丙烷浅冷轻烃回收系统节能改造

丙烷浅冷轻烃回收系统节能改造

1回收率降低2001年7月，阳木西轻烃完成。吐鲁普地区气温变化显著，空气湿度较低。装置设计天然气处理量为2.5±20%万方即2~3万方,随着油田产量的增加,进装置的实际天然气为3.6万方/天,导致装置一直处于高负荷运行状态。原料气组分较设计时有所变化,增加了后续设备的负荷;随着各换热设备运行时间增长,传导系数下降,换热效果变差,导致关键部分的工艺参数发生一系列变化(表1),影响了产品的质量和产量。由于上述原因,致使制冷系统负荷增加,制冷压缩机不能满负荷运行,效率降低、单位制冷量下降。C3回收率降低,产量下降。要达到设计要求,保证产品的质量与产量,需要更换大功率的制冷压缩机或者对装置系统进行优化改造,提高现有制冷压缩机的有效输出功率。2冷量计算和当前分析2.1平均分子量lma按照生产工艺参数所需冷量即为装置所需理论冷量,目前原料气组分(见表2),平均分子量为30.77,日处理原料气的摩尔流量和质量流量分别为:m摩尔=日处理量÷22.4÷24=65.1mol/h;m质量=m摩尔×平均分子量=65.1×30.77=2003.1kg/h;纯组分质量流量=m摩尔×组分(%)×纯组分的分子量原料气在丙烷蒸发器的工艺参数为:进蒸发器前温度T1=30℃蒸发器冷凝后温度T2=-20℃原料气压力P=1.8MPa经查各组分在状态1(进蒸发器前)、状态2(出蒸发器后)下的焓值H为(见表2),原料气各组分在丙烷蒸发器所能达到分离要求所必须的理论冷量为:纯组分所需冷量=(H1-H2)×纯组分质量流量×4.18根据计算结果(见表2),原料气达到分离要求所需的理论冷量:2.2等过程依据制冷工艺流程图(图1)与运行工艺参数,对目前制冷压缩机所提供的冷量进行核算而冷凝温度在40℃时的实际工况如下图2状态3到状态5为等焓过程,因此,H3=H5状态3的温度为40℃,压力为14Bar的饱和液体;状态1的温度为-17℃,压力为2.45Bar的饱和气体;状态2的温度为65℃,压力为14Bar过热气体系统提供查得焓H3=669.6kJ/kg;2.3制冷设备的设计冷却量为本装置制冷压缩机为FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺杆压缩机,采用带经济器的节能系统。制冷压缩机的设计工艺参数见(表3)。2.4制冷压缩机输出效率较低通过以上计算知道,在目前的运行状况下,制冷压缩机的实际输出功率为:而要达到分离要求装置所需理论冷量为:制冷压缩机的设计理论提供冷量为:制冷压缩机有效输出功率为:可以看出:Q需>Q供(需求量远大于供给量),目前在该工况下制冷系统提供的冷量满足生产需求。而制冷压缩机的设计冷量Q理>Q需>Q供见(图3),制冷压缩机的有效输出效率仅57.9%,制冷压缩机运行效率相对较低,说明制冷系统目前的运行效率有提升空间。在保证设备的安全运行前提下,以不降低装置的生产能力为出发点来考虑解决方案。3冷系统改造方案的制定3.1影响制冷效果的因素制冷系统的冷凝温度、经济器的投运、控制压力、蒸发温度、过冷度等几个参数对制冷效果都有一定的影响,其中冷凝温度、经济器的投运、控制压力对制冷效果的影响最大。3.1.1不同冷凝器温度对制冷效果的影响冷凝温度是直接关系制冷系统的制冷效果、安全可靠性和能耗水平的重要参数。由于冷凝温度TK与冷凝压力PK相对应,TK升高PK也升高,直接导致输气系数降低,功耗增大,制冷系数下降。通过计算可知丙烷在不同温度下的冷凝器负荷和压缩消耗功的变化表4:可见随着冷凝温度从25℃上升到45℃,单位制冷量逐渐减少31.7%,单位压缩功增加37.5%,经计算冷凝热负荷也相应的增加13.2%。可见利用较低的冷凝温度对制冷效果较为有利。即降低冷凝温度可以提高制冷量。3.1.2膨胀式经济器的流程本装置制冷压缩机为FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺杆压缩机,采用带经济器节能的制冷系统,经济器的投运值出厂设定为制冷压缩机载荷≥90%时经济器自动投用,载荷小于85%自动停运。结合经济器流程图分析影响投运因素。图4为直接膨胀式经济器系统流程图。由流程图可以分析出影响经济器投运的主要因素即:a.热力膨胀阀感温包内冷媒的种类及添加量:由于热力膨胀阀为定型产品,所以对其选型、感温包大小及冷媒类型和数量将不作为研究对象。b.电磁阀的开启与关闭的设定值:由于电磁阀的开启受制冷压缩机载荷的控制,出厂时电磁阀在制冷压缩机载荷≥90%时自动开启,载荷≤85%时自动关闭,即设定值在负荷的90%,该值降低会直接导致制冷压缩机运行效率降低,因此对该设定值不做调整。