深冷装置中丙烷压缩机节能运行研究

黄焜(中国石油大港油田天然气公司处理站, 天津 300280)

0 引言

大港油田天然气处理站共有两套深冷装置，其对天然气的处理工艺包括压缩、脱硫、脱水、制冷和精馏五个工艺单元。其中制冷单元采用“丙烷蒸发辅助制冷+涡轮膨胀机制冷”的联合制冷工艺，将天然气加压并降温到-80℃以下，从而回收天然气中的轻烃。在夏季，丙烷蒸发辅助制冷工艺可以显著提高深冷装置的C3收率和产量。

丙烷蒸发制冷工艺的基本流程为:在丙烷蒸发器内，低温低压的丙烷液体与原料气进行换热，原料气失去热量而温度下降实现制冷，丙烷液体吸收原料气的热量成为丙烷蒸汽，之后经压缩机压缩后成过热气体，再进入冷凝器中冷却成为高压饱和液体，该液体通过重力作用流入储液器。从储液器流出的制冷剂液体进经济器过冷后，再次流入丙烷蒸发器，如此循环。

1 丙烷机组运行存在问题

天然气处理站深冷装置采用丙烷蒸发辅助制冷工艺,来提高装置的运行效率。由于丙烷机组功率大，电能消耗量高，尤其夏季运行时其负荷更大，耗费电能更多，而且电机的电流值极高(通常会达到50A以上)，很容易出现“电流过载”联锁停机，既影响了机组的安全和寿命，也影响了装置的平稳运行和产量提高。

2 节能降耗措施的研究

2.1 制定合理的丙烷机组启/停时间表

YORK/FRICK压缩机具有“VOLUMIZER TM”专利的可变内容积比技术，可以通过控制压缩机壳体内的滑块轴向移动来控制排气口的位置，以此达到最优的压缩行程，从而避免过压缩及欠压缩过程，使机组实际运行的功耗达到最小。但是丙烷压缩机组的主电机仍然是丙烷制冷工艺单元的电能消耗的大户，其功率为430kW，年耗电量达3766800 kW·h。因此如果能够减少该机组的运行时间，无疑将会节约很大一部分电能。见图1。

由上图可以看出，外界环境温度是严格按照冬冷夏热的规律呈正弦线变化，重接触塔顶温与外界气温呈同相变化趋势，而C3收率与外界气温呈反相变化趋势。具体来说，每年进入3月份以后外界环境温度开始上升，重接触塔顶温也逐步升高，至5月份末期时外界环境温度大约升高至23℃，重接触塔顶温已升高至-86℃，C3收率降低至91%，此时就应该启动丙烷压缩机组，启动后可使装置的C3收率重新提高至96%以上；至10月份末期，外界环境温度下降至10℃以下，在丙烷压缩机不启动的情况下，重接触塔的顶温依然可以保持在-92℃以下，C3收率可在96%以上，丙烷压缩机此时应当停止运行。也就是说:当日平均气温高于23℃左右时，就应当启动丙烷压缩机组为深冷装置辅助制冷，提高装置的C3收率和产量；当日平均气温低于10℃左右时，就应当停运丙烷压缩机组，降低电能消耗。

综上所述，一年当中丙烷压缩机组可根据季节变化间歇性运行，针对大港油田天然气处理站气候特点，丙烷机组可在每年的6～10月份运行，其他时段停运，从而可以节约的丙烷压缩机组的耗电量为3766800×7/12 = 2197300kW·h，节电率高达58.33%，节约的电费为153.81万元(按0.7元/kW·h计算)。

2.2 实时调整丙烷机组吸入压力的设定值

丙烷压缩机可以通过壳体内的滑阀卸载装置来控制压缩腔内旁通至吸气口的制冷剂量，实现在10%～100%范围内无级调节负荷，在压缩机启动和加载之前，机组处于低负载状态，在加载后负荷开始逐步增大。该滑阀的移动由一套液压活塞机构自动执行，其指令是来自微电脑控制中心的时间比例信号。丙烷压缩机组的负荷正是受其吸入压力设定值的控制，当吸入压力高于其设定值时，机组负荷会增大，当吸入压力低于其设定值时，机组负荷会减小。见图2。

