在線能耗評價系統在天然氣凈化廠的應用探討

李勁 余宗財夏太武 劉啟聰 李洋

在線能耗評價系統在天然氣凈化廠的應用探討

李勁1余宗財2夏太武1劉啟聰1李洋1

（1.中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院；2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦）

天然氣凈化廠處理規模大、工藝技術復雜，其能耗約占整個天然氣開發過程總能耗的30%，能耗評價的準確性和及時性對天然氣凈化廠節能降耗意義重大。通過對天然氣凈化過程的探討，提出了建立一種在線式能耗評價系統的方法和步驟。利用該系統可以方便地分析天然氣凈化廠裝置設計能耗、理論能耗、實際運行能耗的差別，為企業開展節能降耗改造提供依據和支撐。

能耗評價；能耗指標；評價指標；節能

天然氣凈化廠一般包括脫硫、脫水、硫磺回收、公用工程和輔助生產裝置五個系統單元。其中，脫硫技術主要采用胺法；脫水技術主要采用三甘醇脫水；硫磺回收采用克勞斯法等。由于天然氣凈化廠的處理量大，處理工藝復雜，其能耗約占整個天然氣開發過程總能耗的30%。加之現役裝置常常因設備老化或失效、操作參數設置不合理、設備效率低、溶液失效或選擇不合理等技術問題而導致裝置運行風險增大、能耗增加、運行波動大等因素的影響，致使綜合能耗偏高，故高能耗已成為高含硫天然氣凈化廠實現經濟運行的主要瓶頸之一[1-3]。

天然氣凈化廠各單元裝置構成了一個復雜的系統，需要結合工藝、設備、自控、節能等多專業按照能耗綜合評價和優化運行的模式協同開展能耗評價優化工作，形成數據采集—分析評價—節能降耗措施—效果評估的閉環管理，以保證裝置可靠運行。因此，整合各原本孤

立的單項分析方法形成統一的高含硫天然氣凈化廠能耗綜合評價方法成為必然[4]。

1 綜合能耗評估方法

1.1綜合能耗評價的目的

能耗評價的目的旨在通過能耗評價來診斷過程系統的用能水平，尋找過程系統用能的薄弱環節，發現能耗瓶頸，從而針對性地采取節能措施，提高過程系統的整體用能水平。首先應根據過程或系統的基本條件，確定過程或系統在當前基本條件下的基準能耗，用過程或系統的實際能耗與基準能耗比較，其偏離值越大，其用能水平越低，其節能改造的潛力就越大。

1.2天然氣凈化廠綜合能耗評價內容

影響天然氣凈化過程能耗的因素分為兩個方面，一個是能源管理水平，一個是系統的用能效果。從節能的角度可以總結為管理節能和技術節能兩個方面。天然氣凈化廠的綜合能耗評價分為能源管理評價與用能效果評價[5]。

1）能源管理評價。能源管理評價的內容主要包括能源管理職責情況、能源計量器具的配備情況、重點用能設備監測情況、能源計量數據采集情況等。

能源計量器具的配備和能源計量數據的采集是能耗評價的基礎，只有按照國家標準或行業標準的要求配備計量器具，并對計量數據進行認真和完整的采集，才有可能使能耗評價順利進行，評價結果真實可靠。

天然氣凈化過程的能耗定性評價標準主要是依據國家和行業有關節能減排的產業發展和技術進步的相關政策、資源環境保護政策規定以及行業標準，用于定性考核天然氣凈化過程能源管理工作。通過對能耗定性指標的考核，找出能源管理的薄弱環節，以便采取相應的措施，進一步提高企業能耗管理水平。

