国外某天然气处理工厂蒸汽系统汽水平衡计算与分析

苏海鹏，张懿君

（1.华油惠博普科技股份有限公司， 北京 100088）（2.陕西省燃气设计院有限公司， 陕西 西安710043）

卡让萨油田天然气处理项目位于哈萨克斯坦阿克纠宾州巴伊卡尼斯地区，用以处理原料气量为300×106Nm3/a，并回收体积含量为2%-3%H2S的石油伴生气。处理后的气体输送至气体收集站，进行天然气和凝液分离，并生产商品天然气、液化石油气、稳定凝析油及硫磺产品[1-2]。硫磺回收采用超级克劳斯工艺，装置运行过程中除进行硫回收外，还产生低压蒸汽。在天然气处理过程中，需要消耗大量的热负荷用以加热工艺介质及设备和管线伴热、采暖等[3-4]。如何将各装置工艺设备用蒸汽和超级克劳斯装置自产蒸汽的有效结合，设计一套技术经济性能较高、满足生产过程用蒸汽的蒸汽供热系统，需要进行精心规划设计和计算。本文在结合该天然气处理厂工艺装置的设计过程，建立换热装置的蒸汽负荷计算模型和蒸汽锅炉烟气侧与工质侧的热平衡方程，对冬季、夏季和开工条件下的蒸汽供热系统汽水平衡进行了计算分析，为蒸汽供热系统的设计规划提供有效的数据支撑，对类似工程应用具有一定的指导意义。

1 热交换器计算模型及假设条件

该天然气处理厂主要蒸汽用户和蒸汽生产设备为天然气净化过程装置、伴热系统和超级克劳斯装置、蒸汽锅炉等。天然气净化装置中主要用蒸汽设备有再生塔底重沸器、脱乙烷塔重沸器、脱丁烷塔重沸器等。天然气净化装置首先通过HYSYS酸气处理模型进行计算，然后通过模型的转换进行蒸汽负荷的计算[5]。硫磺回收装置由三级克劳斯反应器加一个超级克劳斯反应器和三个过程气加热器、五级冷凝器及燃烧炉、余热锅炉、尾气焚烧炉等组成，软化水在余热锅炉和各级冷凝器壳程中与管程的过程气进行换热产生低压蒸汽[6]。硫磺回收在HYSYS和BRE ProMax工艺模拟的基础上，通过搭建相应的蒸汽负荷计算模型进行计算，以获得工艺设备的蒸汽数据。需要伴热的装置主要有再生塔顶空冷器、再生气空冷器、脱丁烷塔顶空冷器、硫磺回收单元泠凝器、管线等。由于蒸汽伴热计算过程相对复杂，本项目所需蒸汽消耗量采用参照或比照以往类似项目数据的方式进行确定，然后再拟合至整个系统中建立平衡模式。

在进行蒸汽消耗的计算过程中，做出如下设定：（1）工艺装置各个时期运行过程中的热损失不存在差别；（2）各工艺设备在相同的环境条件下，不因工艺设备外形尺寸的不同而存在差别；（3）假设余热锅炉和冷凝器的排污率为0；（4）克劳斯余热锅炉蒸汽参数为1.0MPa、184℃，冷凝器蒸汽参数为0.5MPa、152℃。

2 蒸汽系统模型的建立

在计算各工艺装置用蒸汽负荷与硫磺回收装置生产蒸汽负荷的基础上，对蒸汽供热系统进行了详细的规划设计。按照工艺设计和运行要求，在进行蒸汽锅炉热平衡计算的基础上，分别建立了夏季、冬季和开工条件三种工况下各工艺装置和辅助装置蒸汽系统模型。

2.1 蒸汽锅炉热平衡方程

汽水系统的平衡计算依赖于蒸汽锅炉、余热锅炉和冷凝器的烟气、过程气热平衡和热交换设备的汽水工质热平衡计算。上述余热锅炉和冷凝器、热交换器等模型实际上已经建立了热平衡，这里就蒸汽锅炉的热平衡计算进行论述。图1和图2分别为蒸汽锅炉的燃料侧热平衡和工质侧平衡。

图1 燃料侧热平衡

图2 工质侧平衡

根据燃料侧平衡（如图1所示），锅炉热平衡和热效率公式[7-8]。

由工质侧平衡（如图2所示）可知：

式中：Ql—（锅炉）输出热量，kW（kJ/s）；Dzq—饱和蒸汽额定蒸发量，kg/s；ibq—饱和蒸汽焓，kJ/kg；igs—给水焓，kJ/kg；r—汽化潜热，kJ/kg；W—蒸汽湿度，%；Dpw—排污量，kg/s；Gbs—补水量，kg/s；ibs—饱和水焓，kJ/kg；

那么，由（式1～5），燃料侧与工质侧的热平衡公式：

通过建立的蒸汽锅炉燃料侧和工质侧的平衡方程，并结合上述余热锅炉和冷凝器、热交换器等模型建立的热平衡，在计算或假设蒸汽锅的热效率、排污率和排烟温度等数据的基础上，进行整个蒸汽系统汽水平衡的计算。

