孔祥丹

中原油田普光天然氣凈化廠

普光氣田處理原料氣中H2S摩爾分數(shù)為14.14%，屬于高含硫氣體，完成采氣后輸送至天然氣凈化廠進行凈化處理。天然氣凈化廠由6套聯(lián)合共12列凈化裝置和相應配套的公用工程單元、儲運單元組成。

自2016年以來，普光氣田持續(xù)調產，天然氣凈化廠進入低負荷運行階段(平均日處理量小于1 800×104m3)，出現(xiàn)凈化裝置長期多列低負荷運行以滿足短期增產要求的情況，原設計公用工程單元和儲運單元按照6套凈化裝置滿負荷運行配置，低負荷運行期間系統(tǒng)不匹配損耗、網(wǎng)損、機械能損失量較大，導致單位綜合能耗增加[1-4]。

根據(jù)熱力學和動力學原理，針對凈化裝置包含的脫硫單元、脫水單元、硫磺回收單元、尾氣處理單元、酸水氣體單元分別建立模型，將主要化工單元質量和動量傳遞過程數(shù)學模型化[5]，主要解決以下問題：

(1) 6套凈化裝置能耗水平參差不齊。根據(jù)生產經驗，6套凈化裝置雖然設計、建設完全一致，但是實際生產過程中，因爐子燃燒效率、儀表控制精度、耗電設備運行效率等能耗影響因素存在差異，同負荷、同工藝工況下，燃料氣、電力、耗能工質消耗量存在差異。

針對全廠低負荷工況，需優(yōu)先安排低能耗裝置運行。掌握凈化裝置單位綜合能耗水平排名，為選擇低能耗裝置生產提供依據(jù)。

(2) 調峰與非調峰裝置的處理量范圍不明確。普光氣田持續(xù)調產，原料氣處理量波動頻繁，調峰與非調峰裝置處理量范圍沒有明確界定，出現(xiàn)凈化裝置長期多列低負荷運行以滿足短期增產要求的情況，單位綜合能耗增加。

如2016年2月，由于連續(xù)降產，處理量降幅42%，9列裝置運行。其中，2列裝置滿負荷運行，調峰裝置凈化裝置負荷過低，7列非調峰裝置未能滿負荷運行。9列裝置平均負荷81%，2月份單位綜合能耗偏高。

(3) 裝置熱備和停工選擇依據(jù)不明確。裝置開停工和熱備均大量耗能，因此，當原料氣處理量因氣田調產而頻繁波動時，凈化裝置選擇熱備還是停工需要指導依據(jù)。

(4) 低負荷工況下，如何調整汽驅運行。低負荷工況下，凈化裝置外供蒸汽量大幅下降，不能滿足公用系統(tǒng)汽驅全部投運，需考慮如何調整汽驅運行。

1 理論研究過程

1.1 凈化裝置穩(wěn)態(tài)模型模擬

針對5個工藝單元分別建立熱力學和動力學模型，并將主要化工單元質量和動量傳遞過程數(shù)學模型化(見圖1)。通過模型模擬計算裝置單位綜合能耗隨負荷變化的趨勢，共建立氣相狀態(tài)方程模型5個、氣液平衡方程模型5個、質量傳遞數(shù)學模型6個、熱量傳遞數(shù)學模型6個(見表1)[6]。

2.1 單雙胎妊娠孕婦信息 除去臨床信息不全和失訪病例，共收集單胎孕婦15 206例，雙胎孕婦442例，具體信息見表1。單胎與雙胎在年齡和孕周分布上無差別，χ2分別為9.655和4.51，P分別為0.086和0.341。高齡所占比例分別為35.14%和38.91%，P=0.101。然而，在單胎妊娠孕婦中，通過IVF方式獲得胎兒的僅占4.14%，雙胎中將近一半的受孕方式是IVF。且雙胎中大部分是雙合子雙胎。