2）用能效果評價。它包括天然氣凈化過程的用能合理性評價和天然氣凈化過程的節能潛力評價。

1.3綜合能耗評價指標

1）節能潛力△E可由下式表示，即

2）用能效率η可由下式表示，即

3）全廠總能耗指標可由下式求得：

式中：E——總能耗，MJ；

n——消耗的能源品種數（水、電和燃料氣等）；

ei——生產和服務活動中消耗的第i種能源實物量；

pi——第i種能源的折算系數，按能量的當量值或能源等價值折算。

對凈化廠而言：

◇凈化廠全廠總能耗=全廠總耗電×能源折算系數+全廠新鮮水供應量×能源折算系數+燃料氣消耗量×能源折算系數；

◇脫硫裝置總能耗=脫硫裝置總耗電×能源折算系數+脫硫裝置蒸氣消耗量×能源折算系數+脫硫裝置循環水消耗量×能源折算系數+脫硫單元軟水消耗量×能源折算系數；

◇脫水裝置總能耗=脫水裝置總耗電×能源折算系數+脫水裝置燃料氣消耗量×能源折算系數+脫水裝置循環水消耗量×能源折算系數；

◇硫磺回收及尾氣處理裝置總能耗=硫磺回收及尾氣處理裝置總耗電×能源折算系數+蒸氣消耗量×能源折算系數+燃料氣消耗量×能源折算系數+軟水消耗量×能源折算系數；

◇公用工程及生產輔助裝置總能耗=公用工程及生產輔助裝置總耗電×能源折算系數+新鮮水供應量×能源折算系數+燃料氣消耗量×能源折算系數。

4）單位能耗指標（系統獲得單位天然氣在各部分的能耗[6]）可由下式求得：

式中：e——單位處理量耗能，MJ/m3；

E——總能耗，MJ；

P——處理量，m3。

◇ 全廠單位天然氣處理量能耗=（全廠總耗電×能源折算系數+全廠新鮮水供應量×能源折算系數+燃料氣消耗量×能源折算系數）/（天然氣處理量）；

◇脫硫裝置單位天然氣處理量能耗=（脫硫裝置總耗電×能源折算系數+脫硫裝置蒸氣消耗量×能源折算系數+脫硫裝置循環水消耗量×能源折算系數+脫硫單元軟水消耗量×能源折算系數）/（天然氣處理量）；

◇脫水裝置單位天然氣處理量能耗=（脫水裝置總耗電×能源折算系數+脫水裝置燃料氣消耗量×能源折算系數+脫水裝置循環水消耗量×能源折算系數）/（天然氣處理量）；

◇公用工程及生產輔助裝置單位天然氣處理量能耗=（公用工程及生產輔助裝置總耗電×能源折算系數+新鮮水供應量×能源折算系數+燃料氣消耗量×能源折算系數）/（天然氣處理量）。

5）能源折算系數。不同的企業使用的能源單位不同，通常習慣于使用標準煤和標準油作為能源單位，但對于天然氣凈化廠而言，更習慣于使用MJ作為能源單位。為了不同能源單位之間的分析比較，表1列舉了各能源單位之間的換算關系。

表1 能源折算參考系數

1.4天然氣凈化廠綜合能耗評價步驟

1）確定能耗節點。根據研究工作成果，確定天然氣凈化過程主要能耗節點。能耗節點通常包括脫硫、脫水、硫磺回收等單元。

2）建立主要能耗節點的能耗模型。以天然氣凈化廠脫硫、脫水、硫磺回收等裝置建立能耗評價模型（表2）。

表2 主要能耗節點模型及內容

3）綜合能耗分析。利用專業能耗評價軟件，通過大量的歷史數據模擬，建立起能耗綜合評價方程，確定方程相關參數；再據凈化廠實時生產數據，可擬合出實際能耗曲線，并預測能耗曲線。

根據實際能耗曲線，可以與基準能耗曲線、設計能耗曲線進行對比分析，找出三條曲線差異較大之處，分析其產生的原因和可能的解決方案。

2 案例分析

以磨溪天然氣凈化廠（80+50）×104m3/d裝置為例，建立綜合能耗評價系統。

2.1基礎條件分析

磨溪天然氣凈化廠（80+50）×104m3/d裝置脫硫、脫水各成1套裝置，硫磺回收、硫磺成型及其公用工程、輔助設施共用1套，裝置流程和配置相對比較復雜，對裝置的集中監控和管理基礎條件如下：

