天然气浅冷装置的火用平衡分析.pdf

天然气化工 2 0 0 8年第 3 3卷 天然气浅冷装置的火 用 平衡分析 吴国忠， 王 勇， 齐晗兵 ， 李 栋 大庆石油学院， 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 摘要 某天然气加工系统的浅冷装置实际运行指标与设计数值相差较大， 系统性能未能充分发挥， 未达到预期的经济效 益。 从炯 平衡的角度分析了该天然气浅冷装置的运行特性， 建立了浅冷装置的炯 平衡模型。 通过现场测试数据分析表明 压缩 单元 、 氨压缩机和换热单元 的炯 损效率分别为 1 8 ．9 ％， 9 ．4 ％和 3 ． 7 ％。压缩单元损较大 ， 成为 首要 的改造对象 。 关 键词 天然气 ； 浅冷装置 ； 平衡 ； 分析 中图分类号 T E 6 4 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 9 2 1 9 2 0 0 8 5 0 0 3 1 系统组成及流程 天然气浅冷装置是 由压缩机 、 冷凝器 、 分离器等 设备组成 ， 可分为 3个子系统 压缩单元 子系统 、 换 热单元子系统和制冷单元子系统 。天然气经一级压 缩分离 、 二级压缩分离 ， 氨冷却浅冷分离 ， 最后达到 分离出天然气 中轻烃的 目的。天然气经一级压缩机 压缩 ， 压力温度升高 ， 经冷却器冷却 ， 再 到汽液分离 器进行一级分离 ， 分 离出部分天然气 ， 再经过二级 压缩机压缩 ， 又经过 冷却器降温 ， 流经分离器再分 离 出部分的轻烃 ， 天然气从分离器出来后进入贫气 换热器 ， 再进氨蒸发冷却器冷却 ， 流经分离器 ， 分离 出天然气 中绝大部分轻J烃【 ” 。 2 装置火 用 平衡模型的建立 应 用热力学第 一定 律分析天然气 浅冷装 置的 能耗平衡时 ， 只能评价能量消耗的多少 ， 不能分析 能量的质量。而炯是指一定形态的能量 ， 从它所具 有的状态在各种势差的作用下 如传热、 传质、 化学 反应 等 ，完全可逆的变化与环境条件相平衡的状 态 。此过程 中， 这种形态的能最大限度的转化为“ 可 完全转化 的能量” 的那部分能量。这样就可 以把炯 作为评价和比较各种不 同形式能量的标准。换句话 说 ， 具有这样 的一种互 比性 ， 它作为评价能量 品质 优劣是从质与量完全相统一的高度上来进行 的， 它 不仅在一定程度上反映了能量的大小 ， 而且还反 映 了能质的高低。 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 2 1 ； 作者简介 吴国忠 1 9 6 1 ． ， 教授 ， 电话 0 4 5 9 6 5 0 3 4 4 2 ， 1 3 0 6 9 6 0 5 1 5 0 ， 电邮 D q w g z y a h o o ． c o rn． c n 。 图 1 天然气浅冷装 置火 用 分析 F i g ． 1 En e r g y a n a l y s i s o ft h e n a t u r a l g a s s ha l l o w c o o m g f a c i l i t y 图 1 中 供入炯 E x p ， 从外界获得的火 用 ； 有效供火 用 E x u ， 供入火 甩 经过转换和传输后进入工艺利用环节的 火 甩 和 ； 输出炯 E X B ， 供入火 甩 经过转换和传输后输出 体系外提供给其他装置的火 甩； 直接损失炯甄 ， 供入 火 甩在转换 和传输过程 中直接损失 的炯 ；回收循环 炯 E x a ， 回收并直接用于本装置工艺利用环节的火 甩 ； 工 艺总用火 甩 ， 进入工艺利用环节的火 甩 总和火 甩 ； 热力 学耗炯E X T ， 装置 的产品带出 的总与原料带入 的总 火 甩 之差 ； 待 回收炯 E x o ， 工艺总用火 甩中， 除 了转 化到 产品的热力学火 甩耗之外的火 甩； 排弃火 甩 由下列几 项组成 ， 装 置中通过冷却介质 、 设备 、 管线 、 物流散 失到环境 中的火 甩 ； 回收输 出火 甩 E X E ， 回收后输 出体系 外提供给其他装置的炯o 2 ． 1 泵类设备炯分析模型的建立 泵属于流体机械 ， 其系统 内的主要能量转换过 程是功炯变化到压炯是机械能之 间的转换 ， 它的内 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 吴国忠等 天然气浅冷装置的火 甩 平衡分析 5 1 部炯 损失是单一 的机械能损失。 