忠縣天然氣凈化廠低負荷下公用輔助裝置優化運行研究

夏林 曾強 許佳樂 黎娜

中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠

忠縣天然氣凈化廠(以下簡稱凈化廠)設計生產能力為600×104m3/d,操作彈性為40%～100%,由兩套300×104m3/d的主體裝置、一套公用工程系統和生產輔助裝置組成。主體裝置包括:原料氣過濾分離單元、脫硫脫碳單元、脫水單元、硫磺回收單元。輔助生產設施包括:硫磺成型裝置、污水處理裝置、火炬及放空裝置、消防裝置、分析化驗室、維修設施、庫房及綜合樓等。公用工程部分:新鮮水系統、鍋爐給水及蒸汽系統、循環冷卻水系統、空氣氮氣系統、燃料氣系統、供電系統、通信系統[1-2]。隨著川渝地區天然氣開采量的下降,天然氣凈化廠原料氣處理量逐年降低,裝置負荷率逐漸降低,特別是近幾年來,單套主裝置的負荷長期在40%～60%運行,不僅造成水電氣單耗增高,還對公用輔助裝置造成一定的影響[3-7]。

1 低負荷工況對裝置的影響

1.1 低負荷對重要動設備的影響

(1)循環水泵:主體裝置單套低負荷運行,200 m3/h循環冷卻水即可滿足日常生產。若循環水泵流量(額定流量400 m3/h)長期維持50%左右的負荷運行,不僅導致泵單耗增加,還會造成設備憋壓事件,影響設備的安全平穩運行。同時,泵的富裕能量較多,沒有得到充分的回收利用,造成能源浪費[5]。

(2)鍋爐燃燒機:主體裝置單套低負荷運行,整個裝置所用的蒸汽量較設計偏低,實際鍋爐負荷長期處于單臺鍋爐負荷的20%左右運行,大功率的燃燒機低負荷運行不僅導致燃燒機故障率高,而且造成高耗低效的狀況。

1.2 低負荷運行對凈化工藝的影響

1.2.1 對污水處理裝置的影響

污水處理裝置采用生物接觸氧化法工藝,設計處理量為20 m3/h,進水COD 值為200～600 mg/L,氨氮質量濃度≤50 mg/L。污水經氣浮、厭氧、好氧、沉淀、過濾工藝使油含量、懸浮物含量和COD 值等指標達到國家和當地環保部門的環保要求后,用于廠區綠地、道路和場地的澆灑,或排至廠外附近水體,以節約用水、保護環境。每年裝置檢修產生的高含量污水量為600～800 m3,為確保污水處理裝置連續運行,使得污水處理裝置長期低負荷運行。近幾年,污水處理裝置污水處理量為9 m3/h,進水COD 值為100～200 mg/L,造成微生物活性偏低,裝置處理污水的能力下降[8]。當需要提高進水含量,加大污水處理量,加快污水處理進度時,又受限于活性污泥含量低的影響,易導致外排水水質超標。

1.2.2 對循環冷卻水系統的影響

循環冷卻水系統設計循環水量為400 m3/h,由于主裝置長期單套低負荷運行,造成循環水泵的50%負荷即可滿足生產需要,富裕能量得不到充分有效的利用,能耗偏高[9]。整個循環水系統的水質仍然按照標準控制,裝置低負荷運行造成化工原材料緩蝕緩垢劑、殺菌滅藻劑的單耗明顯增加[8]。

1.2.3 對鍋爐蒸汽系統的影響

凈化廠鍋爐蒸汽系統設計鍋爐為WNS15-1.25-YQ 型,配備640 ZM RT 敦威燃燒機。由于主裝置長期單套低負荷運行,僅需2～3 t蒸汽即可滿足生產需要,實際鍋爐負荷長期處于單臺鍋爐的負荷20%左右運行,造成鍋爐燃燒機效率低下,能耗偏高的狀況[3]。

