱傳遞，保證熱傳遞效率與原先的一樣，溫度差可減半，裝置進出口溫度差2.5 ℃，可以直接降低丙烷蒸發器的制冷量，減少了丙烷蒸發器的運行負荷，可以選擇負荷更低的設備，有效的減少耗電量。

3.2 采用節流閥降低溫度

低溫分離器上游增設節流閥，取消丙烷蒸發器流程。節流閥能夠直接對天然氣進行降溫。選擇合適的節流閥和預冷換熱器達到低溫分離器溫度，夏季溫度降低至-5 ℃（冬季溫度降低至-15 ℃），減少了丙烷制冷系統帶來的能量消耗，日均節省8 600 kW·h 電量。

節流前后溫度降ΔT 的計算公式：ui－焦耳-湯姆遜系數，溫度在-15 ℃～25 ℃，壓力在4.0 MPa～5.0 MPa，甲烷的ui大于3.87[1]。

圖5

當壓力降為0.5MPa 時，溫度差為1.935 ℃（0.5×3.87）；當壓力降為1 MPa 時，溫度差3.87 ℃。

缺點是增大了裝置運行的壓降，氣量不易控制。

4 結論和建議

（1）通過預冷換熱器溫度差變化曲線分析裝置能量的變化情況，裝置總的消耗能量為丙烷制冷。有效的做好設備與空氣間的隔熱，減少能量的損耗。

（2）通過用電量的統計，分析適當增加換熱面積，減少溫度差的途徑，選擇更低負荷的設備，有效的減少耗電量。

（3）增加節流閥的途徑，直接進行降溫處理，取代丙烷制冷消耗的能量，有效的進行節能降耗。

［1］ 董正遠.計算天然氣焦耳一湯姆遜系數的BWRS 方法［J］.油氣儲運，2007，26（1）：18-22.