忠县天然气净化厂低负荷下公用辅助装置优化运行研究

夏林 曾强 许佳乐 黎娜

中国石油西南油气田公司天然气净化总厂

忠县天然气净化厂(以下简称净化厂)设计生产能力为600×104m3/d,操作弹性为40%～100%,由两套300×104m3/d的主体装置、一套公用工程系统和生产辅助装置组成。主体装置包括:原料气过滤分离单元、脱硫脱碳单元、脱水单元、硫磺回收单元。辅助生产设施包括:硫磺成型装置、污水处理装置、火炬及放空装置、消防装置、分析化验室、维修设施、库房及综合楼等。公用工程部分:新鲜水系统、锅炉给水及蒸汽系统、循环冷却水系统、空气氮气系统、燃料气系统、供电系统、通信系统[1-2]。随着川渝地区天然气开采量的下降,天然气净化厂原料气处理量逐年降低,装置负荷率逐渐降低,特别是近几年来,单套主装置的负荷长期在40%～60%运行,不仅造成水电气单耗增高,还对公用辅助装置造成一定的影响[3-7]。

1 低负荷工况对装置的影响

1.1 低负荷对重要动设备的影响

(1)循环水泵:主体装置单套低负荷运行,200 m3/h循环冷却水即可满足日常生产。若循环水泵流量(额定流量400 m3/h)长期维持50%左右的负荷运行,不仅导致泵单耗增加,还会造成设备憋压事件,影响设备的安全平稳运行。同时,泵的富裕能量较多,没有得到充分的回收利用,造成能源浪费[5]。

(2)锅炉燃烧机:主体装置单套低负荷运行,整个装置所用的蒸汽量较设计偏低,实际锅炉负荷长期处于单台锅炉负荷的20%左右运行,大功率的燃烧机低负荷运行不仅导致燃烧机故障率高,而且造成高耗低效的状况。

1.2 低负荷运行对净化工艺的影响

1.2.1 对污水处理装置的影响

污水处理装置采用生物接触氧化法工艺,设计处理量为20 m3/h,进水COD 值为200～600 mg/L,氨氮质量浓度≤50 mg/L。污水经气浮、厌氧、好氧、沉淀、过滤工艺使油含量、悬浮物含量和COD 值等指标达到国家和当地环保部门的环保要求后,用于厂区绿地、道路和场地的浇洒,或排至厂外附近水体,以节约用水、保护环境。每年装置检修产生的高含量污水量为600～800 m3,为确保污水处理装置连续运行,使得污水处理装置长期低负荷运行。近几年,污水处理装置污水处理量为9 m3/h,进水COD 值为100～200 mg/L,造成微生物活性偏低,装置处理污水的能力下降[8]。当需要提高进水含量,加大污水处理量,加快污水处理进度时,又受限于活性污泥含量低的影响,易导致外排水水质超标。

1.2.2 对循环冷却水系统的影响

循环冷却水系统设计循环水量为400 m3/h,由于主装置长期单套低负荷运行,造成循环水泵的50%负荷即可满足生产需要,富裕能量得不到充分有效的利用,能耗偏高[9]。整个循环水系统的水质仍然按照标准控制,装置低负荷运行造成化工原材料缓蚀缓垢剂、杀菌灭藻剂的单耗明显增加[8]。

1.2.3 对锅炉蒸汽系统的影响

净化厂锅炉蒸汽系统设计锅炉为WNS15-1.25-YQ 型,配备640 ZM RT 敦威燃烧机。由于主装置长期单套低负荷运行,仅需2～3 t蒸汽即可满足生产需要,实际锅炉负荷长期处于单台锅炉的负荷20%左右运行,造成锅炉燃烧机效率低下,能耗偏高的状况[3]。

2 优化措施

针对以上低负荷工况对装置的运行影响分析,结合实际生产情况,优化工艺操作,以达到装置平稳经济运行的目的,主要采取了如下措施。

2.1 污水处理装置管理操作优化

净化厂污水处理装置采用生物接触氧化的工艺处理方法,利用微生物的新陈代谢作用,使污水中呈溶解状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。污水经气浮、厌氧、好氧、沉淀、过滤等水处理工艺使油含量、悬浮物含量和COD 值等指标达到国家和当地环保部门的环保要求后外排或者用于厂区绿地、道路和场地的浇洒,以节约用水、保护环境,其工艺流程图见图1。

2.1.1 精确勾兑水

净化厂污水主要包括生产污水和生活污水,生产污水又包括检修污水和日常生产污水。检修污水主要是净化厂停产检修时产生的含MDEA、TEG 以及微量烃类、固体杂质、悬浮物和少量硫化物的高含量污水。日常生产污水包括循环水排污水、锅炉排污水、废热锅炉及各级硫冷器排污水、场地冲洗水等清洁废水。由于原设计的污水调配池容积小(20 m3)、进水含量变化大、进水管线大且无计量等原因造成不能准确勾兑水,为确保生化池微生物活性及外排污水水质达标,净化厂每月分析污水池内污水含量后,通过配水泵转入生产污水池进行勾兑水。生产污水池采用“一用一备”的模式,即一个池蓄水,一个池处理水。每天分别通过配水泵和生活污水提升泵,向蓄水池内转入一定量高含量检修污水和生活污水进行调配,同时将部分外排水回流至蓄水池内进行稀释。当生产污水池液位处理至30%～35%且蓄水池液位达到90%～95%时,切换生产污水池进行处理。根据原水池化验分析显示的污水含量,进而控制配水泵运行时间来实现精确勾兑水。