输出的有效炯是以 压炯为主的物流炯 。泵的散热量很小 ， 其散热炯损 失可 以忽略不计 ， 故一 般只做黑箱分 析 ， 如 图 2所 示 。平衡方程如式 1 嘲 图 2泵火 甩的黑箱模型 Fi g ．2 , Bl a c k b o xmo d e lf o rt h e p u mp e n e r g y r如 1 式中 功源带人的； 流体流人泵带人的火 用 ； 有效利用的．I 甩 ； 内部不可逆引起的耗散_J 甩 ； ， 流 体泄漏的外部损失炯。 当进入 系统 内的介质状态 为环境状态 或 比较 接近时 ， 流体带人 的火 用 、 流 体泄漏火 用 损 失 ， 常可 忽 略 ， 平衡方程简化为 E i, r 2 泵的娴 效率 3 冷换设备的炯损率和炯 损系数分别为 ， Ex 1 ．i 7 了 五 赢l x 1．i 8 冷换设备的 白箱模型如 图 3所示 ， 由此得到火 用 平衡 方程 9 。 | ． ．E ▲ I ■ ⋯● ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ■ ■ ⋯■ ● ● ● ⋯■ ■ ■ 一． ．_ 』生 兰 。垒 墨 。 i ⋯ ⋯ ． ． ⋯ ⋯ ⋯ ． ⋯ ． ． ⋯ ⋯ 图 3 冷换设备 的白箱模型 F i g ． 3 W h bo xm o d e lforth eh e a t e x c h a n g e e q u i p me n t 一 一 巨 却 9 式中 ‰ ， 冷流体的流动阻烟 ； ‰ ， 热流体的流动阻 炯 ； △ t ， 温差传热损失炯； E ， 气流体泄漏的损失舰 由于冷热 流体都是原油 ，可按理想情况处理 ， 则流体为不可压缩 ， 且 由于原油温度较低 ， 对 微元 有 r X --～ C p d T-d E m C d T T o C p 1 0 ” 一 内部 Ic 甩 损失系数为 - Ex ir _r 1 一 4 由此可得 2 ． 2 冷换装置火 甩 分析模型的建立 换热器 、 冷凝器等统 称为换热设备 ， 如果单从 传热的角度进行分析 ， 热流体放出的热量 ， 也 既是 焓降 ， 冷流体得 到的热量 ， 也既是焓升。在不考虑散 热损失的情况下二者是相等的。但是温差的传热过 程是不可逆过程 ， 此过程中必然会引起炯减熵增否 则是违反热力学第二定律。因此对换热器进行烟 分 析 比从数量多少的角度分析更具有意义 。 2 ． 2 ． 1冷换设备烟分析模型的建立 冷换设备 的供 给火 用 是热流体在散热器入 口火 用 和出 口炯的之差 ， 即 E I E rE衄 式 中 ‰ ， 热流体进入冷 换设备的火 用 ； ， 热流体 离开冷换设备的炯 。 冷换设备的烟效率 的定义式为 ， 7 2二 6 l x s u p 1 x h I L 吐 2 式中 ， ， 冷流体进入冷换设备的烟 ； E ， 冷流体离 开冷换设备的炯 。 母 r 一 一 习 1 1 1 2 式 中 m，质量流量 ， k g ／ } l ； C p ，流体 的比热 ， ／ k g K ； T o ， 为环境的温度 ； 、 ， 进出 口温度 温差传热的炯损计算 峨 芋 m eC p 芋 1 3 [cm C e c 等 流阻炯损的计算 E’ T 。 ～ - 如 fp 2 d 。 1 5 式 中 Q， 流体的质量流量 ； ， 流体 的进出 口平均温 度 ； ， 流体入口的压力； P 2 ， 流体出口的压力 。 _ 一 m 7 1 6 散热烟损的计算 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 天然气化工 2 0 0 8年第 3 3卷 1 一 1 7 ， 式中 ， 冷换设备的散热量 ； 弓， 按冷热流体 的质量 流量和平均温度加权平均计算 。 m h T ,, , _h m cT, , c 1 8 H lh’f fl c 3 装置测试数据炯分析 3 ． 1 同类型设备火 用 分析 将轻烃外输泵 、 乙二醇泵 、 天然气压缩机和氨 压缩机归为 同类设备 ， 进行 火 用 平衡测试 ， 分析数据 如表 1 所示。 表 1 泵 、 压缩机烟 测试 结果 Ta b l e 1 En e r g y t e s t o ft h e p u mp s a n d c o mp r e s s o r s 设备名称 娴效率 ， ％热力学完善度 外部娴损失系数 内部娴损失系数 从表 1 可以看 出轻烃外输泵和乙二醇泵的炯 效 率都很低 。