天然氣處理廠蒸汽鍋爐能耗分析及改進措施

潘 祥，王嘉彥，師婉瑩，姚 帥，蘇萬兵，張 鵬

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

目前，第A天然氣處理廠供熱設備共有三臺WNS4-1.25-Q燃氣蒸汽鍋爐及相關配套設施，額定蒸發量4 t/h。主要承擔脫烴脫水裝置、甲醇回收裝置、凝析油穩定裝置等單元的生產用蒸汽以及倒班點、處理廠廠區采暖、供熱蒸汽。冬季兩用一備，夏季一用兩備。

除第A處理廠使用蒸汽鍋爐之外，其余處理廠均為燃氣導熱油爐。

1 鍋爐工藝流程及設備構成

1.1 熱力系統

蒸汽鍋爐系統：經軟化除氧的無氧軟化水經鍋爐給水泵送入鍋爐，在爐內生成0.50 MPa飽和蒸汽，經蒸汽母管進入分氣缸，再由蒸汽管網輸送到各蒸汽用戶，部分蒸汽經汽-水換熱機組換熱產生95℃～70℃熱水，供各建筑物采暖，采暖熱水循環使用。蒸汽凝結水統一回至凝結水罐，經化驗合格后作為鍋爐補水。本系統同時考慮向丙烷冷卻裝置供軟化水（5.4 m3/h）。

蒸汽鍋爐系統流程簡圖（見圖1）。

熱媒油系統：經注油泵撬（含注油泵）將儲油罐的導熱油送入導熱油爐，在爐內加熱至200℃，經熱媒循環泵循環加壓到0.7 MPa后，進入導熱油主管網；然后輸送至處理廠，熱媒油系統流程簡圖（見圖2）。

1.2 水/導熱油處理系統

蒸汽鍋爐：站內水管網來水經生水泵加壓進入軟化除氧成套設備進行軟化除氧，軟化無氧水進入軟化除氧水罐。

導熱油鍋爐：本系統以天然氣為燃料，燃料在熱媒油爐膛內燃燒產生熱量，分別以輻射和對流的形式將熱量傳遞給中間熱載體（熱媒油），攜帶熱能的熱媒載體在循環泵作用下在用戶換熱設備中與用熱工質進行換熱，從而將熱量傳給用熱工質，實現加熱的目的。換熱后的熱媒油在熱媒油循環泵作用下，重新返回到熱媒油爐進行再加熱，如此實現連續循環加熱。

1.3 設備組成

蒸汽鍋爐組成：燃氣蒸汽鍋爐、軟化除氧成套設備、汽-水換熱機組WNS4-1.25-Q型燃氣鍋爐附件儀表、鍋爐報警裝置。特別地：鍋爐房內蒸汽管線、采暖供回水管線必須保溫，其余管線可不保溫，但均做防腐處理。水罐、室外地面上管線也應予以保溫；鍋爐房所有管線均應進行水壓試驗，蒸汽管試驗壓力為1.60 MPa，熱水管線試驗壓力為1.29 MPa，水處理系統試壓0.6 MPa，無壓管道試壓0.3 MPa。

導熱油爐：熱媒油爐燃燒系統主要由燃氣管線部分和燃燒器組成。燃氣管線部分配有燃料氣切斷球閥、氣體過濾器、調壓器、穩壓閥、放散閥及壓力就地顯示儀表（見表1）。

圖1 蒸汽鍋爐系統流程簡圖

圖2 熱媒油系統流程簡圖

小結：通過以上分析，導熱油系統與蒸汽加熱系統比較：（1）蒸汽鍋爐價格比導熱油爐價格低；（2）蒸汽鍋爐日常工作量較大，運行中存在問題較多，尤其是爐水化驗不合格，給處理廠正常生產帶來影響。經對第二、三、四、五、六處理廠導熱油爐歷年運行情況調查，導熱油爐在運行過程中出現的問題主要是燃燒器或配電柜等配件的故障，經調試或更換后很快能恢復正常使用，不會影響廠內正常生產；（3）導熱油加熱系統可在常壓（或低壓）下運行，減少了高壓蒸汽管線、特殊的放空管、閃蒸罐和壓力控制等裝置，大幅度降低了系統初期投資，避免了蒸汽管線的冷凝損失；（4）正常操作條件下使用導熱油不易造成系統的腐蝕和結垢，維修量較小，日常工作量較少，同時也可節省處理鍋爐排污水以免污染環境的費用[1-4]。