表1 凈化裝置穩(wěn)態(tài)模型建立明細表Table1 Scheduleofpurificationunitsforsteadystatemodelestablishment脫硫單元熱力學模型氣相狀態(tài)方程模型1氣液平衡方程模型1動力學模型兩級吸收塔水解反應器胺液再生塔閃蒸汽吸收塔質量傳遞數(shù)學模型各1熱量傳遞數(shù)學模型各1脫水單元熱力學模型氣相狀態(tài)方程模型1氣液平衡方程模型1動力學模型脫水塔再生塔質量傳遞數(shù)學模型1熱量傳遞數(shù)學模型1硫磺回收單元熱力學模型氣相狀態(tài)方程模型1氣液平衡方程模型1動力學模型克勞斯爐兩級催化轉化質量傳遞數(shù)學模型1熱量傳遞數(shù)學模型1尾氣回收單元熱力學模型氣相狀態(tài)方程模型1氣液平衡方程模型1動力學模型加氫反應器尾氣吸收塔質量傳遞數(shù)學模型1熱量傳遞數(shù)學模型1酸水汽提單元熱力學模型氣相狀態(tài)方程模型1氣液平衡方程模型1動力學模型汽提塔質量和熱量傳遞數(shù)學模型各1

1.1.1流程模擬及模型驗證(以脫硫單元為例)

脫硫單元穩(wěn)態(tài)測試計算機模型基本與實際數(shù)據(jù)接近(見表2)，誤差<1%，模型可靠(見表3)。

表2 脫硫單元正常工況運行數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)Table2 Normaloperatingdataandsimulationdataofthedesulfurizationunit物流參數(shù)實際數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)一級主吸收塔塔頂氣溫度/℃44.043.5壓力/MPa8.3608.360質量流量/(kg·h-1)71855.071699.9y(CH4)/%95.91495.893y(H2S)/%0.0060.007y(CO2)/%3.183.10二級主吸收塔塔頂凈化氣溫度/℃4341壓力/MPa8.1508.150質量流量/(kg·h-1)67984.067852.6y(CH4)/%97.1097.15y(H2S)/%0.00050.0008y(CO2)/%1.981.96

1.1.2單耗隨負荷變化的模擬計算趨勢

應用前述模擬計算可得到裝置不同負荷率時的單位綜合能耗(見圖2)。在其他條件相同的情況下，單耗隨負荷升高而降低的趨勢逐漸減緩，為非線性[7]。

表3 凈化裝置關鍵參數(shù)匯總 Table3 Keyparametersofpurificationunitsy/%參數(shù)實際數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)凈化氣中H2S0.00040.0003凈化氣中CO22.032.04凈化氣中H2O0.00350.0036貧胺液中MDEA13.1013.12半貧液中MDEA12.7212.73酸性氣中H2S31.0230.87酸性氣中CO218.3218.44Claus反應尾氣中SO20.330.29尾氣中H2S0.000.00尾氣中SO20.0230.022

1.2 以單耗最低為目標的負荷分布優(yōu)化

由前述統(tǒng)計學趨勢和模型模擬趨勢可知，單耗并非隨負荷升高而等比降低，而是非線性的趨勢逐漸減緩(見圖3(a))。圖3(b)為單耗較高和較低的兩個系列單耗數(shù)據(jù)，由梯形面積可知40%+100%兩列調峰運行的單耗高于70%+70%兩列調峰運行的單耗。

當處理量=單列裝置滿負荷整數(shù)倍時，保持該整數(shù)倍列裝置100%運行，單耗最低。

當單列滿負荷N倍<處理量<單列滿負荷N+1倍時，需要調峰運行：當調峰量>單列70%時，選擇一列調峰；當調峰量<單列70%時，考慮兩列調峰。

2 現(xiàn)場實際應用情況

2.1 凈化裝置運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

6套凈化裝置的單耗隨負荷變化趨勢一致，單耗隨負荷升高而降低的趨勢逐漸減緩，為非線性。因為曲線斜率絕對值逐漸減少，因此95%～100%負荷區(qū)間屬于能效較高區(qū)間。

不同點：統(tǒng)計學趨勢在接近操作邊界(負荷110%)時出現(xiàn)極值，存在單耗最低的最佳負荷點，且6個聯(lián)合最佳負荷點并不完全相同(見圖4)。

