丙烷淺冷輕烴回收系統(tǒng)節(jié)能改造

丙烷淺冷輕烴回收系統(tǒng)節(jié)能改造

1回收率降低2001年7月，陽木西輕烴完成。吐魯普地區(qū)氣溫變化顯著，空氣濕度較低。裝置設(shè)計(jì)天然氣處理量為2.5±20%萬方即2~3萬方,隨著油田產(chǎn)量的增加,進(jìn)裝置的實(shí)際天然氣為3.6萬方/天,導(dǎo)致裝置一直處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。原料氣組分較設(shè)計(jì)時(shí)有所變化,增加了后續(xù)設(shè)備的負(fù)荷;隨著各換熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng),傳導(dǎo)系數(shù)下降,換熱效果變差,導(dǎo)致關(guān)鍵部分的工藝參數(shù)發(fā)生一系列變化(表1),影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。由于上述原因,致使制冷系統(tǒng)負(fù)荷增加,制冷壓縮機(jī)不能滿負(fù)荷運(yùn)行,效率降低、單位制冷量下降。C3回收率降低,產(chǎn)量下降。要達(dá)到設(shè)計(jì)要求,保證產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量,需要更換大功率的制冷壓縮機(jī)或者對(duì)裝置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造,提高現(xiàn)有制冷壓縮機(jī)的有效輸出功率。2冷量計(jì)算和當(dāng)前分析2.1平均分子量lma按照生產(chǎn)工藝參數(shù)所需冷量即為裝置所需理論冷量,目前原料氣組分(見表2),平均分子量為30.77,日處理原料氣的摩爾流量和質(zhì)量流量分別為:m摩爾=日處理量÷22.4÷24=65.1mol/h;m質(zhì)量=m摩爾×平均分子量=65.1×30.77=2003.1kg/h;純組分質(zhì)量流量=m摩爾×組分(%)×純組分的分子量原料氣在丙烷蒸發(fā)器的工藝參數(shù)為:進(jìn)蒸發(fā)器前溫度T1=30℃蒸發(fā)器冷凝后溫度T2=-20℃原料氣壓力P=1.8MPa經(jīng)查各組分在狀態(tài)1(進(jìn)蒸發(fā)器前)、狀態(tài)2(出蒸發(fā)器后)下的焓值H為(見表2),原料氣各組分在丙烷蒸發(fā)器所能達(dá)到分離要求所必須的理論冷量為:純組分所需冷量=(H1-H2)×純組分質(zhì)量流量×4.18根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表2),原料氣達(dá)到分離要求所需的理論冷量:2.2等過程依據(jù)制冷工藝流程圖(圖1)與運(yùn)行工藝參數(shù),對(duì)目前制冷壓縮機(jī)所提供的冷量進(jìn)行核算而冷凝溫度在40℃時(shí)的實(shí)際工況如下圖2狀態(tài)3到狀態(tài)5為等焓過程,因此,H3=H5狀態(tài)3的溫度為40℃,壓力為14Bar的飽和液體;狀態(tài)1的溫度為-17℃,壓力為2.45Bar的飽和氣體;狀態(tài)2的溫度為65℃,壓力為14Bar過熱氣體系統(tǒng)提供查得焓H3=669.6kJ/kg;2.3制冷設(shè)備的設(shè)計(jì)冷卻量為本裝置制冷壓縮機(jī)為FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺桿壓縮機(jī),采用帶經(jīng)濟(jì)器的節(jié)能系統(tǒng)。制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工藝參數(shù)見(表3)。2.4制冷壓縮機(jī)輸出效率較低通過以上計(jì)算知道,在目前的運(yùn)行狀況下,制冷壓縮機(jī)的實(shí)際輸出功率為:而要達(dá)到分離要求裝置所需理論冷量為:制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)理論提供冷量為:制冷壓縮機(jī)有效輸出功率為:可以看出:Q需>Q供(需求量遠(yuǎn)大于供給量),目前在該工況下制冷系統(tǒng)提供的冷量滿足生產(chǎn)需求。而制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)冷量Q理>Q需>Q供見(圖3),制冷壓縮機(jī)的有效輸出效率僅57.9%,制冷壓縮機(jī)運(yùn)行效率相對(duì)較低,說明制冷系統(tǒng)目前的運(yùn)行效率有提升空間。在保證設(shè)備的安全運(yùn)行前提下,以不降低裝置的生產(chǎn)能力為出發(fā)點(diǎn)來考慮解決方案。3冷系統(tǒng)改造方案的制定3.1影響制冷效果的因素制冷系統(tǒng)的冷凝溫度、經(jīng)濟(jì)器的投運(yùn)、控制壓力、蒸發(fā)溫度、過冷度等幾個(gè)參數(shù)對(duì)制冷效果都有一定的影響,其中冷凝溫度、經(jīng)濟(jì)器的投運(yùn)、控制壓力對(duì)制冷效果的影響最大。