天然氣凈化裝置低負荷運行的節能措施

唐忠渝，瞿楊，姚云，鄧翔宇(西南油氣田分公司天然氣凈化總廠，重慶 400021)

0 引言

現階段，“低碳經濟”已經成為了國內經濟發展的主流，所以說節能降耗理念也已經在天然氣生產領域得到很大關注及重視。由于產氣量的影響，特別是老氣區產氣量一年比一年少，天然氣凈化裝置的運行負荷也隨之降低，相關設備的實際運行負荷只達到了正常負荷的50%～80%。雖說運行負荷下降會使整體凈化設備的總功耗下降，但卻會增加凈化系統內各設備的運行單耗。因此，在設備處于低負荷的狀態下，需要想辦法來降低設備的能耗，提高其能源利用效率。

1 天然氣凈化裝置運行過程中的耗能點

實際使用的天然氣凈化裝置的結構其實非常復雜，具體來說主要包括了原料氣預處理、脫硫、脫水、尾氣處理、污水處理、鍋爐以及循環水等工藝模塊。以上工藝模塊在低負荷狀態下的能耗均會發生顯著變化，而且與正常負荷的能耗相比差異非常顯著。具體來說，首先需要關注的是脫硫環節的能耗變化[1]，眼下，具體采用的脫硫方法是MDEA化學脫硫法，其能耗會產生于脫硫溶劑的再生、貧液和酸氣的水冷交換以及溶劑循環的加壓階段；其次需要關注的是凈化脫水環節的能耗，主要存在于三甘醇提濃時的燃氣消耗上，具體可以通過保證燃氣的完全燃燒以及合理使用汽提氣來降低這一環節的能耗；最后需要關注的是硫回收裝置上的能耗：第一，包括給酸氣燃燒、尾氣灼燒供給空氣時消耗的電能；第二，包括液硫保溫以及過程氣管線伴熱所需要的蒸汽；第三，包括連接余熱鍋爐水泵和連接硫冷氣上水泵消耗的電能。

2 天然氣凈化裝置單耗上升的原因

首先需要明確的是天然氣處理量后耗電量反而增加的原因。第一，如果出現了天然氣處理量降低的情況，那么凈化裝置脫硫單元的溶液循環量便會出現減少現象。這方面的變化會直接影響到溶液循環泵的運行負荷，進而增加循環泵的實際功耗[2]。通常情況下，在規劃天然氣凈化裝置時大都會根據相關設備的運行情況、技術參數設計出一個溶液循環量的最低值。正常情況下，設備運行不能讓溶液循環量小于最低值，否則便會出現故障。這一設計的初衷是為了保障相關設備的運行狀態，但由于循環泵的功率是以凈化裝置滿負荷運行時需要的功率為參考來選擇的。所以說低流量狀態下循環泵的功耗會變大，運行效率會變低，而這方面的變化則會拉高整體凈化裝置的電單耗。第二，在天然氣廠燃氣處理總量明顯降低的條件下，脫硫裝置實際產生的酸氣量也會明顯降低，之后硫回收環節也不會再用到像過去一樣的配風量。而在上述變化的影響下，凈化裝置的主燃燒爐風機以及灼燒爐風機則會非常容易出現振喘現象。而想要避免這一問題，則必須要控制好風機入口閥的開合程度，之后還需要及時排掉風機出口位置的多余風量。如果凈化裝置是在低負荷運行狀態下，現場操作人員就必須要將放空閥打開到較大幅度。假如產氣量增加需要提高凈化裝置的生產效率，則酸氣量和配風量都會增加，這是便需要關小風機并調整放空閥以增加送風量。待到將放空閥關閉到0之前，天然氣凈化設備的電流消耗都不會發生變化。由此著手分析，即便天然氣凈化裝置處于低負荷運行之下，風機的總耗電量也基本不會發生變化。

在天然氣凈化裝置的負荷降低到一定程度時，設備總耗電量降低問題的發生幾率要小于天然氣處理量降低的幾率，之后便造成了電單耗增加的問題。

其次需要明確的是天然氣處理量降低時氣單耗增加的原因。第一，脫水單元明火加熱爐運行以及汽提氣是非常典型的耗氣點。如果裝置負荷發生了變化，那么該處的耗氣量也不會呈現出顯著變化。第二，需要重點關注硫磺回收裝置上尾氣灼燒爐的耗氣情況，在酸氣負荷降低時，該裝置的耗氣量也會降低，但由于該裝置的耗氣量在總體凈化裝置的耗氣量中沒有占到太大的比重，所以即便發生變化，也不會對凈化裝置的耗氣量產生過多影響[3]。在天然氣凈化裝置低負荷運行時，如果出現了酸氣濃度降低的問題，則需要通過在主燃燒爐中加入燃料氣的方式來保證主燃燒爐的平穩運行，但這一處理卻會增加主燃燒爐的燃料氣消耗量。第三，需要關注天然氣凈化裝置中鍋爐部分的燃料氣消耗量，因為這是整體凈化系統中的耗氣大戶。通常情況下，其實際產生的蒸汽有80%～90%都被應用到了脫硫單元重沸器的加熱脫硫富液之中，剩余部分的蒸汽被用到了硫磺回收和成型裝置的保溫處理之中。首先，保溫處理部分的蒸汽并不會因為凈化系統處理量的變化而變化，然而在凈化裝置低負荷運行時，脫硫溶液的循環量則會不斷降低。即便此時再生塔重沸器的蒸汽需求量會不斷降低，但在硫磺回收裝置的酸氣負荷降低時，余熱鍋爐的產氣量也會受到影響，之后便很難再為凈化裝置提供足夠的蒸汽。

