浅谈天然气集输系统节能降耗措施

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  【摘 要】节能降耗,降低成本,提高效益,是天然气集输系统需要面对的重要问题。为了降低天然气集输系统能耗,本文在天然气井口、增压站、处理厂不同能耗形式分析的基础上,分别提出了针对单井站、不同驱动形式的增压设备、加热炉以及部分天然气处理系统的节能降耗措施。
  【关键词】节能降耗;天然气集输;措施
  引言
  能耗问题在工业生产中受到的重视逐渐加强。考虑到各国政府对环境保护的要求越来越严格,而且降低能耗能够为企业带来巨大的经济回报,因此节能降耗有着越来越多的现实意义[1]。
  天然气集输系统是由气田集输管网、气体净化与加工装置、输气管线以及各种站场组成的一个统一的水动力系统。其中,天然气井口、增压站、处理厂构成了主要的能耗单元[2]。具体的能耗包括:井口节流带来的压力损失、对天然气进行加热带来的能量损失、对天然气进行增压带来的动力损失、处理厂中各种处理工艺中能量损失、物流流经各管道阀门、设备时的水力损失以及由于泄露造成的漏失。
  气田集输系统的节能降耗是一项系统性工程,应针对产生能耗的各个环节,从节能管理、节能技术改造等方面同时进行研究[3]。本文主要从节能技术改造方面,对单井站节流、增压设备、加热炉以及部分处理工艺提出节能降耗措施。
  1. 单井站节能措施
  天然气在井口需要进行节流降压,并且加热以防止水合物生成。而新井和老井由于压力不同,因此其节能措施不同[2]。
  (1)新气田的单井站
  通常新井的井口压力较高,节流压差较大,形成水合物的风险较大。为了避1免生成水合物,通常需要在井口设置加热炉。此时能耗的具体表现形式为用于消耗的天然气量。除了合理设置加热炉加热温度能降低能耗外,还可以通过井下节流技术来有效这一过程的能量消耗。该技术是将节流器安装在油管中的某一位置,其节流压差可以根据生产井的具体情况进行调节。经井下节流的天然气,其压力等级已经满足地面集输的需要,因此地面不需再设置节流装置。而利用地热对天然气进行加热,节流后的天然气温度高于所处压力下的水合物形成温度,地面的加热装置亦可取消。
  (2)老气田的单井站
  老气田气井的压力降低,井口节流压差较小,气体温降较小。此时可以取消加热装置,而改用加注抑制剂的方式来防止天然气水合物的形成。当气田开采进入中后期后,压力进一步减小,需要进行增压开采。此时集输系统中的压力能耗成为主要方面,原先的水套式加热炉、调节阀等成为了主要的地面阻力元件。为了减小压力能耗,就需要对这些阻力元件适时拆除。
  2. 增压设备节能降耗措施
  目前,世界上在天然气气田增压设备采用的原动机有电动机、燃气发动机和燃气轮机。而燃气轮机在原动机中所占的比重越来越大。以电驱动的增压机,其能耗为驱动压缩机的电动机的电力消耗;以燃气驱动的增压机,其能耗为驱动增压机的燃气发动机的天然气消耗。
  2.1 电动机驱动
  对于使用电动机驱动的增压机组,可以考虑根据生产情况加装变频器来减小电力的消耗。
  改变电动机频率f即可改变电动机的转速N[4]。而由泵的相似性可知:泵的排量Q与电动机转速N的一次方成正比,出口压力H与电动机转速N的二次方成正比,功率P与电动机转速N的三次方成正比。即:
  在实际生产过程中,当流量发生变化时,为了使增压设备的功率保持在较高水平,即可以通过变频器,按比例调节电动机转速来节约电能。
  实际上,利用变频技术调节电动机转速达到而节能降耗的做法已经成功应用于油气田生产的各个环节。靖边气田第一采气厂采用变频技术调节MDEA及TEA循环泵的排量,在节约电能的同时减少了溶液循环损耗和加热炉的能耗[5]。
  对于已经进入开发中后期的油田,产量减小,外输增压设备经常出现“大马拉小车”的现象。这种情况下,结合自动控制技术,可利用缓冲罐的液位信号实现外输泵的实时变频控制,保证泵的高效运行,节约大量电能。