泵的炯损失主要是集 中在泵轴在传递 电 动机 的功率时由于机械摩擦而造成 的较大的火 用 损 失 ， 还有泵 内本身存在 的各种不可逆过程造成的炯 损失 女 口 叶轮和流体之间的作用 。但由于它本身耗炯 也少 ， 所 以节能潜力不大。氨压缩机的炯损失大 ， 效 率也低 ， 它 自然成为迫切改造的对象。 对换热设备进行炯 平衡测试 ，分析数据如表 2 所 示 。 表 2 冷换设备烟 平衡测试 Ta b l e 2 En e r g y b a l a n c e t e s t o f h e a t e x c h a n g e e q u i p me n t 总媚损失， 1 0 5 k J ／ h 总媚 损失率， ％ 设备名称 温差传热 散热 内部 温差传热 散热 内部 阚效率『 ％ 阚损失 阚损失 阚损失 合计 阚损失 阚损失 阚损失 合计 级间空冷器0 ． 3 6 0 2 2 0 ． 4 2 1 ．0 2 2 1 3 2 4 5 9 4 1 水冷器0 ． 3 2 0 ．0 8 0 ． 6 2 1 ．0 2 l 8 5 3 7 6 0 柏 氨冷凝器 n 6 1 ．3 4 1 ．9 4 1 5 ．4 3 5 5 0 ． 4 4 9 ．6 氨蒸发器0 ．0 7 0 ．7 3 0 ．8 4 6 0 6 4 3 6 天然气贫富0 ．2 2 0 ．08 0 ． 1 0 ．4 4 2 l 7 2 l 8 0 2 o 换 热 器 乙二醇贫富0 ．0 3 0 ． 1 0 ．07 0 ．2 6 2 0 1 4 6 0 4 0 换热器 塔底重沸气0 ．4 3 0 ．2 3 0 ． 24 0 ． 9 3 6 1 9 2 0 7 5 2 5 从表 2的测试结果可知 ， 冷换装置的火 用 效率都 较低 。从温差传热炯损 、 流动阻力炯 损和散热炯 损 的计算结果可知 ， 散热火 用 损最高 ， 能量主要损失在 换热器 的散热方面 。其次为温差传热损失 ， 说 明不 可逆温差传热引起较大的炯 损， 但是换热器本身不 可克服 ，因此 只能尽量降低热流体的平均放热温 度 ， 提高冷流体 的平均吸热温度。 3 ． 2系统火 用 耗分 析 1 总炯 系统 由 3个主要用能子系统组成 压缩单元子 系统 、 换热单元子系统 、 制冷单元子系统 ， 经测试系 统的总供给炯 E 9 6 2 1 MJ 。 2 子系统的炯损失和损 系数 压缩单元 火 用 损 E x 1 1 8 2 1 MJ 火 用 损系数 A 1 Ex I ／ E1 8 ． 9 ％ 换热单元 E x J 3 ． 7 ％ ； 制冷单元 E x E p 9 ． 4 ％； 火 用 损 E x 2 3 5 6 M J 火 用损系数 A 火 用 损 E x s 9 0 3 火 用损系数 A 3 系统效率 系统有效炯耗 E x 1 5 6 5 4 1 M J 系统炯效率 A E x l d E s u p 6 8 ％ 通过分析可以看出 ， 压缩单元是系统炯 损失最 大 的环节 ， 占系统总火 用 损失的 1 8 ． 9 ％， 其次是制冷 单元 占 9 ． 4 ％。压缩机是最主要的炯输入环节 ， 但也 是炯损失的主要环节。 4 结语 通过建立天然气浅冷装置炯传递物理模型 ， 利 用该模型对大庆油 田一实 际运行 的天然气浅冷装 置进行分析计算 ， 发现在天然气浅冷装置 中压缩单 元炯 损失是系统炯损失的关键 ， 而压缩单元中氨压 缩机的炯损失最大 ， 成为炯效率提高的关键部位。 在天然 气浅 冷装置 中冷换装 置的火 用 效率普遍 较低 ，其 表现在散热火 用 损高 ，散热 的火 用 损系数为 8 9 ． 4 ％， 说明不可逆温差传热引起较大的炯 损 ， 可通 过对冷换装置进行有效 保温或提高绝 热措 施而减 少炯 损失。 参考文献 【 1 】 吴 国忠， 张九龙 ． 天然气浅冷 分离 装置 的能平衡 分析【 J 】 ． 节能技术， 1 9 9 5 ， 2 l 6 1 8 ． [ 2 ] 赵孟 姣， 陈保东， 陈继程． 炼油厂泵 的分析 及节能方 法田． 石油 和化 工节 能， 2 0 0 6 ， 3 2 1 ． 2 2 ． 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 吴国忠等 天然气浅冷装置的火 用 平衡分析 5 3 【 3 ] 王志 国， 宋永 臣， 刘瑜， 等．N G L深 冷分离装置 的分 析方法 及应用田． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 6 9 9 0 - 9 9 3 ． [ 4 ] 项敬岩， 王海青． 