2 優化措施

針對以上低負荷工況對裝置的運行影響分析,結合實際生產情況,優化工藝操作,以達到裝置平穩經濟運行的目的,主要采取了如下措施。

2.1 污水處理裝置管理操作優化

凈化廠污水處理裝置采用生物接觸氧化的工藝處理方法,利用微生物的新陳代謝作用,使污水中呈溶解狀態的有機污染物轉化為穩定的無害物質。污水經氣浮、厭氧、好氧、沉淀、過濾等水處理工藝使油含量、懸浮物含量和COD 值等指標達到國家和當地環保部門的環保要求后外排或者用于廠區綠地、道路和場地的澆灑,以節約用水、保護環境,其工藝流程圖見圖1。

2.1.1 精確勾兌水

凈化廠污水主要包括生產污水和生活污水,生產污水又包括檢修污水和日常生產污水。檢修污水主要是凈化廠停產檢修時產生的含MDEA、TEG 以及微量烴類、固體雜質、懸浮物和少量硫化物的高含量污水。日常生產污水包括循環水排污水、鍋爐排污水、廢熱鍋爐及各級硫冷器排污水、場地沖洗水等清潔廢水。由于原設計的污水調配池容積小(20 m3)、進水含量變化大、進水管線大且無計量等原因造成不能準確勾兌水,為確保生化池微生物活性及外排污水水質達標,凈化廠每月分析污水池內污水含量后,通過配水泵轉入生產污水池進行勾兌水。生產污水池采用“一用一備”的模式,即一個池蓄水,一個池處理水。每天分別通過配水泵和生活污水提升泵,向蓄水池內轉入一定量高含量檢修污水和生活污水進行調配,同時將部分外排水回流至蓄水池內進行稀釋。當生產污水池液位處理至30%～35%且蓄水池液位達到90%～95%時,切換生產污水池進行處理。根據原水池化驗分析顯示的污水含量,進而控制配水泵運行時間來實現精確勾兌水。

表1 檢修污水配水時間表

2.1.2 精細生化池操作

由于微生物除磷不徹底,而且微生物活性影響因素多等特點,凈化廠結合實際水質,摸索總結出污水處理裝置低負荷情況下的操作要點。

(1)向沉淀池適量投加絮凝劑進行污水除磷[10-12]。在其他工藝參數相同的前提下,探索凈化廠污水水質的化學除磷方案,考察絮凝劑投加量。從表2得出,凈化廠的絮凝劑加藥量為1.12%(w)相對較好。

表2 相同條件下不同加藥量的除磷效率匯總表

(2)嚴格控制調節池水質[13-14]。與原設計相比,調節池污水增加了石油類、硫化物、總磷、p H 值等工藝指標(見表3),更加嚴格控制進生化池污水水質,確保生化池微生物活性及效率,從而確保外排水穩定達標。

表3 調節池工藝控制指標 ρ/(mg·L-1)

(3)明確生化池工藝控制指標及日常操作[15-16]。在不斷摸索總結經驗的基礎上,相對于設計,更加明確了污泥沉降比、污水回流率控制范圍,量化了排污量(見表4),更有助于員工的日常操作和管理。

表4 凈化廠生化池工藝控制參數表

2.1.3 中水回用

凈化廠根據中水回用設計方案,于2017 年2 月15日組織實施了中水回用項目。按照設計方案,分別對Ⅰ套、Ⅱ套、中控室外、鍋爐房前等綠化帶7個灌溉區進行升級改造,于2017 年7 月5 日完成并順利投運。升級改造后外排水能夠全部回用,回用率達到100%,不僅減少了污染排放,節約了排污費用,而且還減輕了對地表水體的污染,達到了清潔生產的目的。作為廠區綠化用水,如折算成新鮮水計算,每年可節約2×104m3新鮮水,按照目前忠縣當地工業用水水價3.4元/m3計算,每年可節約成本約7.0萬元。

2.2 循環冷卻水系統管理操作優化

2.2.1 富裕能量的利用

由于主裝置長期單套低負荷運行,循環冷卻水總量只有設計的一半,循環水的流量、壓力都有較大的富余,這些能量都消耗在節流閥上。因此,凈化廠通過調研及理論核算,提出涼水塔電動風機改水動風機的優化實施方案[9],并于2017年9月實現了循環水冷卻系統零電耗。該優化項目實施后,水動風機不僅能夠滿足裝置生產的工藝參數要求,而且年節約電能6.78×104k W·h,達到了預期改造節能降耗的目的。