2.2 冬季汽水循环系统模型

冬季汽水循环系统工艺流程如图3所示。由于冬季因为需要进行采暖和消防水罐的蒸汽伴热，根据上述工艺设备的蒸汽负荷模型计算结果，蒸汽系统在运行锅炉为三台，硫磺回收装置内的余热锅炉和冷凝器处于正常运行。

2.3 夏季汽水循环系统模型

夏季汽水循环系统工艺流程如图4所示。由于夏季不需要进行采暖和消防水罐的蒸汽伴热，根据上述工艺设备的蒸汽负荷模型计算结果，系统运行蒸汽锅炉为两台，停止其他蒸汽锅炉的运行，而硫磺回收装置内的余热锅炉和冷凝器为正常运行状态。

2.4 开工运行汽水循环系统模型

开工汽水循环系统工艺流程如图5所示。由于开工阶段需要先行启动蒸汽锅炉系统，主工艺装置上属于非正常运行状态，根据上述工艺设备的蒸汽负荷模型计算结果，以及开工阶段火炬消烟和煮炉的蒸汽需求，仅有两台蒸汽锅炉运行。该模型假设开工阶段硫磺回收装置未产生蒸汽及开工运行不在冬季时段。

3 蒸汽系统汽水平衡计算及结果分析

图3 冬季汽水循环系统工艺流程

图4 夏季汽水循环系统工艺流程

图5 开工汽水循环系统工艺流程

根据建立的蒸汽系统平衡方程和计算方法，蒸汽循环系统汽水平衡计算结果见表1。计算结果显示，由于开工运行阶段，蒸汽消耗无法回收，这个时期系统的补水量比较大。工厂在冬季的蒸汽负荷最高，几乎是夏季与开工时的两倍，冬季全场蒸汽热负荷占到了设计运行热负荷的85.3%，夏季和开工时的蒸汽热负荷则仅为49.9%和54.5%。因此，若考虑到系统的热损失，冬季只需要将锅炉运行在大约90%负荷下、夏季和开工时运行在约55%～60%的负荷条件下，就能够满足工艺装置的蒸汽负荷需要。根据计算结果和实际运行的比对，表明汽水系统的平衡计算体现了设计与运行的基本一致。

表1 蒸汽循环系统汽水平衡计算结果

在进行系统汽水平衡计算过程中做了诸多假设，计算过程和方法仍然有改进的地方。首先，忽略了工艺装置各个时期运行过程中的热损失差别；其次，假设工艺设备在相同的环境条件下，不因设备外形尺寸的不同而存在热损失差别；再次，未考虑蒸汽系统凝结水疏水的质、热损失；最后未考虑因给水处理运行水平所引起的系统排污变化。

4 结语

天然气处理厂蒸汽装置是公用工程系统的重要组成部分和工艺装置安全、稳定、长周期运行的基础。通过系统的设计选型过程，笔者认为：（1）克劳斯装置蒸汽生产和消耗的计算是蒸汽系统设计基础和重点，只有比较准确的计算出克劳斯装置的产汽量和蒸汽消耗量，才能够比较准确地进行整个蒸汽系统的设计和装置选型；（2）由于运行环境存在的可能变化是计算过程无法预料的，因此，理论计算的结果与实际运行数据将会存在一定的差距，需要充分考虑系统因运行条件变化而带来的损失，以确保供热系统满足工艺装置的运行需要；（3）由于克劳斯工艺本身比较复杂，通常比较不容易进行准确的计算，因此，建立比较准确的工艺模型和总结类似项目的有关数据，是进行蒸汽系统选型和计算有效保障。（4）克劳斯装置蒸汽系统参数的确定与装置的规模、酸气量以及过程气的温度参数要很大的关系，蒸汽系统参数越高，克劳斯蒸汽装置的腐蚀也越严重。

◆参考文献

[1] 梁严. 天然气脱硫技术研究与展望[J].当代化工，2017，46(8)：1687-1689.

[2] 何玲. 高含硫天然气脱硫脱碳技术研究进展[J].化学工程师，2018，32(4)：62-66+61.

[3] 潘祥，王嘉彦，师婉莹，等. 天然气处理厂蒸汽锅炉能耗分析及改进措施[J].石油化工应用，2018，37(2)：130-134.

[4] 李尹建，陈玉梅，曹云，等. 工业锅炉蒸汽带水问题的研究[J].天然气与石油，2014，32(1)：29-32+8-9.

[5] 杨仁杰，陈小榆，蒋洪，等. MDEA脱硫脱碳选择性研究[J].天然气化工（C1化学与化工），2018，43(4)：62-68.

[6] 马建民，刘文君. 硫磺回收装置的流程模拟及操作优化研究[J].石化技术，2017，24(5)：39-40.

[7] 陈学俊，陈听宽. 锅炉原理（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1991.

[8] 赵钦新，惠世恩. 燃油燃气锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2000.