净化单元热媒替代蒸汽供热可行性分析研究

・130・一、净化单元蒸汽供热系统运行现状靖边气田净化单元先后在1997年、2001年及2003年配套建成一净1#、2#锅炉房、二净锅炉房，分别为净化装置提供生产/伴热蒸汽、甲醇回收装置提供生产蒸汽及采暖用热。蒸汽供热系统在运行中存在以下问题：1、运行成本较高，凝结水100%回收困难：生产1t蒸汽需要消耗天然气、电、水以及工业盐等，统计日常运行数据可知，生产1t蒸汽的生产成本为104元，按照一年处理45×108m3来计算（2007年实际运行数据），需要生产蒸汽330369t，即处理一万方天然气的生产成本费用为76元（采暖及甲醇装置运行成本及疏水阀的更换成本等未计进去）。2、设备及管件存在局部腐蚀现象在以往的生产运行中发现，蒸汽及凝结水管线出现频繁的腐蚀穿孔现象，在工艺管线变径，蒸汽压力变化、有汽液两相存在的地方，腐蚀尤为严重。虽然先后在2001年开展了蒸汽系统的工艺改造，2003年在锅炉给水系统增设了缓蚀加药系统，在一定程度上缓解了生产蒸汽系统腐蚀现状，但是伴热系统得腐蚀穿孔现象依然存在。二、热媒替代蒸汽供热可行性分析1、热媒的优选热媒即主要有热水、饱和水蒸汽、有机热传导液（导热油）、烟道气、液态金属、熔盐等。其中，导热油是一种可将燃料燃烧产生的热量间接传递给用热设备、本身常压、沸点较高且可以循环使用的有机介质。表1不同热媒的适用温度范围加热介质热水饱和水蒸气导热油熔盐KNO353%·NaNO240%·NaNO37%烟道气适用温度/℃40～100100～180150～380142～530500～1000净化单元生产用热主要用于MDEA溶液的再生，需将MDEA溶液加热至110℃以上，因此，要求热载体使用温度大致在150～200℃。结合表1可知，除蒸汽以外其他的导热油（乙二醇、三甘醇等）均可作为热媒介质。目前国内外应用的导热油有近百种，主要有TEG、乙二醇、烷基苯等多种类型。导热油作为热媒，能明净化单元热媒替代蒸汽供热可行性分析研究张书成赵玉君胡兴民杨成贺王晓军谢春琴魏萍（宁夏石油学会长庆油田公司第一采气厂）摘 要： 靖边气田目前共建成天然气净化厂3座，年处理能力71×108m3。其中第一、二净化厂采用蒸汽提供热源，第三净化厂采用热媒（60%TEG、40%凝结水）提供热源。蒸汽供热系统自从投运以来，蒸汽消耗量大，且腐蚀严重，为降低生产运行成本及实现清洁生产，开展了热媒替代蒸汽供热可行性分析研究，本文依据优选的热媒对现有的供热系统进行核算，核算表明现有工艺流程采用热媒供热后，设备及部分管线能够满足生产需求，生产成本第一净化厂降低了38%，第二净化厂降低了58%，生产用燃气、水和工业盐消耗明显降低。・131・显带来节能效益、安全效益、环保效益及生产效益。导热油中的TEG、乙二醇物性参数对比见表2.表2三甘醇与乙二醇物性参数对比表项目三甘醇乙二醇分子结构式C6H1404C2H602相对分子量150.262.1沸点/℃285.5197.3凝点/℃-7.2-13.5密度（25℃）/g/cm31.121.11折光指数1.4541.43闪点/℃165.6116溶解度（20℃）全溶全溶理论分解温度/℃206.7500-520粘度/mPa·s47.8(20℃)16.5(25℃)蒸气压(25℃)/Pa1.3316从表2可以看出，三甘醇作为热媒加热具有明显的优点，其廉价易得、毒性小、无腐蚀、闪点较高，安全性好。同时其在靖边气田第三净化厂净化装置作为供热介质已经运行了5年之久，运行状况良好。其次，TEG在靖边气田的净化单元也作为脱水剂使用，有利于资源综合利用，管理方便。因此，本研究确定以TEG作为热媒介质。2、热媒替代蒸汽的可行性分析根据第一净、二净厂生产能力、热载荷等计算值，计算TEG循环量；用TEG作为供热介质对现有重沸器换热面积进行校核；按加热炉安放的不同位置，计算原管路中TEG的流速、判断原蒸汽管路输送TEG可行性，在此基础上进行热媒加热炉的选型。