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天然气处理厂丙烷制冷系统节能改造

2013-07-14解永刚张昆魏超毛先荣徐龙王娜

天然气工业 2013年2期
关键词:滑阀制冷量丙烷

解永刚 张昆 魏超 毛先荣 徐龙 王娜

中国石油长庆油田公司第二采气厂

中国石油长庆油田公司榆林天然气处理厂(以下简称榆林天然气处理厂)脱水脱烃采用丙烷循环制冷工艺[1-3],设计日处理天然气600×104m3,制冷温度控制在-18~-12℃,丙烷制冷系统滑阀开度长期在10%~40%的较低状态运行,约占了全年运行时间的90%。丙烷制冷系统的核心—丙烷压缩机负荷严重不足,电机功率在45%~60%运行,空载能耗较大,仅2011年全年丙烷制冷系统用电量就达365.355 8×104kW·h,迫切需要节能改造以降低能耗、提高运行效率[4-10]。

1 工艺及运行参数

1.1 工艺简介

丙烷压缩循环制冷单元主要由压缩机、蒸发式空冷器、满液蒸发器等组成,主要为工艺装置区提供冷量,降低天然气温度,能够把原料天然气冷却至-25℃甚至更低,以实现天然气低温分离脱油脱水目的(图1)。

图1 丙烷压缩制冷循环图

其循环过程如下:压缩机把由丙烷蒸发器蒸发而来的丙烷蒸汽压缩(压缩后丙烷蒸汽压力为1.3MPa、温度为70℃),压缩后的丙烷蒸汽进入油分离器,将携带的润滑油分离后进入蒸发式冷凝器,经风冷或水冷冷却,丙烷蒸汽转化为丙烷液体(温度为20℃)流至蒸发式冷凝器下方的热虹吸贮罐,再流向丙烷系统贮罐(压力为1.3MPa,温度为23℃),丙烷液体经过经济器流向满液蒸发器底部,其压力在满液蒸发器入口处节流后迅速降低,温度降至-35℃左右。低温丙烷液体与高温天然气换热后成为低压丙烷蒸汽,经压缩机压缩,开始下一次循环。

1.2 运行参数

丙烷压缩循环制冷单元有压缩机2台,一用一备,其功率为900kW,制冷量为1 681kW,转速为2 950 r/min。

丙烷制冷系统于2006年3月投产,投产时按照设计,控制满液蒸发器出口天然气温度为-25~-23℃,结合 GB 17820—1999《天然气技术指标》,2006年5月提温至-18~-12℃运行,天然气处理系统主要设备运行参数见表1。

表1 天然气处理系统实际运行参数表

2 运行现状及能耗分析

2.1 运行情况

压缩机是通过滑阀位置的改变来实现能量调节的,滑阀的开度可直接反应丙烷蒸汽的通过量。

在实际的生产运行中,丙烷压缩机进口滑阀开度为10%~40%,经济器由于负荷过轻没有投运。丙烷电机功率为900kW,运行功率为400~520kW,电机运行效率为45%~60%,空载能耗大。图2为2011年12月丙烷压缩机电机运行效率和滑阀开度统计情况。

图2 2011年12月丙烷制冷系统运行情况图

由图2可以知,压缩机的滑阀开度值远低于电机运行效率值。由于选取的电机转速过高,而制冷所需丙烷量一定,使得压缩机滑阀开度一直偏低,整个丙烷制冷系统运行处在“大马拉小车”的状态下,系统的整体运行效率非常低。

2.2 能耗分析

丙烷制冷系统属高耗能设备,自投运以来一直为电量主要消耗源,天然气处理厂能耗结构如表2所示。

由表2可以看出,2011年12月丙烷压缩机制冷系统占整个榆林天然气处理厂电耗的62%,耗电量巨大。如若采用可行的方法对丙烷系统进行节能改造,经济效益和社会效益将非常可观,并有良好的推广价值。

表2 2011年12月榆林处理厂耗电结构表

3 节能改造的可行性分析

结合运行中存在的问题,通过调研,确定更换现有的电机,选择功率和转速较低电机的方式来降低能耗。

3.1 节能原理

三相交流异步电动机的效率:

式中P为电动机轴输出功率,kW;P0为电源输入的有效功率,为电动机电源输入的线电压;I为电动机电源输入的线电流;COSφ为电动机的功率因数。

在电机输出功率一定的情况下,要提高电机的负载率,只有降低电机的额定功率,即电机的输入功率,电机输入功率大幅降低,负荷的大幅提高,使系统更加节能。电机的输入功率与其转速的3次方成正比,通过降低转速提高负载的节能效果非常可观。

榆林天然气处理厂丙烷压缩机负载基本在10%~40%,要想电机高效运行,最佳的运行负荷要求超过75%。

3.2 丙烷压缩机制冷量核算

利用HYSYS软件模拟计算出不同气质、不同制冷温度下制冷功率。

1)选取天然气压力为4.6MPa,流量为600×104m3/d,满液蒸发器制冷温降为6℃,出口天然气温度为-18℃,模拟可得制冷量为800kW。

2)选取天然气压力为4.6MPa,流量为700×104m3/d,满液蒸发器制冷温降为6℃,出口天然气温度为-18℃,模拟可得制冷量为932kW。

3)选取天然气压力为4.6MPa,流量为600×104m3/d,满液蒸发器制冷温降为7℃,出口天然气温度为-18℃,模拟可得制冷量为936kW。

4)选取天然气压力为4.6MPa,流量为700×104m3/d,满液蒸发器制冷温降为7℃,出口天然气温度为-18℃,模拟得出制冷量为1 091kW。

根据榆林南区生产状况,天然气流量为700×104m3/d,原料气最高温度为15℃,制冷温降为7℃,天然气分离温度为-18℃时,计算制冷量为1 091kW,以此作为改造节能方案制定的主要依据。表3为不同气量、不同制冷温降制冷量核算表。

