水套炉参数优化设置及节能减排技术研究

2022-09-12

水套炉的设计压力为常压, 系统坚固耐用、自动化程度高, 并且由于其燃料天然气经燃烧后产生的烟气较清洁, 因此水套炉在油气田和集输管网有着广泛的应用。随着水套炉的使用量增大, 耗气量的大小直接影响着公司的节能减排及经济效益。影响水套炉自耗气量的因素除了燃烧方式外, 主要问题是由于现场操作水平低。在输气站的生产现场, 为了防止水合物的形成, 水套炉的出口温度往往设置较高, 经过节流降压后也远远超出水合物形成温度, 这造成了很大的燃料浪费, 从而增加了水套炉的自耗气量和温室气体排放。由于改造水套炉的燃烧方式投入较高, 为了达到节能减排的效果, 通过优化水套炉参数设置来降低自用气量更为可行。本课题以西气东输二线西段站场所采用的SC系列正压燃烧型水套炉为例, 研究如何优化水套炉出口温度设置来减小天然气消耗量, 从而达到提高经济效益和节能减排的目的。

一、水套炉出口温度优化原理

经研究发现, 气体温度升高到一定温度时, 无论加多大压力也不会形成水合物, 这一温度称为形成的临界温度。

西气东输二线分输站场的工艺流程是将高压天然气经节流降压后输入低压管网, 根据经验值, 每降低1MPa的压力, 温度将下降3~5℃。西气东输二线西段的分输支线往往压降达5~7MPa, 使用水套炉将天然气加热的工艺是很有必要的。

在优化水套炉参数设置时要注意:

1.水套炉的自用气量跟天然气的流量、进出口温度差是成正比的。当水套炉进口温度和流量一定的情况下, 水套炉出口温度越低, 自用气量越小。

2.水套炉出口温度太低, 天然气经节流降压后还是容易形成水合物, 此时水套炉的作用未能发挥。所以, 在设置出口温度时, 可以适当高一些, 避免因对情况估计不足造成冰堵。

二、优化模型的建立和求解

由于管输天然气中不可避免地含有水分, 气体在节流作用明显的调压阀处温度和压力急剧降低, 最容易在调压阀出口处生成水合物造成冰堵。因此优化水套炉出口温度的方法是使天然气节流后的温度大于节流后压力情况下的水合物生成温度, 这个温度就是水套炉出口气体在流经节流阀后不产生水合物所需的最低温度, 也是水套炉最优出口温度, 该情况下水套炉的自耗气量最少。

1. 优化模型

式中

H——水套炉自用气量, m3/d;

Q——被加热气体所需热负荷, W;

Qi——标准状态下燃料低位发热值, J/m3, 该值可由输气站色谱仪上读取;

η——水套炉热效率;

T2——节流阀最低出口温度, K;

Th——水合物形成温度, K;

P1——气体节流前压力, Pa;

P2——气体节流后压力, Pa;

T1——节流阀进口温度, 也即是水套炉的出口温度, K;

T0——水套炉的进口温度, K;

μ——焦耳—汤姆逊系数, K/Pa;

ν——气体比容, m3/kg;

q——气体的体积流量, Nm3/h;

Cp——气体的比定压热容, J/ (m3·K) 。

2. 求解步骤

(1) 在优化模型中, 水套炉的进口参数是已知的, 包括T0、p0、气体组分、q, 输气站场一般在节流阀前后都设置了压力表或压力变送器, p1、p2可直接读出。在程序开发时可将这些参数输入模型的初始条件中。水合物生成的温度、压力条件与进口气体的组分和压力有关, 气体的组分与压力确定后, 便可得到水合物生成的温度、压力条件。

(2) 可用波诺马列夫法计算Th:

式中, 系数B、B1可以通过查气体相对密度表2通过内插法求得。

(3) 由式 (2) 确定节流阀最低出口温度T2, 略高于水合物形成温度Th即可。

(4) 由计算节流阀进口温度T1。节流过程是绝热膨胀过程, 气体在节流前后焓值相等, 压力降低, 因此先计算出天然气质量定压比热容cp和气体比容ν, 再由式 (4) 计算得出节流阀进口温度T1。cp和ν的计算过程如下:

天然气的成分和摩尔分数φi (%) 是已知的, 各成分的定压比热容Cp, i可以查《工业炉设计手册》使用内插法得出, 因此, 天然气的定压比热容为:

式中

p——天然气的绝对压力, Pa;

M——相对分子质量;

Z——该压力下的压缩因子;

T——天然气绝对温度, K;

ρ——气体密度, kg/Nm3。

(5) 由式 (4) 计算水套炉所需热负荷Q。

(6) 由式 (1) 计算水套炉自耗气量H。

三、水套炉运行方案及效益

在输气站场生产过程中, 决定何时需要开启水套炉和合理设置水套炉的运行参数, 对于节能减排具有重要意义。在研究了西二线西段昌吉分输站的分输参数的基础上, 利用已建立的模型, 可以制定出水套炉的加热温度。下面以2011年水套炉某三天的实际运行情况进行分析, 其参数如下表3和表4:

由优化模型得出的水套炉参数设置方案如下表5:

根据分析表明, 仅在这三天里, 昌吉分输站水套炉的自用气量可以节约34.8%、83.8%、82.5%, 其总量达7383 Nm3天然气, 2011年昌吉分输站水套炉总耗气量为1735198 Nm3, 使用参数优化模型按照节约35%的天然气计算, 可以节约607319 Nm3天然气, 以每方天然气1.34元计算, 当年可节约燃气费用81.38万元, 减少温室气体排放1193吨。