脱油脱水装置节能降耗分析

陈宗宇，侯 山，郭 萍，刘宇坤，梁 坤

（中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017300）

天然气在降低温度下形成水合物，水合物会引起管线、阀门堵塞，降低管线的流动能力，同时天然气中通常含有CO2、H2S 等酸性气体，这些气体溶于水之后，形成具有腐蚀性的酸液，引起管线和设备的腐蚀，所以脱水措施是天然气外输使用的基本要求。天然气脱水主要采用分子筛脱水、三甘醇脱水、节流降温脱水、丙烷制冷等方法进行天然气脱水。分子筛脱水效果较好，但是对于大装置，设备投资和操作费用都比较高。三甘醇脱水系统比较复杂，三甘醇溶液再生过程的能耗比较大，三甘醇溶液会损失和被污染，因此需要补充和净化，三甘醇脱水的投资和运行成本比较高。丙烷制冷脱水需要整套的丙烷压缩机等设备，耗电量较大。节流阀脱水成本低，但是在脱水循环中一部分处于水合物生成范围内，容易生成水合物，因此需要采取添加抑制剂等防止水合物生成的措施，以及配套的抑制剂回收系统。

1 处理厂脱油脱水装置节能应用

原料气（约25 ℃）经过滤分离器进入预冷换热器，利用外输的产品气对原料气进行预冷，夏季温度降低至2 ℃（冬季温度降低至-8 ℃）；再进入丙烷蒸发器，与液体丙烷进行换热降温，夏季温度降低至-5 ℃（冬季温度降低至-15 ℃）；进入低温分离器进行脱油脱水，再进入预冷换热器，与原料天然气逆流换热，然后去配气区进行外输。

假设没有预冷换热器的换热效果，原料气的温度需要从25 ℃降温至-5 ℃（冬季温度降低至-15 ℃），温度变化范围夏季约30 ℃，冬季约40 ℃。在脱油脱水装置中应用了预冷换热器，原料气需要制冷温度约7 ℃，能够有效的降低丙烷蒸发器的负荷，起到节能降耗的目的（见图1）。

图1 装置工艺流程图

2 预冷换热器换热效率分析

2.1 管壳式换热器的传热原理

热传递基本公式：

根据传热可知，提高传热效率的途径有三条：提高传热系数K，增大换热面积A；加大对数平均温差ΔT。适当的增大换热面积和增大对数平均温度差可以提高换热效率，提高热传递系数K：

K－总热传递系数，ao－管外流体给热系数，at－管内流体给热系数，rdo－管外污垢热阻，rdt－管内污垢热阻，rw－管壁热阻，Ao/At－管外表面积和管内表面积比，η－翅化比（螺纹管外表面积/光管外表面积）。

而换热管的材料、规格一旦选定，则管外径与内径之比、壁厚及导热系数等参数也随之确定下来。提高管内、外换热系数ao和at、降低污垢系数rt和ro, 能够有效提高换热器的总传热系数K。

2.2 预冷换热器温度变化曲线分析

根据GB151-1999 附录F 中描述，传热系数K 固定不变时，在纯逆流换热器中，流体温度变化情况（见图2）。

图2 预冷换热器温度变化曲线图

按照脱油脱水装置换热器的换热过程，符号纯逆流换热，T0为原料气管层进口温度，T1为原料气管层出口温度，t1为产品气壳层进口温度，t0为产品气壳层出口温度。ΔT1=T1-t1为丙烷蒸发器制冷后温度差，ΔT0=T0-t0为出预冷换热器管壳层温度差。

换热面积=长度×单位长度换热面积，图2 横坐标为换热器长度L，图2 可以描述为在不同的换热面积后，温度差的变换过程，脱油脱水装置中，原料气进气温度T0，经预冷换热器后交换热量Q1使得温度降至T1，经丙烷蒸发器制冷交换热量Q2使得温度降至t1，原料气总消耗热量Q原=Q1+Q2，Q1为图3 阴影部分面积，Q2为丙烷蒸发器制冷的热量。经丙烷蒸发器后的产品气经预冷换热器吸收的热量Q3使得温度升至t0，产品气吸收的热量Q3为图4 阴影部分面积。进出装置消耗的总能量Q=Q1+Q2-Q3。

图3

图4

假设ΔT1=ΔT0，即T1-t1=T0-t0；换热器在换热过程中，无能量损耗，能量只在进行原料气和产品气间进行热传递。由于曲线变化速率一致，Q1=Q3，进出装置的总消耗能量为Q=Q2，为丙烷制冷消耗的能量。

正常使用换热器过程中，ΔT1≠ΔT0，设备存在散热是必然的现象，做好设备与空气间的隔热非常重要，能够减少能量的损耗。

3 脱油脱水装置节能分析

3.1 用电量节约

由预冷换热器变化曲线，可以得出丙烷蒸发器制冷是关键，温度差过大，必然导致设备运行负荷增大，考虑降低温度差可以降低丙烷蒸发器的制冷能耗。由热传递基本公式Q=KAΔT，降低温度差，热传递效率下降，适当增大换热面积能够有效提高传递效率。

苏里格第五天然气处理厂12 月装置处理气量13 338×104m3天然气，装置耗电量22.95×104kW·h，装置进出口温度差5 ℃，换算日均处理500 万m3天然气需要消耗约8 600 kW·h 电量。假设增大2 倍换热面积，不考虑设备与大气间的热传递，保证热传递效率与原先的一样，温度差可减半，装置进出口温度差2.5 ℃，可以直接降低丙烷蒸发器的制冷量，减少了丙烷蒸发器的运行负荷，可以选择负荷更低的设备，有效的减少耗电量。

3.2 采用节流阀降低温度

低温分离器上游增设节流阀，取消丙烷蒸发器流程。节流阀能够直接对天然气进行降温。选择合适的节流阀和预冷换热器达到低温分离器温度，夏季温度降低至-5 ℃（冬季温度降低至-15 ℃），减少了丙烷制冷系统带来的能量消耗，日均节省8 600 kW·h 电量。

节流前后温度降ΔT 的计算公式：ui－焦耳-汤姆逊系数，温度在-15 ℃～25 ℃，压力在4.0 MPa～5.0 MPa，甲烷的ui大于3.87[1]。

图5

当压力降为0.5MPa 时，温度差为1.935 ℃（0.5×3.87）；当压力降为1 MPa 时，温度差3.87 ℃。

缺点是增大了装置运行的压降，气量不易控制。

4 结论和建议

（1）通过预冷换热器温度差变化曲线分析装置能量的变化情况，装置总的消耗能量为丙烷制冷。有效的做好设备与空气间的隔热，减少能量的损耗。

（2）通过用电量的统计，分析适当增加换热面积，减少温度差的途径，选择更低负荷的设备，有效的减少耗电量。

（3）增加节流阀的途径，直接进行降温处理，取代丙烷制冷消耗的能量，有效的进行节能降耗。

［1］ 董正远.计算天然气焦耳一汤姆逊系数的BWRS 方法［J］.油气储运，2007，26（1）：18-22.