（1）管路可行性分析判定原则在原供热装置不改变的条件下，采用原蒸汽管线输送TEG，由式（2—1）计算管内流速，根据一般流体在管内的流速和压力降规定值，判断采用原蒸汽管线输送TEG是否可行。一般流体在管内的经济流速为1～3m/s，管径大于DN100的管道，要求压力降小于50kPa/100m，管径小于DN100的管道，要求压力降小于100kPa/100m。（2）换热设备面积校核根据相应设备蒸汽设计量核算出换热设备的热负荷，依据热负荷计算出采用TEG作为换热介质时的理论换热面积，结合各设备的实际换热面积，判断换热设备管程的热介质由蒸汽改换为TEG时，其能否满足生产需要。（3）相关计算公式如下：重沸器热负荷计算式中：Q—蒸汽热量，kJ/h；m—蒸汽用量，kg/h；r—蒸汽潜热，2125.4kJ/kg。△T—温差℃TEG循环量计算2、热媒替代蒸汽的可行性分析根据第一净、二净厂生产能力、热载荷等计算值，计算TEG循环量；用TEG作为供热介质对现有重沸器换热面积进行校核；按加热炉安放的不同位置，计算原管路中TEG的流速、判断原蒸汽管路输送TEG可行性，在此基础上进行热媒加热炉的选型。（1）管路可行性分析判定原则在原供热装置不改变的条件下，采用原蒸汽管线输送TEG，由式（2—1）计算管内流速，根据一般流体在管内的流速和压力降规定值，判断采用原蒸汽管线输送TEG是否可行。一般流体在管内的经济流速为1～3m/s，管径大于DN100的管道，要求压力降小于50kPa/100m，管径小于DN100的管道，要求压力降小于100kPa/100m。（2—1）v24quD=π式中：—TEG循环量，m3/hD—管道直径，mmvq（2）换热设备面积校核根据相应设备蒸汽设计量核算出换热设备的热负荷，依据热负荷计算出采用TEG作为换热介质时的理论换热面积，结合各设备的实际换热面积，判断换热设备管程的热介质由蒸汽改换为TEG时，其能否满足生产需要。（3）相关计算公式如下：重沸器热负荷计算（2—2）Qmr=×式中：—蒸汽热量，kJ/h；m—蒸汽用量，kg/h；r—蒸汽潜热，Q2125.4kJ/kg。△T—温差℃TEG循环量计算（2—3）VmpQqcT=ρ××Δ式中：—TEG循环量，m3/h；—TEG密度，kg/m3；—TEG比热，kJ/kg.K；vqmρpc换热面积计算2、热媒替代蒸汽的可行性分析根据第一净、二净厂生产能力、热载荷等计算值，计算TEG循环量；用TEG作为供热介质对现有重沸器换热面积进行校核；按加热炉安放的不同位置，计算原管路中TEG的流速、判断原蒸汽管路输送TEG可行性，在此基础上进行热媒加热炉的选型。（1）管路可行性分析判定原则在原供热装置不改变的条件下，采用原蒸汽管线输送TEG，由式（2—1）计算管内流速，根据一般流体在管内的流速和压力降规定值，判断采用原蒸汽管线输送TEG是否可行。一般流体在管内的经济流速为1～3m/s，管径大于DN100的管道，要求压力降小于50kPa/100m，管径小于DN100的管道，要求压力降小于100kPa/100m。（2—1）v24quD=π式中：—TEG循环量，m3/hD—管道直径，mmvq（2）换热设备面积校核根据相应设备蒸汽设计量核算出换热设备的热负荷，依据热负荷计算出采用TEG作为换热介质时的理论换热面积，结合各设备的实际换热面积，判断换热设备管程的热介质由蒸汽改换为TEG时，其能否满足生产需要。（3）相关计算公式如下：重沸器热负荷计算（2—2）Qmr=×式中：—蒸汽热量，kJ/h；m—蒸汽用量，kg/h；r—蒸汽潜热，Q2125.4kJ/kg。△T—温差℃TEG循环量计算（2—3）VmpQqcT=ρ××Δ式中：—TEG循环量，m3/h；—TEG密度，kg/m3；—TEG比热，kJ/kg.K；vqmρpc换热面积计算・132・换热面积计算管内流速计算管内压力降计算直管阻力计算（4）可行性分析①生产需热量及热媒用量根据三净现有TEG循环系统TEG的温度变化范围以及TEG的物性为依据，选取热媒TEG的温度变化范围为149℃～177℃。