惲 鴻 張彩娟

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

天然氣綜合利用項目是中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)“六期”工程項目之一，天然氣加溫減壓設(shè)施是天然氣綜合利用項目的其中一項內(nèi)容。目前，上海石化的4.0 MPa天然氣通過加溫減壓設(shè)施經(jīng)二級減壓到0.6 MPa后進入燃料氣管網(wǎng)輸送給各燃料氣用戶使用。天然氣加溫減壓站建立在上海石化芳烴部2#芳烴聯(lián)合裝置內(nèi)，由中國石化集團上海工程有限公司設(shè)計，于2010年3月18日投入運行。天然氣加溫減壓站采用了二級調(diào)壓方式，主要通過增設(shè)計量、換熱及減壓設(shè)施，將從上游交接門站來的4.0 MPa的高壓天然氣先經(jīng)過固定管板式換熱器與低壓凝水換熱至40 ℃后進入一級減壓閥，將4.0 MPa天然氣壓力減壓至1.6 MPa，再進入二級減壓閥減壓至0.6 MPa。經(jīng)過調(diào)壓后的天然氣通過燃料氣管網(wǎng)送至上海石化芳烴部及其他二級單位燃料氣用戶使用。據(jù)統(tǒng)計，2012年，經(jīng)加溫減壓站減壓的天然氣約為3.9×108m3。

1 加溫減壓站可用余能計算

天然氣減壓過程中釋放的壓力能、冷能的大小是確定是否具有能量利用價值的關(guān)鍵參數(shù)。

ex,h=ex,p+ex,t

(1)

式中：ex,h——天然氣的比焓，kJ/kg；

ex,t——天然氣的比溫度，kJ/kg；

ex,p——天然氣的比壓力，kJ/kg。

(2)

式中：T0——環(huán)境溫度，K；

P1——狀態(tài)變化前的天然氣絕對壓力，MPa；

P2——狀態(tài)變化后的天然氣絕對壓力，MPa；

V——天然氣的比體積，m3/kg；

Rg——甲烷摩爾氣體常數(shù)，一般取0.518 kJ/(kg·K)。

(3)

式中：T——狀態(tài)變化后的天然氣溫度，K；

Cp——天然氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)。

由式(3)可知：若要計算高壓天然氣膨脹降壓后產(chǎn)生的冷能，需計算出經(jīng)透平膨脹機膨脹降壓后天然氣的溫度T。

對于實際氣體的絕熱非等熵膨脹過程，可以采用以下方程表示[8]：

pVn=常數(shù)

(4)

其中：n=k/(k-Ф2(k-1))

(5)

式中：n——絕熱非等熵過程的指數(shù)；

k——比熱容比，甲烷一般取1.29；

Ф——透平膨脹機的速度因子。

只要由式(5)求出絕熱非等熵過程的指數(shù)n，可由式(6)算出膨脹降壓后天然氣的溫度[9]：

T2=T1(P2/P1)(n-1)/n

(6)

式中：T1——透平膨脹機進口氣體溫度，K；

T2——透平膨脹機出口氣體溫度，K。

為便于計算，假設(shè)天然氣的組分全部是甲烷，取環(huán)境壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃，天然氣的比定壓熱容Cp取為2.223 kJ/(kg·K)，透平膨脹機的速度因子為0.96。由式(5)計算出絕熱非等熵過程的指數(shù)n為1.26。

2 透平膨脹機替代減壓系統(tǒng)的改造方案

上海石化天然氣減壓過程中損失大量的能量，為回收利用天然氣調(diào)壓過程中產(chǎn)生的壓力能和冷能，擬采用透平膨脹機替代原加溫減壓系統(tǒng),通過新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施實現(xiàn)能量的回收利用。

2.1 原料

擬建裝置原料來自上游交接門站來的高壓天然氣，其平均流量為46 000 m3/h(波動范圍在17 000～49 000 m3/h)，平均壓力為4.0 MPa(波動范圍在2.89 ～4.8 MPa)，操作彈性為50%～120%。進入膨脹機入口的天然氣原料組成見表1(2013年12月平均值)。

表1 原料天然氣組成

2.2 工藝流程

天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施由天然氣膨脹壓縮機組、制冷換熱器、空氣冷卻換熱器及循環(huán)水泵等組成，其中膨脹壓縮機組是核心設(shè)備。擬建裝置的能量利用方式為：以天然氣膨脹機的輸出功驅(qū)動同軸空氣壓縮機生產(chǎn)壓縮空氣，滿足生產(chǎn)裝置部分壓縮空氣的需求；以天然氣膨脹降溫產(chǎn)生的余冷生產(chǎn)冷凍循環(huán)水，滿足生產(chǎn)裝置部分需要冷能的工藝設(shè)備要求。天然氣差壓余能利用工藝流程示意圖見圖1。

圖1 天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施工藝流程示意

天然氣進入膨脹機天然氣首級入口，經(jīng)膨脹機膨脹做功直接帶動空氣壓縮機壓縮空氣。天然氣燃料氣經(jīng)過膨脹機后，出口溫度為-17.6 ℃，進入換熱器生產(chǎn)0 ℃的冷凍循環(huán)水，同時天然氣原料氣溫度上升。