3.1.1不同冷凝器溫度對(duì)制冷效果的影響冷凝溫度是直接關(guān)系制冷系統(tǒng)的制冷效果、安全可靠性和能耗水平的重要參數(shù)。由于冷凝溫度TK與冷凝壓力PK相對(duì)應(yīng),TK升高PK也升高,直接導(dǎo)致輸氣系數(shù)降低,功耗增大,制冷系數(shù)下降。通過計(jì)算可知丙烷在不同溫度下的冷凝器負(fù)荷和壓縮消耗功的變化表4:可見隨著冷凝溫度從25℃上升到45℃,單位制冷量逐漸減少31.7%,單位壓縮功增加37.5%,經(jīng)計(jì)算冷凝熱負(fù)荷也相應(yīng)的增加13.2%?？梢娎幂^低的冷凝溫度對(duì)制冷效果較為有利。即降低冷凝溫度可以提高制冷量。3.1.2膨脹式經(jīng)濟(jì)器的流程本裝置制冷壓縮機(jī)為FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺桿壓縮機(jī),采用帶經(jīng)濟(jì)器節(jié)能的制冷系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)器的投運(yùn)值出廠設(shè)定為制冷壓縮機(jī)載荷≥90%時(shí)經(jīng)濟(jì)器自動(dòng)投用,載荷小于85%自動(dòng)停運(yùn)。結(jié)合經(jīng)濟(jì)器流程圖分析影響投運(yùn)因素。圖4為直接膨脹式經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)流程圖。由流程圖可以分析出影響經(jīng)濟(jì)器投運(yùn)的主要因素即:a.熱力膨脹閥感溫包內(nèi)冷媒的種類及添加量:由于熱力膨脹閥為定型產(chǎn)品,所以對(duì)其選型、感溫包大小及冷媒類型和數(shù)量將不作為研究對(duì)象。b.電磁閥的開啟與關(guān)閉的設(shè)定值:由于電磁閥的開啟受制冷壓縮機(jī)載荷的控制,出廠時(shí)電磁閥在制冷壓縮機(jī)載荷≥90%時(shí)自動(dòng)開啟,載荷≤85%時(shí)自動(dòng)關(guān)閉,即設(shè)定值在負(fù)荷的90%,該值降低會(huì)直接導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低,因此對(duì)該設(shè)定值不做調(diào)整。c.制冷壓縮機(jī)的實(shí)際載荷:制冷壓縮機(jī)的載荷高低直接影響經(jīng)濟(jì)器的投運(yùn),如何有效的提高制冷壓縮機(jī)在90%以上,經(jīng)濟(jì)器將自動(dòng)投運(yùn),目前該制冷壓縮機(jī)的載荷大小依靠排出壓力控制,因此為了將制冷壓縮機(jī)的實(shí)際載荷有效提高,我們將經(jīng)濟(jì)器的投運(yùn)轉(zhuǎn)換為對(duì)控制壓力的研究。3.1.3制冷壓縮機(jī)滿負(fù)荷計(jì)算由于FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺桿壓縮機(jī)能量控制為排壓自動(dòng)控制,出廠默認(rèn)值為13.88Bar,既排壓低于13.88Bar時(shí)在無其他安全限制時(shí)制冷壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行,載荷為100%,排壓超過13.88Bar時(shí)制冷壓縮機(jī)將自動(dòng)減載,直至制冷壓縮機(jī)載荷減到0%為止。針對(duì)上述可調(diào)因素,制定方案的要點(diǎn)為:A:降低冷凝溫度以增大單位質(zhì)量制冷劑的制冷量。B:調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)的控制排壓,提高制冷壓縮機(jī)載荷,增大單位時(shí)間內(nèi)制冷劑的循環(huán)量,即增大單位時(shí)間內(nèi)的制冷量。3.2降低循環(huán)水溫度方案一:降低冷凝溫度結(jié)合雁木西裝置的實(shí)際情況,降低冷凝溫度有以下兩種方法:方法一:加大風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量降低循環(huán)水溫度,冬季可行,但在夏季由于環(huán)境溫度較高,很難達(dá)到降低水溫的目的。方法二、直接更換一臺(tái)大功率的冷卻水塔,并更換相應(yīng)的冷卻水循環(huán)泵,加大冷卻水循環(huán)量,由于循環(huán)水溫度的下降,將使制冷劑溫度相應(yīng)降低,排壓、排溫亦隨之下降,因此我們采用更換一臺(tái)較大功率的冷卻水塔及循環(huán)水泵的方案。