根据蒸汽供热系统中各部分的蒸汽设计量，由公式（2—2）、（2—3）计算生产需热量以及相应的热媒用量。计算结果见表3和表4。表3生产需热量及热媒用量设备名称蒸汽设计量（t/h）需热量（kJ/h）热媒用量（m3/h）一净200万MDEA重沸器3.84（生产）8.162×10687.8706400万MDEA重沸器24.2（生产）5.1435×107553.7395200万MDEA重沸器0.1(伴热)4.2508×1052.2888400万MDEA重沸器0.75（伴热）1.594×10617.1618甲醇回收1#重沸器2.04.2508×10645.76甲醇回收2#重沸器1.02.1254×10622.88硫磺回收伴热0.61.2752×10613.7286采暖换热机组3.37.014×10675.51142、热媒替代蒸汽的可行性分析根据第一净、二净厂生产能力、热载荷等计算值，计算TEG循环量；用TEG作为供热介质对现有重沸器换热面积进行校核；按加热炉安放的不同位置，计算原管路中TEG的流速、判断原蒸汽管路输送TEG可行性，在此基础上进行热媒加热炉的选型。（1）管路可行性分析判定原则在原供热装置不改变的条件下，采用原蒸汽管线输送TEG，由式（2—1）计算管内流速，根据一般流体在管内的流速和压力降规定值，判断采用原蒸汽管线输送TEG是否可行。一般流体在管内的经济流速为1～3m/s，管径大于DN100的管道，要求压力降小于50kPa/100m，管径小于DN100的管道，要求压力降小于100kPa/100m。（2—1）v24quD=π式中：—TEG循环量，m3/hD—管道直径，mmvq（2）换热设备面积校核根据相应设备蒸汽设计量核算出换热设备的热负荷，依据热负荷计算出采用TEG作为换热介质时的理论换热面积，结合各设备的实际换热面积，判断换热设备管程的热介质由蒸汽改换为TEG时，其能否满足生产需要。（3）相关计算公式如下：重沸器热负荷计算（2—2）Qmr=×式中：—蒸汽热量，kJ/h；m—蒸汽用量，kg/h；r—蒸汽潜热，Q2125.4kJ/kg。△T—温差℃TEG循环量计算（2—3）VmpQqcT=ρ××Δ式中：—TEG循环量，m3/h；—TEG密度，kg/m3；—TEG比热，kJ/kg.K；vqmρpc换热面积计算（2—4）bQA=TαΔ其中，－管束平均沸腾给热系数，W/(m2·℃)；—总温差bαTΔ管内流速计算（2—5）24VquDπ=管内压力降计算（2—6）ieduRρμ=直管阻力计算（2—7）22fluhdλ=（4）可行性分析①生产需热量及热媒用量根据三净现有TEG循环系统TEG的温度变化范围以及TEG的物性为依据，选取热媒TEG的温度变化范围为149℃～177℃。根据蒸汽供热系统中各部分的蒸汽设计量，由公式（2—2）、（2—3）计算生产需热量以及相应的热媒用量。计算结果见表3和表4。表3生产需热量及热媒用量设备名称蒸汽设计量（t/h）需热量（kJ/h）热媒用量（m3/h）一净200万MDEA重沸器3.84（生产）8.162×10687.8706400万MDEA重沸器24.2（生产）5.1435×107553.7395200万MDEA重沸器0.1(伴热)4.2508×1052.2888400万MDEA重沸器0.75（伴热）1.594×10617.1618甲醇回收1#重沸器2.04.2508×10645.76甲醇回收2#重沸器1.02.1254×10622.88硫磺回收伴热0.61.2752×10613.7286采暖换热机组3.37.014×10675.5114二净375万MEDA重沸器16.4（生产）3.4857×107375.2639375万MEDA重沸器0.55（伴热）1.1690×1012.5852甲醇回收重沸器2.55.3135×10657.204硫磺回收伴热0.24.2508×1054.5763采暖换热机组2.65.526×10659.492