表1 蒸汽鍋爐與導熱油爐對比表

表2 2017年12月各處理廠消耗新鮮水統計對比表

2 蒸汽鍋爐存在問題

2.1 新鮮水單耗高

從表2可以看出第A處理廠能耗全廠最大，節水形勢不容樂觀。

根據第A處理廠新鮮水消耗較大，第A處理廠根據現場運行實際，采取冷凝水與1#軟水罐拉通、降低新鮮水消耗（見圖3）。但冷凝水與軟水拉通使用后，由于回水溫度較高，兩罐拉通后高水溫無法滿足丙烷裝置蒸發式冷凝器的水冷要求，因此一直無法實現將軟水罐和冷凝水罐拉通使用的功能。由于冷凝回水無法再度使用，造成軟水消耗量加大，軟化裝置運行時間長，設備使用壽命縮短。

圖3 2011年至2017年第A處理廠新鮮水單耗

2.2 軟水系統含氧量超標

在交換柱內水的除氧過程和軟化過程是同時進行的。從配藥箱流出的除氧劑藥液與原水混合后進入軟水器下口，經過樹脂層時，除了發生軟化作用，還發生氧化還原反應，水中的溶解氧被除去，化學反應方程式如下：

由于工藝缺陷，現有軟水罐為常壓罐，軟水儲存過程中，不能保證密閉條件，含氧量高，超標頻繁，設備存在氧腐蝕安全風險，直接影響蒸汽鍋爐使用壽命。

抽取第A處理廠7月軟水含氧量數據與正常軟水含氧量（≤0.1 mg/L）數據相對比，對比（見圖4）。

2.3 爐水合格率低

2.3.1 硬度 總硬度是指水中鈣鹽和鎂鹽的總含量，單位mmol/L。

水中總硬度是鍋爐用水中一項十分重要的指標，因為硬度的大小和組成硬度鹽類的性質，直接關系著鍋爐結生水垢的數量和性質，關系著水處理方法的選擇和水處理成本。

圖4 7月第A處理廠軟水含氧量與正常軟水含氧量對比圖

圖5 7月第A處理廠爐水總硬

取第A處理廠2#鍋爐7月化驗數據分析（見圖5），從圖5中趨勢線可見，存在超出爐水總硬標準范圍≤0.04 mmol/L的數據，說明爐水硬度依舊存在不達標情況。

2.3.2 堿度 指水中所含能接受氫離子的物質的含量。鍋爐水的堿度直接影響鍋爐防垢、防腐的效果，因此堿度也是鍋爐用水的一項重要指標（見圖6）。

圖6 7月第A處理廠爐水總堿

從圖6可見，總堿標準范圍是6～24，實際存在化驗數據低于下限情況出現，且實際化驗堿度波動范圍極大，對鍋爐、管線存在腐蝕隱患。

2.3.3 pH值 pH值是表示水的酸堿性的指標，pH越小，酸性越強，pH值等于7時為中性，無論是給水或爐水都要求一定的pH值，因為它直接影響著鍋爐的結垢和腐蝕速度。

圖7 7月第A處理廠爐水pH

從圖7可見，鍋爐爐水pH值標準范圍是10～12，實際數據存在超出上限12情況出現，說明鍋爐爐水pH值存在不達標現象，嚴重影響管線和鍋爐的腐蝕速度。

因此，鍋爐運行中，由于爐水不斷蒸發，濃縮使水中含鹽量不斷增加。化驗室需時刻監控蒸汽鍋爐pH值、總堿度、總硬度是否達標。為了使爐水達標，鍋爐崗人員每天需要定期排污，甚至加強排污頻次。而這樣也意味著新鮮水浪費較大，氣田采出水處理負荷較大。

2.4 鍋爐故障率及檢修

汽水共騰問題：水位發生劇烈波動，水位表內水位不清楚，水位報警器間斷發生高低水位報警信號。汽水共騰會引起蒸汽品質下降、下游設備堵塞、蒸汽管網水擊及液位計水位不清等問題。