2.2.2 大流量循環水泵改為小流量循環水泵

凈化廠原設計循環水泵2 臺,額定流量分別為400 m3/h、450 m3/h,功率為90 k W,裝置正常生產期間運行使用;小循環水泵2臺,額定流量50 m3/h,為空壓機提供冷卻水,僅裝置大修期間使用。由于上游氣礦產能不足,裝置長期單套低負荷運行,循環水富余量較大[17]。結合水動風機最佳工況對應循環水流量約為250 m3/h,能夠滿足裝置換熱設備、機泵、空壓機冷卻要求。2015年9月裝置大修期間,在循環水泵房內拆除1 臺小循環水泵,就地新增1 臺額定流量250 m3/h、功率為55 k W 的循環水泵。當兩套裝置同時生產或者夏季高溫時段循環冷卻水耗量較大時使用大循環水泵,其余時間均使用新增的小循環水泵,其節能效果顯著,平均每年節約電量10×104k W·h。

2.3 鍋爐蒸汽系統節能優化

2.3.1 鍋爐燃燒機升級改造

表5 凈化廠A臺鍋爐燃燒機更換前后相關參數對比

2015年8～9 月,凈化廠對A臺鍋爐進行了升級改造,2016年6月對B 臺鍋爐進行升級改造,均是將原用的15 t/h的640 ZM RT 敦威燃燒機改型為10 t/h的WM-G50/2-A 威索燃燒機,并對配套的控制系統進行了更換。更換后生產單位蒸汽鍋爐燃料氣耗量下降(4～8)×104m3/104t,節能效果顯著。

從表5可以看出,A 臺鍋爐新燃燒機更換后節能效果較為明顯,以3～5月、7月生產單位蒸汽鍋爐燃料氣耗量估算,每月每噸蒸汽可節約燃料氣量Δe A 為:

參考7月蒸汽產量(7月蒸汽總產量為2750 t),估計每年A 臺鍋爐可節約燃料氣量為:

注:①每年鍋爐單元運行約11個月,另外1個月進行大修;②EA 為全年僅A 臺鍋爐運行,B 臺鍋爐不運行的情況下節約的燃料氣量。

2.3.2 濃水回收利用

凈化廠除鹽水裝置采用反滲透除鹽水工藝,其核心部件為反滲透膜。反滲透膜孔徑小至納米級,在一定的壓力下,直徑較小的H2O 分子可以直接通過反滲透膜而得到含鹽量極低的除鹽水。而軟水中直徑較大的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體等雜質無法通過反滲透膜,從而被反滲透膜截留下來形成含鹽量較高的濃鹽水。濃鹽水中懸浮少,濁度低,幾乎不含有機物雜質及Ca2+、Mg2+,其硬度、堿度都較低,濃鹽水水質分析見表6。

表6 新鮮水、濃鹽水與循環水的水質分析數據

由表6可知,濃鹽水的總硬度非常低,對減少換熱設備的結垢和腐蝕非常有利,濃鹽水用作循環水是完全可行的[18-19]。

反滲透純水裝置RO 主機平均每月產生550 m3濃鹽水,分廠將反滲透純水裝置RO 主機排出的濃鹽水回用至循環水系統,代替新鮮水作為循環水系統的補充水,減少新鮮水用量。濃鹽水的回收利用,既不影響循環水水質,又節約了新鮮水量[20]。

3 結語

天然氣凈化廠低負荷運行不僅給安全生產帶來壓力,還使得各類動設備能效利用率降低,水電氣單耗增大導致生產成本增加。在摸索總結如何優化裝置操作運行的同時,節能降耗將是重點討論問題。因此,如何通過優化工藝操作來使裝置高效、平穩、長周期地運行,將是天然氣凈化廠低負荷情況下亟待解決的問題。