  变频技术还可以用来调节加热炉风机的进气量,控制好加热炉的空燃比,改善其运行参数,从而提高燃料利用效率[6]。
  2.2 燃气发动机驱动
  可以通过下面途径降低燃气发动机能耗[7]:
  (1)通过调节空燃比降低燃气发动机能耗。
  (2)通过调节混合气体的均匀性降低发动机能耗。
  (3)当压缩机负荷降低时,气缸内残余气量相对增加,致使燃料和氧气接触的几率减小。此时可以通过提高混合气体浓度来加快燃烧。
  (4)通过调节冷却系统温度来降低发动机能耗。适当提高发动机冷却液温度可以减少能耗。
  由于燃气发动机具有以下几方面缺点[8]:
  (1)结构复杂,内部运动和易损部件多;
  (2)外型尺寸和整体重量大;
  (3)运转过程中有振动,而且噪声大;
  (4)机器维护、保养、零件更换频繁。
  因此,燃气发动机在天然气长输管道的压缩机站中应用并不多。
  2.3 燃气轮机驱动
  燃气轮机因其变速范围大、安全可靠、自动化程度高、技术先进、装置轻巧、建设周期短、维修方便等优点,在油气田中的应用越来越广泛[8]。尤其是在天然气长输管道中,由于燃气轮机可以直接采用所输天然气作为燃料,而不需要进行处理和增压,既方便快捷又成本低。近年来在我国大型天然气长输管道中依靠燃气轮机进行增压越来越多。
  对于燃气轮机的改进和降低能耗的方法,主要是通过逐步提高其热效率来实现的。采用燃气轮机回热循环、联合循环、复合循环(及带有中间冷却和热量回收)、蒸汽循环等工艺均可以提高燃气轮机的热效率。同时,提高循环参数(温度和压力)、应用以陶瓷为基础的新型材料、完善燃气轮机的冷却系统以及提高尾气余热利用等都是提高燃气轮机热效率的有效方法[1]。   3. 加热炉节能降耗措施
  油气田用的加热炉主要消耗的是热能,其来源主要为气田自身所产的天然气。采用各种有效的方法提高加热炉的加热效率,可以降低加热炉能耗。对于提高加热炉效率,可以通过以下几种途径:
  (1)合理控制空气量[9]。
  提高加热炉的主要途径是控制合理的空气量,保证加热炉内燃料能够完全燃烧,减少燃料损失。实验证明,最佳燃烧区域的过剩空气系数范围为1.2~1.3,过大或过小都会影响加热炉热效率。
  (2)开展加热炉的清防垢工作[10]。
  加热炉中的污垢,既有由于水质问题引起的无机垢,还有因设备腐蚀产生的硫化物,同时也会存在油垢。污垢的存在不仅会降低加热炉的效率,增加能耗,更严重时可能导致设备局部过热,引发安全问题。因此,加注防垢剂、安装除垢器、定时除垢,可以减轻加热炉结垢情况,提高加热炉炉效。
  (3)进行真空加热炉更新改造。
  真空加热炉利用真空相变换热技术提高换热效率。所谓真空相变换热,是指通过利用热媒在汽、液相变过程中放出的潜热进行换热。真空相变加热炉热效率高,节能效果明显。
  (4)应用热管对老式加热炉进行改造。
  热管是一种新型的高效传热元件。热管具有传热速度快、效率高的特性,可快速将高温烟气的热量传至水中,降低烟气温度,提高加热炉效率。
  (5)进行负压蒸汽换热技术改造。
  对于水套式加热炉,可以将作为传热介质的水换为气化潜热为水的2~3倍的传热合成剂。改造后的水套式加热炉实际变成了以新型传热合成剂为热媒的负压蒸汽换热器,其换热原理与相变换热相同。因此将大幅度提高了加热炉效率,节能效果明显。
  (6)采用带有自控系统的高效节能燃烧器
  高效节能燃烧器具有自动检测和控制功能,能够实时检测加热炉的炉膛温度、进/出口温度,以此调节燃料和空气的混合比例,保证燃料的充分燃烧,较大程度地提高了加热炉的效率。
  除此之外,定期烟道清灰、烟管清焦,保持烟管干净,搞好炉体保温工作,减少不必要的热损失等,均是减少加热炉能耗的有效措施。
  4. 天然气处理系统的节能降耗措施
  天然气处理净化过程中的能量损失主要包含以下5个方面[11]:
  (1)流体的流动阻力造成的能量损失;
  (2)天然气节流膨胀造成的能量损失;
  (3)热交换过程中温差造成的能量损失;
  (4)非平衡的两相物流在设备中混合以及接触传质过程中造成的能量损失;