同時，蒸汽鍋爐供熱系統需建鍋爐房以及水處理等輔助設施，且相同溫度下系統的承壓高，管網所用材質要求也高，故相應投資也大。

鍋爐在年度檢修期間必須完成的工作有：（1）對鍋筒受熱面內部進行化學清洗以清除水垢；（2）針對平時發現及需要維修的項目進行認真檢查及修理；（3）氣田產出水單元運行情況：爐水若化驗超標，將對下游氣田產出水處理管線造成腐蝕或堵塞；同時新鮮水浪費較大造成氣田采出水處理負荷較大。

3 蒸汽鍋爐改進措施

3.1 降低鍋爐系統排污量

排污率是指鍋爐連續排污流量與實際蒸發量的比值。GB50041-2008《鍋爐房設計規范》中規定當蒸汽壓力小于或等于2.5 MPa時鍋爐的排污率不宜大于10%。蒸汽壓力大于2.5 MPa時鍋爐的排污率不宜超過5%。第A處理廠鍋爐排污管線為DN40、鍋爐運行壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，平均單臺鍋爐蒸發量為27 t/d～30 t/d，即排污量應該小于 2.7 t/d～3.0 t/d。

根據理論排污量，優化鍋爐排污頻次減少排污量，由目前的2次/小時調整為3次/2小時，化驗檢測鍋爐水質，根據化驗數據調整排污頻次。

3.2 合理利用冷凝水減少常排

鍋爐房軟水罐擴建：第A處理廠鍋爐房建有40 m3軟水罐一具、40 m3冷凝水罐一具，軟水主要供鍋爐用水、暖氣循環用水及裝置區蒸發式冷凝器冷卻用水，設計要求將冷凝水與軟水拉通使用，但實際因兩罐拉通后水溫較高無法滿足丙烷裝置蒸發式冷凝器的水冷要求，因此一直無法將軟水罐和冷凝水罐拉通使用，冷凝回水全部排放，造成水資源浪費同時加大了采出水處理和回注系統壓力。

圖8 軟水出水工藝優化后流程圖

改造后成果：為滿足蒸發式冷凝器冷卻用水的同時將冷凝回水再度利用，在已建軟水罐東側空地，按照圖紙鍋爐房第二版制6835-4要求制作40 m3鋼制立式軟水罐一具，專供裝置冷卻用水，然后將原有軟水罐和冷凝水罐拉通供鍋爐和暖氣循環用水，降低因冷凝回水排放造成的水資源浪費同時降低回注系統負荷。工藝連接（見圖8）。

3.3 軟水指標受控，降低腐蝕程度

目前軟水生產工藝是由管網來生水，經軟化除氧機組后直接進罐存儲供鍋爐使用，經過優化后，將管網來生水先經自動軟化器軟化后進罐儲存，再經除氧機組密封管網內除氧后直接進入鍋爐，避免爐內氧腐蝕的侵害（見圖9，表3）。

圖9 軟水生產工藝優化前后氧含量數據對比曲線圖

表3 工藝優化后軟水氧含量（mg/L）

表3 工藝優化后軟水氧含量（mg/L）（續表）

由圖9看到，鍋爐軟水生產工藝優化后，軟水氧含量值由投運前的1.73 mg/L降至0 mg/L，指標為0.1 mg/L。通過本次對鍋爐給水系統進行改造，明顯降低了鍋爐內部溶解氧數值，達到了鍋爐給水指標條件。

4 結語

（1）制作40 m3鋼制立式軟水罐一具，專供裝置冷卻用水，將原有軟水罐和冷凝水罐拉通供鍋爐和暖氣循環用水，降低水資源浪費同時降低回注系統負荷。

（2）軟水進罐前安置除氧裝置使得軟水氧含量大幅下降，含量控制得當，降低鍋爐氧腐蝕程度，提高鍋爐設備的使用壽命。

（3）該項工作節約了用水的同時也降低了電量的消耗，避免水資源浪費、達到節約成本的目的。也為今后改造供熱系統工藝流程和設備選型提供了經驗。

［1］王軍.淺談提高鍋爐熱效率的方法［J］.科技情報開發與經濟，2006，16（22）：272-273.

［2］林宗虎，等.鍋爐手冊［M］.北京：機械工業出版社，1989.

［3］天然氣處理廠鍋爐房圖紙.制 6835-4.長慶勘探設計研究院.

［4］張朝暉.熱媒爐導熱油使用狀況分析［J］.油氣儲運，1998，18（7）：35-36.