表3 不同气量、不同制冷温降制冷量核算表

3.3 可行性分析

根据上述分析,电机转速变低,压缩机因为马达转速的改变,此时滑阀位置会变大,驱动动力和滑阀阻力之间就会更协调,因此,通过降低转速提高电机负载率节能是可行的[11-20]。

根据计算出的1 091kW制冷量要求,选择额定功率为500kW、转速为1 485r/min电机,利用专用软件进行参数计算。

通过专用选型软件计算,丙烷蒸发温度一般在-22~-20℃,天然气的制冷温度为-18℃,机组的额定制冷量为1 182kW,满足天然气处理系统所需最大制冷量1 091kW 要求。根据计算出的1 091kW制冷量要求,选择额定功率为500kW、转速为1 485 r/min电机。

改造前后电机启动转矩—转速特性曲线如图3所示,由图3可知改造前、后的电机转矩均能够满足负载的转矩要求。

图3 电机启动转矩—转速特性曲线图

4 节能改造效果评价

4.1 改造前后机组效率性能对比

更换低转速电机后,额定最大制冷量由原先的1 681kW降为1 182kW。图4为改造前、后压缩机性能曲线。

图4 丙烷制冷系统的性能曲线图

制冷效率(COP)是制冷系统所能实现的制冷量和输入功率的比值,在相同的工况下,比值越大说明制冷系统的效率越高,越节能。根据丙烷压缩机性能考核计算专用软件 Coolware(version 7.11),核算出不同转速的机组在各种负荷下的制冷效率,如表4所示,转速降低后,COP值增大,改造后机组平均效率提升35%~40%。

4.2 改造后机组运行情况分析

节能改造后,考核系统运行情况的指标,一方面是工艺运行参数是否满足设计需要及气质要求,另一方面是丙烷电机与压缩机是否匹配、运行效率是否提高。

4.2.1 工艺运行情况

节能改造后,工艺运行情况如表5、6所示。

由表5、6可以看出,改造后,满液蒸发器出口温度控制在-14~-12℃,天然气水露点值控制在-14~-10℃,参数完全满足工艺运行要求。

表4 不同转速电机功率及COP计算表

表5 2011年12月丙烷制冷系统运行参数表

表6 2012年1月外输露点值统计表

4.2.2 机组运行效率

图5 2012年1—2月丙烷制冷系统运行情况图

节能改造后,机组运行情况如图5所示。由图5可以看出,节能改造后,电机运行功率明显下降。2012年1—2月电机运行效率为65%~80%,滑阀开度为45%~65%,滑阀开度值与电机运行效率值相互匹配。整个丙烷制冷系统运行较改造前更加协调,丙烷系统的整体运行效率明显提高。

4.3 经济效益评价

4.3.1 实际运行数据对比

改造后的丙烷电机于2011年12月26日投运,与历年同期耗电情况进行对比,评价节能效果如表7、8所示。

表7 2011年上半年丙烷系统耗电量分析表

表8 2012年上半年丙烷系统耗电量分析表

以2011年上半年运行数据为例,共消耗电量2 058 620kW·h,万立方米气耗电量18.921kW·h。

以2012年上半年运行数据为例,共消耗电量861 384kW·h,万立方米气平均耗电量8.520 8kW·h。较2011年同期万立方米气耗电量下降9.987 7 kW·h。半年共节约电量100×104kW·h,节约费用75.8万元。

4.3.2 经济效益预测

根据天然气负荷稳定的数据模拟分析得出:更换电机后负载率提升到0.80~0.95,减少了电机“大马拉小车”的损失,发挥了电机最大效率。压缩机滑阀开度从原来的10%~40%自动提高到70%~95%,螺杆压缩机的工作效率得到提高。

2012年上半年,丙烷制冷系统用电量为861 384 kW·h,处理天然气量为10×108m3,按照年天然气处理气量为19×108m3计算,以该段时期内运行数据进行预测效益,节约费用145万元。

5 结论及建议

1)榆林天然气处理厂原900kW丙烷压缩机电机选型过大,载荷不足、能耗严重,从经济角度考虑需重新选型。

2)通过丙烷制冷系统节能改造,COP值增大,压缩机平均效率提升35%~40%,工艺参数运行满足要求,系统运行更加协调,效率明显提高。

3)稳定负荷状态下,由于压缩机的转速降低,其运行噪声明显降低,工作环境明显改善。

4)由于电机启动条件改善,压缩机转速降低,轴承振动、磨损减小,保养间隔将适当延长。

5)丙烷压缩机在低转速电机带动运行下,在夏季高温环境中的运行还需要进一步的分析评价。

6)通过模拟核算,当换热器效率低于68%时,丙烷循环制冷量无法满足要求,应更换新换热器。

7)在夏季运行过程中,为确保丙烷电机的正常运行,如若蒸发式冷凝器冷却效果不佳,应及时对其进行清洗,有效去除表面污垢,提高冷却效果。

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