2.2 全廠生產自用氣和電力消耗隨負荷變化規(guī)律研究

當氣田處于穩(wěn)產運行時(凈化裝置運行11～12列)，隨著裝置負荷的下降，自用氣耗總體上升，總自用氣耗僅在負荷由100%降至90%時降低。當氣田開始調產時(運行8～10列裝置)，負荷由100%降至90%時，氣耗升幅8%～10%；負荷由90%降至80%時，氣耗升幅2%～3%；負荷由80%降至70%時，氣耗升幅4%～5%?？梢?，凈化裝置本身氣耗并不因為負荷下降而等比下降[8]。

2.2.1自用氣耗隨負荷變化規(guī)律

相同列數(shù)不同負荷運行的氣耗主要差距來自動力站啟運，凈化裝置本身氣耗并不因為負荷下降而等比下降；少列數(shù)低負荷運行總氣耗甚至會高于多列數(shù)高負荷運行總氣耗(見圖5)。

2.2.2電耗隨負荷變化規(guī)律

公用工程電耗隨著運行列數(shù)和負荷的降低而逐漸增加，儲運系統(tǒng)與之相反，但遠遠不能抵消公用工程的增加值；凈化裝置本身電耗并不因為負荷下降而等比下降，運行負荷降低10%，全廠用電量增加2%(見圖6)。

3 節(jié)能效果及經濟效益分析

當原料氣處理量為2 900×104m3/d時，對在“滿負荷+調峰”和“均分”兩種運行模式下的能耗數(shù)據(jù)進行對比分析(見表4)。

表4 “滿負荷+調峰”與平均分配兩種模式能耗對比數(shù)據(jù)表Table4 Comparisonof“fullload+peakshaving”andtheaverageallocationofenergyconsumptionoftwomodes模式日耗電量/(104kW·h)日耗氣量/104m3單耗/(kg標煤·(104m3原料氣)-1)平均分配63.7108.1527滿負荷+調峰61.595.5468.4

(1) “滿負荷+調峰”模式下，聯(lián)合裝置電力、燃料氣總耗能及單耗均低于“平均分配”模式。

(2) “滿負荷+調峰”模式下，全廠電力、燃料氣總耗能及單耗均低于“平均分配”模式。

2016年天然氣凈化廠面臨低負荷、全廠停工檢修、配合下游管線搶修等一系列對能耗不利因素。采取上述節(jié)能措施，節(jié)約燃料氣1 126×104m3，電量701×104kW·h，節(jié)約標煤14 535 t，減少碳排放量31 432.714 t。

4 結論與建議

本研究針對天然氣凈化廠低負荷運行工況，對比基于歷史運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析與基于穩(wěn)態(tài)模型模擬分析結果，對凈化裝置、公用系統(tǒng)及儲運系統(tǒng)用能展開分析，形成了凈化裝置低負荷運行能耗控制技術、公用及儲運系統(tǒng)低負荷運行能耗控制技術和全廠低負荷工況下節(jié)能優(yōu)化控制技術，以節(jié)約全廠能耗為目標統(tǒng)籌優(yōu)化低負荷工況下生產運行，積累了豐富的生產運行調控經驗，為氣田現(xiàn)階段限產及今后降壓降產提供了重要的節(jié)能指導依據(jù)。根據(jù)研究結果提出以下建議。

(1) 當運行凈化裝置數(shù)量一定時，通過提高原料氣處理量可以有效降低單位能耗。

(2) 評價以保證全廠中低壓蒸汽平衡、降低動力站負荷為標準。根據(jù)實際經驗，7列以下運行時，動力站鍋爐投運，燃料氣消耗大幅度增加。

(3) 隨著凈化裝置運行列數(shù)減少、裝置負荷下降，為保證全廠公用介質正常循環(huán)，公用系統(tǒng)設備運行數(shù)量基本不變，汽驅逐步停運過程中，總用電量逐步上升。

(4) 根據(jù)凈化裝置分布情況，建議將公用介質圖幅增設隔斷閥，實現(xiàn)分區(qū)運行，降低管網(wǎng)損耗。

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