图1 外界环境温度、重接触塔顶温与C3收率之间的关系

图2

蒸发压力决定了蒸发温度，当蒸发温度满足装置制冷需要时，此时的蒸发压力就不应当再度降低，以免使机组负荷增大，造成无为的电能浪费。由3.1中的分析我们得知，当低温分离器的温度达到-35℃以下时，装置的C3收率就可以≥95%，对照下表可以看出，丙烷蒸发压力在140kPa左右时就可使低温分离器的温度≤-35℃。因此在实际运行过程中，丙烷机组的吸入压力设定值不应低于140kPa。

表1 不同绝对压力下丙烷的蒸发温度

必须指出，当丙烷机组吸入压力设定值一定时，如果原料气的温度上升或者物料量增加，仍会造成丙烷机组负荷增大、电流升高，甚至造成丙烷机组故障报警和联锁停机。此时就必须严密监控电流值变化情况，一旦接近于报警和联锁停机值，就必须放弃C3收率，转而适当提高其吸入压力设定值，降低机组负荷和电流值，优先保证机组不发生联锁停机或损坏，否则将引起工艺系统产生更大的波动。

总之，通过采取以上措施，可以找到装置的C3收率理想化和丙烷压缩机节能的平衡点，实现机组的最优化运行。

2.3 优化控制机组排气压力

(1)适当增加空冷器电机的启动台数

在外界环境温度一定的情况下，适当提高空冷器电机的启动台数，可以增强冷却效果，明显降低冷凝温度和机组排气压力。但是，增加空冷器电机启动台数与之前3.4所述的节电内容相冲突，如何解决呢？可以根据电流值计算出增启一台空冷器电机后丙烷压缩机组负荷的减小量，并将之与增启一台空冷器电机后用电负荷的增加量(也即22kW)进行比较，如果前者大于后者，则说明压缩机和空冷器的总体用电负荷是比之前减小的，此时应当增加启动一台空冷器电机，反之则不应增加启动。另外，通过将空冷器电机改造为变频控制并改变变频控制的设定值，也能起到很好的节电降耗作用。

(2)调整风扇扇叶倾角和百叶窗开度

电机风扇的扇叶倾角是可以人工调整的。倾角越大则冷却效果越好，反之则越差。因此应当适度调大扇叶倾角。但是这里也有一个与之对立的问题就是:扇叶倾角越大则电机负荷也越大，从而使耗电量增加，而且扇叶倾角不能无限调大，否则容易使电机过载甚至烧毁。位于空冷器最顶部的百叶窗可以调整通过空冷器的空气流通量，从而启动改变冷却温度的作用。百叶窗应当处于完全开启状态才能保证具有最好的冷却效果。

(3)定期清洗空冷器翅片

空冷器的管束外表面有很多细微的翅片，这些翅片增大了换热面积，对提高冷却效果有着至关重要的作用。但是随着空冷器使用时间的延长，这些翅片表面会附着很多灰尘和杂质，影响丙烷和空气的热量交换过程，降低了换热效果。在北方或者沙尘比较大的地区，一般每使用6～12个月就应当对空冷器翅片进行一次全面清洗；在南方或空气比较干净的地区，可每使用1～2年清洗一次。

3 结语

丙烷压缩机组是天然气处理和加工行业中不可或缺的关键设备，但其能耗较高一直是困扰业界的一大心腹问题。通过制定合理的丙烷机组启/停时间表，实时调整丙烷机组吸入压力的设定值和优化控制机组排气压力等措施，可以实现很好的节能降耗效果，同时有利于机组的安全运行和深冷装置效率的提高。