3.2.1冷卻水量的確定1)冷卻水塔熱負(fù)荷的計(jì)算蒸發(fā)器負(fù)荷的計(jì)算:由于制冷壓縮機(jī)負(fù)荷增大,丙烷循環(huán)量加大隨之排溫亦上升,為了保險(xiǎn)起見將排溫設(shè)定在75℃,冷卻溫度設(shè)定為30℃(考慮到夏季環(huán)境溫度較高,冷凝溫度可設(shè)計(jì)在30℃),則將制冷系統(tǒng)的丙烷由75℃冷卻到30℃所需釋放熱量QL:查得焓:75℃的R290焓值H=108.1×4.18=458.17kJ/kg30℃的焓值H=97.0×4.18=411.73kJ/kg2)冷卻水量確定:為了消除其他因素的影響,設(shè)計(jì)時(shí)將換熱器的負(fù)荷增加20%,即QL=50kW;冷卻水進(jìn)出口溫差按照最初設(shè)計(jì)溫差計(jì)算即ΔH=5.0℃,則冷卻水循環(huán)量為:考慮到其它用水點(diǎn),故循環(huán)水泵流量確定為50m3/h3)冷卻水塔選型經(jīng)過最后優(yōu)選決定采用低燥聲逆流冷卻塔,冷卻溫度為27℃、冷卻溫差Δt為8℃、冷卻水量為50m3/h的定型產(chǎn)品DBNL3-80型冷卻水塔并選擇相對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵。3.2.2運(yùn)輸壓力提升方案二:調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)的控制排壓由于調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)的控制排壓一方面可以提高制冷壓縮機(jī)載荷,增大單位時(shí)間內(nèi)制冷劑的循環(huán)量,另一方面可以使經(jīng)濟(jì)器投運(yùn),增大進(jìn)丙烷蒸發(fā)器丙烷的過冷度,是直接提高制冷效率的另一個(gè)重要因素,故結(jié)合制冷壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛能,以達(dá)到上述目的。1)從安全角度出發(fā)進(jìn)行研究經(jīng)過對(duì)制冷壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油分離器、經(jīng)濟(jì)器、潤(rùn)滑油分離器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和出廠安全閥起跳壓力進(jìn)行分析研究,制冷壓縮機(jī)的排出壓力提高到16Bar時(shí),不會(huì)對(duì)制冷壓縮機(jī)構(gòu)成安全隱患。同時(shí)丙烷儲(chǔ)罐安全閥起跳壓力設(shè)定值為1.8MPa既18Bar,說明壓力提升到16Bar不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害,因此該設(shè)備在安全方面首先為制冷壓縮機(jī)提升排出壓力提供了可能。2)從技術(shù)工藝方面進(jìn)行研究由于RWB-Ⅱ-60-E型制冷壓縮機(jī)屬于無泵潤(rùn)滑型機(jī)組,排出壓力提高以后對(duì)溫度、壓力檢測(cè)儀器儀表檢測(cè)量程,和檢測(cè)的準(zhǔn)確度不會(huì)產(chǎn)生影響。關(guān)鍵是潤(rùn)滑油壓力對(duì)制冷壓縮機(jī)螺桿的密封性能影響、對(duì)螺桿密封線的磨損是否會(huì)加大,壓力能否滿足能量和容積比調(diào)節(jié)的需要必須做進(jìn)一步研究。在無潤(rùn)滑油泵的條件下潤(rùn)滑油壓頭由排出壓力提供,通常情況下潤(rùn)滑油壓力較排出壓力低0.15Bar,因此為了確保排出壓力提升以后,能夠確保使制冷壓縮機(jī)螺桿的密封性能不受影響、對(duì)螺桿密封線的磨損不會(huì)會(huì)加大,壓力能夠滿足能量和容積比調(diào)節(jié)的需要,將制冷壓縮機(jī)的預(yù)潤(rùn)滑油泵作為參數(shù)調(diào)整后的全程潤(rùn)滑油泵,對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),在開啟預(yù)潤(rùn)滑油泵以后,潤(rùn)滑油壓力較排出壓力高0.13Bar。所以如果使用預(yù)潤(rùn)滑油泵又為提升排出壓力在技術(shù)工藝方面做出了保障。在排除了所有影響設(shè)備安全與正常運(yùn)行因素之后,然后進(jìn)行對(duì)提升參數(shù)的確定。3)優(yōu)化參數(shù)的確定為了確保安全的前提下為了取得最佳制冷效果,分別在不同的參數(shù)下取資料如(表5)其中功率因素均取COSφ=0.85,通過上述資料可以說明,在控制壓力提高以后,制冷壓縮機(jī)載荷提高,當(dāng)載荷超過90%以后、既排出壓力控制在14.5~15.5Bar之間時(shí)經(jīng)濟(jì)器自動(dòng)投用,此時(shí)性能比最佳,入口溫度達(dá)到并高于設(shè)計(jì)要求。由于排出壓力控制在15.5Bar與15.0相比較制冷溫度下降幅度不大,而電機(jī)功率過大,長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)有可能燒毀電機(jī),因此為了確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益化,在每年的5~10月份將制冷壓縮機(jī)控制壓力設(shè)定在15.0Bar,預(yù)潤(rùn)滑油泵作為全程潤(rùn)滑油泵,同時(shí)提高相對(duì)