换热器效率的影响因素及其在热经济 分析中的作用 【 J 】 ．沈阳电力高等专科学校学报， 2 0 0 3 ， 5 2 5 - 6 ， 1 1 ． En e r g y a n a l y s i s f o r n a t u r al g a s s h a l l o w c o o l i n g f a c i l i t y WU G u o - z h o n g， W AN G Yo n g ， Q I Ha n - b i n g ， L I Do n g D a q i n g P e t r o l e u m I n s ti t u t e ， D a Q i n g C i t y ， 1 6 3 3 1 8 Ab s t r a c t T h e p r a c t i c a l o p e r a ti o n p e r f o r ma n c e s o f t h e s h a l l o w c o o l i n g f a c i l i t y o f o n e n a t u r a l g a s p r o c e s s s y s t e m Was f a r f r o m the d e s i g n i n d e x e s ， n o t a c h i e v i n g the a n ti c i p a t e d r u n n i n g e ffi c i e n c y a n d e c o n o mi c b e n e fi t ．Th e o pe r a ti o n c h a r a c t e r i s ti c s o f the f a c i l i ty Was an a l y a b y e n e r g y b alanc e ，an d a e n e r g y b alan c e mode l f o r the f a c i l i t y Was e s t a b l i s h e d ． An aly z i n g the fi e l d t e s t d a t a s h o w e d t h a t the e n e r g y e ffic i e n c y l o s s for the c o mp r e ssi o n u n i t ，a mmo n i a c o mp res s o r an d h e a t e x c h a n g e u n i t w e re 1 8 ．9 ％， 9 ． 4 ％ and 3 ． 7 ％， r e s pec t i v e l y ． The c o mp r e s s i o n u nit s h o u l d be mo d i f i e d fi r s tl y b e c a u s e o f i t s hi曲 e n e r g y l o s s ． Ke y wo r d s n a t u r a l g as； s h a l l o w c oo l i n g f a c i l i ty； e n e r g y b alan c e analy s i s 上接第4 9页司原料煤 的平 均进价 l至 5月份从 9 3 1 元／ t 上涨到1 2 1 0元／ t ， 兰花公司原料煤到厂价从 1 月份的 6 7 2元／ t 涨到 6月末的 1 1 8 0元／ t 。每吨 甲 醇耗煤 1 ． 6 t 计算 ，原料煤费用已达 l 9 0 o元／ t 甲醇。 所 以 C MM气生产 甲醇具有较大的竞争力。 与 C MM发 电相 比， 生产甲醇也有一定的优势 。 国内某一瓦斯发电厂装机容量 l 2万 l ， 年发 电量 8 ． 4亿 k Wh ， 耗气 1 ． 7 8 7亿 11 1 。 折纯甲烷 ； 国内另一 瓦 斯发 电厂装 机容 量 3 ． 3万 l ，年 发 电 2 ． 3亿 k Wh， 耗 气 5 4 0 0万 m 3 折 纯 甲烷 ， 年销售额 6 2 8 5 万元 ，利税 l 0 o 7万元。上述发 电用气可生产 甲醇 l 7 ． 8万 及 5 ． 4万 。 按 甲醇价格 3 0 0 O元／ t 计 ， 其 产值分别 达到 5 ． 3 4亿元和 1 ． 6 2亿元。而生产成本 每吨 甲醇约 2 0 0 0元 ， 效益是相当可观 的。 4 结论 矿井 区煤层气通过 自热转化 ， 外热转化 ， 并利 用 P S A技术脱除氮气制 甲醇合成气是可行的。 