天然气处理厂丙烷制冷系统节能改造

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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