  (5)因设备泄漏或者外排气体携带而造成的漏失。
  4.1 脱水系统节能措施
  对于常用的TEG脱水工艺,经过长期使用及反复实践,认为采取以下途径可以提高脱水效果,减小TEG消耗,降低脱水能耗。
  (1)严格控制工艺温度及压力[12~14]。
  (2)改善进入吸收塔的湿天然气分离状态。
  (3)吸收塔内部设置补雾器。
  (4)加注消泡剂。
  (5)增强贫富甘醇换热[2]。
  对于采用分子筛脱水的装置来说,可以通过再生气换热技术降低能耗。
  分子筛脱水工艺包括分子筛脱水、吸附塔再生和吸附塔冷却三个阶段。一般情况下,吸附塔再生采用加热后的高温天然气反吹再生塔,吸附分子筛中的饱和水。吸附了水的再生气需要冷却之后进入下一步骤。为了降低再生气加热炉以及冷却器的负荷,可以将高温再生气同未加热的再生气进行换热,以这种方式回收高温再生气中的热量。
  4.2 轻烃回收装置节能措施
  轻烃回收是指采用特定的工艺分离和回收天然气液烃中的乙烷、丙烷、丁烷、丙烷/丁烷混合物、天然汽油和凝析液等组分的过程。轻烃回收过程中可采用下列方法节能降耗[15]:
  (1)天然气增压单元使用循环水冷却器两用换热技术
  天然气进入轻烃回收装置前,在压缩的过程中温度升高。所谓循环水两用换热,是指充分利用天然气压缩后温度的升高,在夏季循环冷却水用于降低天然气温度,而冬季吸收了热量的循环水可用于为生产或伴热管线提供热源。
  (2)进料与塔底产品换热节能技术
  以脱丁烷塔为例。为了减小脱丁烷塔的重沸器的负荷,可以在进料处增加一个换热器,使进料与塔底产品进行换热,利用稳定轻烃的热量加热进料。大港油田实际生产表明,此举可以将脱丁烷塔的进料提高约20℃,塔底产物降低约10℃。
  4.3 低温SCOT工艺进行尾气处理
  天然气处理厂的尾气只有经过尾气回收后才能达到相应环保标准外排。SCOT法或者类似的加氢还原方法是应用较为普遍的方法。而低温SCOT工艺,使用低温催化剂,将克劳斯装置后的尾气经再热器预热后进入加氢反应器还原,而后经急冷却塔冷却,进入吸收塔脱硫,其最大特点在于省去了加氢段前的预热设备[16]。
  低温SCOT工艺具有以下节能降耗特点:
  (1)由于使用低温催化剂,降低了加氢反应器的入口温度(与传统工艺相比大约可降低60℃),采用再热器取代了价格昂贵的在线燃烧炉和锅炉,因而在降低成本、节约能耗的同时,简化了处理工艺流程;
  (2)低温SCOT工艺的采用可节约装置投资费用约7%,操作费用约20%,使整个尾气处理工艺的总操作费用降低14%左右。
  5. 总结
  5.1气田集输系统的节能降耗工作是一项系统性工程,应针对产生能耗的各个环节,从节能管理、节能技术改造等方面同时进行研究。
  5.2对于井口节流来说,不同的压力等级对应不同的节能方法。对于节流压差大的新井,可采用井下节流装置;对于压差小的老井,需要适时拆除部分阻力元件。   5.3气田增压设备采用的原动机有电动机、燃气发动机和燃气轮机。利用变频技术可以大幅度提高电动机增压设备功率。燃气轮机由于其卓越的性能在长输天然气管道增压设备中所占比重越来越大。
  5.4对于降低加热炉的能耗,提高其燃烧效率,可以通过调节空气量、加强清防垢以及进行设备改造等方面实现。
  5.5天然气处理系统既是实现天然气价值的单元,也是集输过程中的能耗大户。在运行过程中,既采用新技术,又要合理控制温度、压力等工艺参数,还要注意充分利用换热器,加大热量的回收利用,达到节能降耗的目的。
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  作者简介:
  魏金威,男,2007年7月毕业于西南石油大学油气储运工程专业,同年进入长庆石油勘探局建设工程处任技术员。2010年调入长庆油田第一采油厂任集输站技术员,2012年开始从事油田地面工艺系统建设。
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