3 天然氣凈化裝置低負荷運行狀態下的節能措施分析

3.1 實際操作調整

第一，需要根據原料氣氣質變化來對脫硫單元的貧液入塔層數和循環量進行調整。以某單位為例，其處理量300萬m3/d，原料氣中H2S質量濃度達到了9 g/m3以上，CO2濃度達到了35 g/m3左右，如果CT8-5脫硫溶劑從脫硫吸收塔的10層塔盤入塔，那么就必須要將實際循環量提高到35 m3/h，如此才能保證產品氣合格達標。然而需要注意的是，該情況下再生出的酸氣量會達到1 500 m3/h以上，之后酸氣中H2S體積分數會下降到35%。上述變化會增加硫磺回收裝置的操作困難程度。基于上述變化，可以通過減少溶液在每層塔盤上的高度的方式來保證原料氣在溶液中的停留時間。具體需要進行如下操作：提升脫硫溶劑的入塔濃度，之后將溶液循環量調至30 m3/h以下，進而將酸氣量調至1 200 m3/h左右。之后還需要將酸氣中的H2S體積分數調至43%左右，如此便能夠實現硫磺回收裝置的平穩操作。

第二，應當在保證整體凈化設備正常運轉的基礎上根據實際產生的污水量對污水處理模塊進行優化改革。重點在于按照間歇式運行的原則來節約這一環節的電能消耗。

第三，對天然氣凈化廠來說，鍋爐是其熱能的主要來源。因此應當重視這一環節的節能降耗，可以取得事半功倍的效果。具體來說，需要安排專人定期檢查鍋爐表面的問題，如果出現了溫度超標的問題，就需要通過更換鍋爐表面保溫材料的方式來減少熱量損失。在此基礎上，還應當根據蒸汽的實際消耗量和蒸汽壓力來調整鍋爐負荷，從而降低燃料氣的消耗量。

3.2 技術改造

第一，需要關注的是天然氣凈化系統中的脫硫裝置。在低負荷運行狀態下，溶液循環量會不斷減少，再加上循環泵的出口閥門長期處于較小開度，所以會抬高溶液循環泵的出口壓力，進而拉低循環泵的運轉泵效。分析離心泵的特性曲線圖可知，在滿足實際工況的條件下，可以通過減少一級離心泵葉輪和減小壓頭的方式來降低離心泵的功率。由此著手分析，可以拆除掉凈化裝置循環泵中的末級葉輪，之后再安裝上一個加工過的軸套，以降低循環泵的電能消耗。按照上述方法進行改革的節能效果具體如表1所示。

表1 循環泵改造前的耗電量對比

參照表1所進行的敘述可知，循環泵在拆掉葉輪之后依舊可以滿足實際生產需求，而且還能夠每天節約272kW·h的電能消耗。因此這方面的改革能夠取得非常顯著的節能效果，是值得推廣的。

第二，需要對天然氣凈化系統中的硫磺回收裝置進行改造。如果沒有設置酸氣分流裝置，那就需要及時增加酸氣分流管線，之后便能夠在低負荷狀態下實現硫磺回收裝置的穩定、高效運行，進而降低這一環節的能耗。

凈化設備低負荷狀態下，脫硫系統原料氣的氣速會降低，因此原料氣在脫硫塔內的停留時間也會不斷增加，之后脫硫溶液的CO2共吸率會不斷增大，因此酸氣中的H2S中的濃度會不斷降低。如果出現了原料氣氣質波動現象，那么主燃燒爐內的溫度也會受到影響，甚至會有可能出現熄火問題。因此需要通過增設酸氣分流管線的方式，來使預熱后的酸氣在與熱段過程氣混合后直接進入常規克勞斯反應器。在此基礎上，還需要對主燃燒爐的配風量進行優化調整，以免造成氧氣過盛而導致過氧腐蝕的問題。如果在按照上述思路進行調整后燃燒爐溫度依舊沒有達到規定參數值，就需要通過增加燃料氣的方式來提高主燃燒爐溫度。以上操作不僅可以提高回收效果，而且可以降低回收裝置的操作便捷度，更重要的是能夠降低這一環節的能耗。以上述工作為基礎，其實還可以通過合理利用硫磺回收裝置風機過剩空氣的方式來達到節能降耗的效果。

4 結語

想要實現天然氣凈化裝置的節能降耗需要進行一系列的優化改革。目前，相關單位已經著手開展了這方面的改革，今后仍需進一步推進這方面的研究工作，進而降低天然氣生產過程中的實際能耗。