c.制冷压缩机的实际载荷:制冷压缩机的载荷高低直接影响经济器的投运,如何有效的提高制冷压缩机在90%以上,经济器将自动投运,目前该制冷压缩机的载荷大小依靠排出压力控制,因此为了将制冷压缩机的实际载荷有效提高,我们将经济器的投运转换为对控制压力的研究。3.1.3制冷压缩机满负荷计算由于FRICK公司的RWBⅡ-60-E型螺杆压缩机能量控制为排压自动控制,出厂默认值为13.88Bar,既排压低于13.88Bar时在无其他安全限制时制冷压缩机满负荷运行,载荷为100%,排压超过13.88Bar时制冷压缩机将自动减载,直至制冷压缩机载荷减到0%为止。针对上述可调因素,制定方案的要点为:A:降低冷凝温度以增大单位质量制冷剂的制冷量。B:调节制冷压缩机的控制排压,提高制冷压缩机载荷,增大单位时间内制冷剂的循环量,即增大单位时间内的制冷量。3.2降低循环水温度方案一:降低冷凝温度结合雁木西装置的实际情况,降低冷凝温度有以下两种方法:方法一:加大风机的引风量降低循环水温度,冬季可行,但在夏季由于环境温度较高,很难达到降低水温的目的。方法二、直接更换一台大功率的冷却水塔,并更换相应的冷却水循环泵,加大冷却水循环量,由于循环水温度的下降,将使制冷剂温度相应降低,排压、排温亦随之下降,因此我们采用更换一台较大功率的冷却水塔及循环水泵的方案。3.2.1冷却水量的确定1)冷却水塔热负荷的计算蒸发器负荷的计算:由于制冷压缩机负荷增大,丙烷循环量加大随之排温亦上升,为了保险起见将排温设定在75℃,冷却温度设定为30℃(考虑到夏季环境温度较高,冷凝温度可设计在30℃),则将制冷系统的丙烷由75℃冷却到30℃所需释放热量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)冷却水量确定:为了消除其他因素的影响,设计时将换热器的负荷增加20%,即QL=50kW;冷却水进出口温差按照最初设计温差计算即ΔH=5.0℃,则冷却水循环量为:考虑到其它用水点,故循环水泵流量确定为50m3/h3)冷却水塔选型经过最后优选决定采用低燥声逆流冷却塔,冷却温度为27℃、冷却温差Δt为8℃、冷却水量为50m3/h的定型产品DBNL3-80型冷却水塔并选择相对应的循环水泵。3.2.2运输压力提升方案二:调节制冷压缩机的控制排压由于调节制冷压缩机的控制排压一方面可以提高制冷压缩机载荷,增大单位时间内制冷剂的循环量,另一方面可以使经济器投运,增大进丙烷蒸发器丙烷的过冷度,是直接提高制冷效率的另一个重要因素,故结合制冷压缩机实际运行情况对参数进行优化,充分挖掘现有设备潜能,以达到上述目的。1)从安全角度出发进行研究经过对制冷压缩机的润滑油分离器、经济器、润滑油分离器的结构、材质和出厂安全阀起跳压力进行分析研究,制冷压缩机的排出压力提高到16Bar时,不会对制冷压缩机构成安全隐患。同时丙烷储罐安全阀起跳压力设定值为1.8MPa既18Bar,说明压力提升到16Bar不会对系统造成危害,因此该设备在安全方面首先为制冷压缩机提升排出压力提供了可能。2)从技术工艺方面进行研究由于RWB-Ⅱ-60-E型制冷压缩机属于无泵润滑型机组,排出压力提高以后对温度、压力检测仪器仪表检测量程,和检测的准确度不会产生影响。关键是润滑油压力对制冷压缩机螺杆的密封性能影响、对螺杆密封线的磨损是否会加大,压力能否满足能量和容积比调节的需要必须做进一步研究。在无润滑油泵的条件下润滑油压头由排出压力提供,通常情况下润滑油压力较排出压力低0.15Bar,因此为了确保排出压力提升以后,能够确保使制冷压缩机螺杆的密封性能不受影响、对螺杆密封线的磨损不会会加大,压力能够满足能量和容积比调节的需要,将制冷压缩机的预润滑油泵作为参数调整后的全程润滑油泵,对压缩机进行强制润滑,经现场实验,在开启预润滑油泵以后,润滑油压力较排出压力高0.13Bar。所以如果使用预润滑油泵又为提升排出压力在技术工艺方面做出了保障。在排除了所有影响设备安全与正常运行因素之后,然后进行对提升参数的确定。3)优化参数的确定为了确保安全的前提下为了取得最佳制冷效果,分别在不同的参数下取资料如(表5)其中功率因素均取COSφ=0.85,通过上述资料可以说明,在控制压力提高以后,制冷压缩机载荷提高,当载荷超过90%以后、既排出压力控制在14.5~15.5Bar之间时经济器自动投用,此时性能比最佳,入口温度达到并高于设计要求。由于排出压力控制在15.5Bar与15.0相比较制冷温度下降幅度不大,而电机功率过大,长期运转有可能烧毁电机,因此为了确保设备运转安全和经济效益化,在每年的5~10月份将制冷压缩机控制压力设定在15.0Bar,预润滑油泵作为全程润滑油泵,同时提高相对