1）中控室設置1套DCS系統，并通過增加防火墻、OPC服務器等，將DCS數據上傳至川中油氣礦調度中心。

2）廠區未針對電力系統建立微機綜合管理系統，各機泵及其他電氣設備的電力參數僅在其對應的電動機保護裝置中分散監測。

3）機泵出口設置現場顯示壓力表，但不具備信號遠傳功能，且基本進口管線附近未設置壓力監測，僅能從上游管網現場顯示壓力表近似代替機泵進口壓力，用于日常生產管理。

2.2建立系統架構

磨溪天然氣凈化廠130×104m3聯合裝置能耗綜合評價系統共分為4層（圖1）。

圖1 磨溪天然氣凈化廠綜合能耗評價系統框架示意圖

1）數據采集。新建1套電力監控系統，從電動機對應的電氣保護器或機泵的智能電表中取出相關數據，上傳至數據服務器。從現有DCS系統數據上傳的防火墻后側，取出DCS中相關的基礎數據，上傳至數據服務器。人工錄入現場生產相關的工藝參數。

2）基礎數據庫。新建1套數據服務器，用于對電力監控系統、DCS上傳的數據和人工錄入的生產數據進行整理和存儲。實驗時，由凈化廠操作人員從服務器中取出相關數據，上傳至數據轉換模塊。

3）數據轉換。實現從數據服務器發送過來的基礎數據轉換成能耗分析管理平臺能識別的數據后，接入能耗管理平臺，為其提供各種模式的基礎數據支撐。

4）能耗分析管理平臺。含軟硬件配置，接收數據轉換層上傳的基礎數據，利用配套軟件和人機界面，將磨溪天然氣凈化廠實時能耗情況展示給用戶方。

2.3綜合能耗分析

1）確定影響天然氣凈化廠能耗的關鍵參數。共有下述7個參數：130×104m3裝置處理量，m3/d；天然氣中H2S含量，%；天然氣中CO2含量，%；原料氣進氣壓力，MPa；產品氣量，m3/d；環境溫度，℃；環境濕度，%。

2）利用大數據技術，擬合凈化廠能耗曲線、繪制能源平衡圖。凈化廠能耗的實際值低于基準值，這是由于凈化廠對原耗能的重大設備（胺液循環泵、風機）進行了升級換代，能耗大幅度降低造成的。利用能耗評價技術有助于企業分析能耗異常或變優的原因。

3 結論

1）通過對天然氣凈化過程的能耗狀況、節能潛力以及節能技術的應用情況分析，天然氣凈化過程的能源利用水平還較低，尚有較大的節能潛力。

2）將歷史數據與現有數據進行對比，有助于企業分析裝置的能耗狀況，從而提出改進措施。

3）研究能耗評價方法對天然氣凈化過程具有普遍適用性，可用于天然氣凈化廠能耗綜合評價，也可用于天然氣凈化廠各主要能耗環節的用能效果評價以及節能改造效果的評估。

[1]田濤，王北星.能量系統優化技術在高含硫天然氣凈化中的應用研究[J].中外能源，2015，20（4）：96-100.

[2]李慶，李秋忙，馬建國，等.天然氣處理（凈化）廠生產能耗的評價方法研究[J].石油規劃設計，2009，20（4）：21-23.

[3]岑兆海.天然氣凈化廠單元能耗評價指標探討[J].天然氣與石油.2011，29（4）：29-31.

[4]岑嶺，戴忠，沈榮華，等.天然氣凈化廠生產過程能耗控制研究與實踐[J].天然氣技術與經濟，2011（2）：40-44.

[5]王林平，魏立軍，楊會豐，等.天然氣凈化廠脫硫裝置能耗計算及測試方法[J].油氣儲運，2013，32（10）：1101-1106.

[6]張德元，戴忠，陸劍波，等.能效對標指標體系建立的基本思路與探討[J].石油與天然氣化工，2011，40（6）：642-645.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.005

2015-12-09

（編輯 李發榮）

李勁，高級工程師，1995年畢業于西安石油學院（化工設備與機械專業），從事工程項目管理和工程設計工作，E-mail：jin_l@petrochina.com.cn，地址：四川省成都市雙流華陽天研路218號天然氣研究院，610213。