經(jīng)一級膨脹機換熱后的天然氣進入二級膨脹機，同樣帶動空氣壓縮機制壓縮空氣。原料天然氣通過膨脹機后壓力減至0.6 MPa，溫度又下降至-44.3 ℃，再通過換熱器生產(chǎn)0 ℃的冷凍水，換熱后的天然氣進入燃料氣管網(wǎng)。空氣首先經(jīng)過空氣過濾器進入首級壓縮機(由二級膨脹機驅(qū)動)，經(jīng)壓縮機壓縮后，壓力升至0.20 MPa，溫度升至195 ℃，經(jīng)循環(huán)水冷卻換熱器后溫度降至40 ℃的空氣經(jīng)二級壓縮(有一級膨脹機驅(qū)動)，壓力升至0.80 MPa，溫度升至195 ℃，經(jīng)循環(huán)水冷卻換熱器溫度降至20 ℃后送壓縮空氣管網(wǎng)。

上海石化的生產(chǎn)裝置均為連續(xù)性生產(chǎn)裝置，通過天然氣差壓余能利用設(shè)施生產(chǎn)的冷凍水和壓縮空氣是為下游裝置提供公用工程產(chǎn)品的。為保證在天然氣差壓余能利用設(shè)施發(fā)生故障或停機維修時下游裝置的正常運行，擬建的余能利用設(shè)施考慮了相應(yīng)的應(yīng)急措施：

(1)原有的天然氣加溫減壓站保留。同時，為確保在膨脹機組發(fā)生故障或停機維修時能穩(wěn)定快速地切換至旁通系統(tǒng)，天然氣在膨脹機入口和原減壓系統(tǒng)入口設(shè)置快速切斷閥；為確保天然氣出口壓力穩(wěn)定在0.6 MPa進入燃料氣管網(wǎng)，二級減壓后的天然氣出口處增設(shè)一組調(diào)節(jié)閥。

(2)壓縮空氣出口處設(shè)置高壓緩沖罐，該罐壓縮空氣的儲存量可滿足下游裝置30 min用氣量，留出切換至備用空壓機啟動時間，保證下游裝置壓縮空氣的正常使用。

(3)0 ℃冷凍水供給需要冷能的工藝設(shè)備，這些工藝設(shè)備原有的預(yù)冷設(shè)施需要保留，必要時需重新啟動。

(4)降低空壓機進氣溫度可以有效提高膨脹機的效率[10]。工藝中擬采用膨脹后的低溫天然氣冷量冷卻空壓機進氣空氣，增加進入空壓機空氣的數(shù)量，從而在壓比不變的情況下減少所需的壓縮功，進一步提高透平膨脹機的效率。

2.3 產(chǎn)品性質(zhì)

天然氣膨脹降溫產(chǎn)生的冷量用于制備0 ℃冷凍循環(huán)水，供給需要冷量的工藝設(shè)備；天然氣膨脹機的輸出功驅(qū)動同軸空氣壓縮機生產(chǎn)的壓縮空氣送壓縮空氣管網(wǎng)供用戶使用。壓縮空氣及冷凍水產(chǎn)品規(guī)格見表2。

表2 壓縮空氣及冷凍水參數(shù)

2.4 裝置運行成本

一套平均流量為46 000 m3/h天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施運行成本見表3。

表3 運行成本估算

從表3操作成本數(shù)據(jù)可以看出：擬建的天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施年運行總成本為129.42萬元。

2.5 效益分析

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2012年上海石化經(jīng)加溫減壓站減壓的天然氣約為3.9×108m3。目前，這部分天然氣是采用二級調(diào)壓方式將高壓天然氣減壓后進入燃料氣管網(wǎng)供上海石化芳烴部及其他二級單位下游用戶使用的，沒有進行能量的回收利用。新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施可回收大量的能源，提高能源綜合利用率，為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

擬建裝置的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在生產(chǎn)的0 ℃冷凍循環(huán)水以及壓縮空氣的數(shù)量上。經(jīng)濟效益估算以天然氣流量46 000 m3/h、天然氣由4.0 MPa降壓到0.6 MPa為計算基準(zhǔn)。

項目實施后，預(yù)計每年可產(chǎn)生0 ℃冷凍循環(huán)水以及壓縮空氣量約520 kt、9.6×107m3。0 ℃冷凍循環(huán)水、壓縮空氣分別以1.5元/t、0.18元/m3計，年操作成本129.42萬元，每年可產(chǎn)生效益1 676.58萬元。由此可見，新建一套天然氣差壓余能節(jié)能利用設(shè)施，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益明顯。

表4為《綜合能耗計算通則》GB/T 2589—2008中部分能源折標(biāo)準(zhǔn)煤因子。表5為根據(jù)表4折標(biāo)煤因子計算出項目實施后的折標(biāo)數(shù)量。

表4 部分能源折標(biāo)煤因子

表5 項目實施后折標(biāo)數(shù)量

由表5可見：項目實施后，預(yù)計每年可節(jié)約標(biāo)煤3 886.4 t，按照1 t標(biāo)煤可減排0.67 t碳計，相當(dāng)于每年減排2 603.9 t碳。

綜上分析可知，天然氣差壓余能利用設(shè)施項目實施后，可為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié)論

(1)上海石化加溫減壓設(shè)施每年約可產(chǎn)生44.1 kJ/kg的冷能、287.9 kJ/kg的壓力能,約損失能量9.85×1010kJ，造成能源浪費。

(2)以透平膨脹機替代原減壓系統(tǒng)，上海石化新建一套天然氣差壓余能利用設(shè)施，可有效回收天然氣降壓過程中損失的能量，提高能源的利用率，相應(yīng)地可以節(jié)省能源。

(3)天然氣差壓余能利用項目實施后，每年可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益1 676.58萬元，同時社會效益顯著，預(yù)計每年可減排碳2 603.9 t。

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