甲醇 的生产成本具有一定的竞争优势。无论从经济 ， 还 是从安全 ， 环保 ， 资源的利用考虑都有利。对于煤层 气的化工利用 ，具有矿井区煤层气量较大的企业 ， 用其来生产 甲醇是一个较好的选择。 参考文献 【 1 ] 房鼎业， 姚佩芳， 朱炳辰． 甲醇生产技术及进展 [ ． 上海 华东化工学 院出版社， 1 9 9 0 4 2 ． [ 2 ] 陶鹏万， 古 共伟． 利 用煤 层气制氢【 J 】 ． 天然气化工 ， 2 0 0 6 , 3 1 2 5 2 - 5 5 ． 【 3 ] 宋汉成， 焦文玲， 李娟娟， 等． 煤层气加压输送安全性分析 田． 管道技术与设 备， 2 0 0 6 ， 5 7 1 0 ． P r o b i n g i n t o M e t h a n o l P r o d u c t i o n f r o m CM M T AO P e n g - w a n , G U G o n g - w e Z H AN G J i a n -f e n g G U AN Y i n g -f u , C H E NX u e q ／ ri g S o u thw e s t R e s e a r c hD e s i gn I n s ti t u t e o f C h e m i c al I n d u s t r y Ab s t r a c t A m e thod o f m e thano l p r o d u c ti o n f r o m C o al min e me thane C M M i s d i s c u s s e d ．A f t e r d e s u l f u r i z a t i o n ， a u t o ． t l l e ma l r e f o r mi n g and e x t e rnal- the rm al ref o r mi n g b y c a t a l y s ts，the C MM i s c o n v e e d i n t o a mi x t u re g as ，w h i c h i s m a d e u p o f H ’ ， C 0 C O a n d a l i t t l e o f C l { 4 a n d N ’ ． B y t w o s t a g e p res s u re s w i n g a d s o r p ti o n ， N 2 i s r e m o v e d f r o m the mi x t u r e g a s and t w o p r o d u c t g a ses a l e p r o d u c e d ， o n e c o n t a i n i n g CO， C 02 a n d a s ma l l q u ant i t y o f N1 the o the r c o n t a i n i n g mo r e than 9 8 ％ v ％H ’ ． B y m i x i n g the p r o d u c t g a s e s t o g e the r , a s y n the ti c g as for me tha n o l i s p r o d u c e d and t r ans p o r t e d t o s ynthe s i s p r o c e d u r e a f t e r c o mp ressi o n ． U t i l i z i n g C MM o f 4 0 ％ C I L as r a w m a t e r i a l ， th e c o s t o f rem o v i n g i s a b o u t 2 2 4 per t o n m e thano l ， so the t e c h n o l o gy c a n y i e l d g 0 o d e c o n o mi c ret u r n s and s o c i al ben e fi t ． Ke y wo r d s C o al mi n e me than e ， Me thano l ， P r e s s u re S w i n g Ad s o r p ti o n ， r e mo v ing n i t r o g e n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m