天然氣化工一體化系統的能量梯級利用分析

隋秀云 馬玉新 魯明

摘 要 能量梯級在天然氣化工一體化系統中的合理應用可提高天然氣能源利用率，對天然氣化工一體化系統升級具備重要意義。本文分析天然氣化工一體化系統能量梯級的利用，介紹能量梯級的利用原則，研究一體化蒸汽系統中能量梯級的利用方式，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞 天然氣;化工一體化;能量梯級

引言

天然氣化工一體化系統具備規模大、工藝復雜、生產鏈長等特點，在系統運行過程中存在巨大的節能潛能。循環經濟背景下，行業將能量梯級的概念融入化工一體化系統當中，對蒸汽進行分品位梯度利用，以促進化工行業朝向低碳化、可循環化發展。

1天然氣化工一體化系統的能量梯級利用原則

能量的最大限度利用需盡可能避免利用過程中發生能源浪費后損失，能量梯級即依照能量的品位不同，分層次將其應用于不同的領域，直到無法再利用為止。總結來說，天然氣化工一體化系統的能量梯級利用包括兩項原則。第一，能量的合理利用。在確保能量利用經濟效益的情況下，盡可能降低能量供需之間的級差，避免利用過程中不可逆?損。第二，能量的有效利用。借助一定的先進工藝技術，確保能量得到最大限度的應用，獲取最高的綜合效益。一般依照如下規律安排能量利用方案：先動力后工藝、先高溫后低溫、先工業后生活，按照不同用途對能量質量及數量要求進行分析，確保每一部分能量均得到有效利用[1]。

天然氣化工一體化系統能量以蒸汽的狀態存在，蒸汽被利用之后，可降級循環使用，提升循環次數即可顯著提高能量利用效率。在使用依靠蒸汽進行加熱的設備時，需根據設備耗能特點，對應蒸汽品位，高品位蒸汽應盡量提高其利用次數，充分挖掘能量資源。

2天然氣化工一體化系統的能量梯級利用方案

2.1 蒸汽能級及品位分析

（1）能級分析

蒸汽能量分析目的是對能量損耗的屬性、規律、大小等進行明確，為能量利用率的提高提供理論參考。蒸汽能量分析方法包括以下三種：一是能分析，以熱力學第一定律為核心原理，通過分析表明能量發生轉換、傳遞、利用、損耗時的具體情況，最終確定某一系統的能量利用率。二是?分析，以熱力學第一定律及第二定律為核心原理，通過分析表明能量?發生轉換、傳遞、利用及損耗時的具體情況，最終確定某一系統?的利用率。三是能級分析，以熱力學第一定律與第二定律為核心原理，明確能量利用過程中，質量及數量的變化情況，判斷是否處于合理范圍。對比以上三種能量分析方法，?的分析可實現質量與數量分析的協調統一，由此得出的分析結果較焓分析更為全面、深入。

（2）品位分析

天然氣化工一體化系統中，蒸汽是最主要的能源介質，長期以來受重視程度較低，存在較高的能量浪費。能量梯度利用概念被提出后，系統中的蒸汽能源被充分開發，提高該部分能源的利用率及使用效率，隨之而來的經濟效益非常可觀。

蒸汽品位可通過公式λ=熱力系統有效能/熱力系統能獲得。其中有效能即為?，該參數既表示能量的數量，又可反映能量的可利用率。蒸汽參數與其品位之間正相關，即參數越高、品位越大，有效能也越大。例如，低壓液態水的品位一般為0;隨溫度及壓力的上升，飽和蒸汽的品位逐漸上升。在蒸汽能量梯度利用過程中，除數量損失外，還需關注其品位損失，避免引發能量浪費。

2.2 傳統蒸汽調壓

傳統蒸汽調壓方式包括節流減壓和引射減壓兩種。其中，節流減壓借助減壓閥對蒸汽流量進行調控，在節流閥閉緊的過程中，通過縮小截面引發壓力降調節蒸汽壓力大小。在以上過程中，減壓導致的摩擦及渦流改變分子運動秩序，熵值增加，引發能量損失。經節流減壓方式處理后的蒸汽為過熱蒸汽，其溫度不穩，加熱難以控制，為滿足化工生產所需，需要對蒸汽進行降溫處理，形成飽和蒸汽。引射減壓核心設備為蒸汽噴射器，借助高品位蒸汽對低品位蒸汽或水加壓，使其參數達到所需標準。該加壓過程高品位蒸汽的熵值上升，低品位蒸汽?值上升。

綜合以上兩種蒸汽減壓方式，考慮減壓過程中蒸汽?值會發生較大損失，因此決定以蒸汽差壓發電的方式，提高蒸汽減壓過程中能量的利用率。

2.3 化工一體化熱電聯產蒸汽減壓

熱電聯產系統節能降耗優勢明顯，供熱質量高，當蒸汽減壓需求較高時，即可利用蒸汽差壓發電技術對蒸汽進行分級處理，實現蒸汽分品位梯度利用，提升能源使用效率。

天然氣化工一體化系統中甲醇、甲醛、硝酸、PVC等裝置能夠滿足電熱聯產條件，選用背壓式汽輪機組進行發電。對比汽輪機組電熱聯產過程與節流減壓及引射減壓過程的能量利用情況，在天然氣化工一體化系統中，蒸汽節流減壓過程導致蒸汽品位降低，由此產生的能量損耗非常高;引射減壓過程蒸汽能量的效果雖然低于節流減壓過程，控溫及控壓效果更突出，但在節能降耗方面依然不夠理想[2]。當使用被壓實汽輪機組電熱聯產方式進行蒸汽減壓時，過程中總能量損失要明顯低于節流減壓及引射減壓，能量損耗降幅在25%～30%，能量利用率大幅度上升。因此在天然氣化工一體化能量梯級利用中，應優先選取背壓式汽輪機組進行蒸汽減壓的方案。

3結束語

天然氣化工一體化系統中能量梯級利用優化過程非常復雜，需要配合大量的研究和計算。目前有關能量梯級利用的研究成果還不完善，但隨著可持續發展理念、循環經濟的深入，能量梯級利用將成為化工一體化系統優化的必然趨勢。充分開發天然氣化工一體化中的蒸汽資源，提升整個一體化系統能源利用效率。

參考文獻

[1] 張彬.石油化學工業煉油化工一體化技術發展探析[J].中國石油和化工標準與質量，2019，39（20）：235-236.

[2] 彭達，肖富森，冉崎，等.基于傾角導向梯度能量熵的斷層檢測方法[J].石油地球物理勘探，2019，54（1）：191-197，12.