表1 检修污水配水时间表

2.1.2 精细生化池操作

由于微生物除磷不彻底,而且微生物活性影响因素多等特点,净化厂结合实际水质,摸索总结出污水处理装置低负荷情况下的操作要点。

(1)向沉淀池适量投加絮凝剂进行污水除磷[10-12]。在其他工艺参数相同的前提下,探索净化厂污水水质的化学除磷方案,考察絮凝剂投加量。从表2得出,净化厂的絮凝剂加药量为1.12%(w)相对较好。

表2 相同条件下不同加药量的除磷效率汇总表

(2)严格控制调节池水质[13-14]。与原设计相比,调节池污水增加了石油类、硫化物、总磷、p H 值等工艺指标(见表3),更加严格控制进生化池污水水质,确保生化池微生物活性及效率,从而确保外排水稳定达标。

表3 调节池工艺控制指标 ρ/(mg·L-1)

(3)明确生化池工艺控制指标及日常操作[15-16]。在不断摸索总结经验的基础上,相对于设计,更加明确了污泥沉降比、污水回流率控制范围,量化了排污量(见表4),更有助于员工的日常操作和管理。

表4 净化厂生化池工艺控制参数表

2.1.3 中水回用

净化厂根据中水回用设计方案,于2017 年2 月15日组织实施了中水回用项目。按照设计方案,分别对Ⅰ套、Ⅱ套、中控室外、锅炉房前等绿化带7个灌溉区进行升级改造,于2017 年7 月5 日完成并顺利投运。升级改造后外排水能够全部回用,回用率达到100%,不仅减少了污染排放,节约了排污费用,而且还减轻了对地表水体的污染,达到了清洁生产的目的。作为厂区绿化用水,如折算成新鲜水计算,每年可节约2×104m3新鲜水,按照目前忠县当地工业用水水价3.4元/m3计算,每年可节约成本约7.0万元。

2.2 循环冷却水系统管理操作优化

2.2.1 富裕能量的利用

由于主装置长期单套低负荷运行,循环冷却水总量只有设计的一半,循环水的流量、压力都有较大的富余,这些能量都消耗在节流阀上。因此,净化厂通过调研及理论核算,提出凉水塔电动风机改水动风机的优化实施方案[9],并于2017年9月实现了循环水冷却系统零电耗。该优化项目实施后,水动风机不仅能够满足装置生产的工艺参数要求,而且年节约电能6.78×104k W·h,达到了预期改造节能降耗的目的。

2.2.2 大流量循环水泵改为小流量循环水泵

净化厂原设计循环水泵2 台,额定流量分别为400 m3/h、450 m3/h,功率为90 k W,装置正常生产期间运行使用;小循环水泵2台,额定流量50 m3/h,为空压机提供冷却水,仅装置大修期间使用。由于上游气矿产能不足,装置长期单套低负荷运行,循环水富余量较大[17]。结合水动风机最佳工况对应循环水流量约为250 m3/h,能够满足装置换热设备、机泵、空压机冷却要求。2015年9月装置大修期间,在循环水泵房内拆除1 台小循环水泵,就地新增1 台额定流量250 m3/h、功率为55 k W 的循环水泵。当两套装置同时生产或者夏季高温时段循环冷却水耗量较大时使用大循环水泵,其余时间均使用新增的小循环水泵,其节能效果显著,平均每年节约电量10×104k W·h。

2.3 锅炉蒸汽系统节能优化

2.3.1 锅炉燃烧机升级改造

表5 净化厂A台锅炉燃烧机更换前后相关参数对比

2015年8～9 月,净化厂对A台锅炉进行了升级改造,2016年6月对B 台锅炉进行升级改造,均是将原用的15 t/h的640 ZM RT 敦威燃烧机改型为10 t/h的WM-G50/2-A 威索燃烧机,并对配套的控制系统进行了更换。更换后生产单位蒸汽锅炉燃料气耗量下降(4～8)×104m3/104t,节能效果显著。

从表5可以看出,A 台锅炉新燃烧机更换后节能效果较为明显,以3～5月、7月生产单位蒸汽锅炉燃料气耗量估算,每月每吨蒸汽可节约燃料气量Δe A 为:

参考7月蒸汽产量(7月蒸汽总产量为2750 t),估计每年A 台锅炉可节约燃料气量为:

注:①每年锅炉单元运行约11个月,另外1个月进行大修;②EA 为全年仅A 台锅炉运行,B 台锅炉不运行的情况下节约的燃料气量。

2.3.2 浓水回收利用

净化厂除盐水装置采用反渗透除盐水工艺,其核心部件为反渗透膜。反渗透膜孔径小至纳米级,在一定的压力下,直径较小的H2O 分子可以直接通过反渗透膜而得到含盐量极低的除盐水。而软水中直径较大的无机盐、重金属离子、有机物、胶体等杂质无法通过反渗透膜,从而被反渗透膜截留下来形成含盐量较高的浓盐水。浓盐水中悬浮少,浊度低,几乎不含有机物杂质及Ca2+、Mg2+,其硬度、碱度都较低,浓盐水水质分析见表6。

表6 新鲜水、浓盐水与循环水的水质分析数据

由表6可知,浓盐水的总硬度非常低,对减少换热设备的结垢和腐蚀非常有利,浓盐水用作循环水是完全可行的[18-19]。

反渗透纯水装置RO 主机平均每月产生550 m3浓盐水,分厂将反渗透纯水装置RO 主机排出的浓盐水回用至循环水系统,代替新鲜水作为循环水系统的补充水,减少新鲜水用量。浓盐水的回收利用,既不影响循环水水质,又节约了新鲜水量[20]。

3 结语

天然气净化厂低负荷运行不仅给安全生产带来压力,还使得各类动设备能效利用率降低,水电气单耗增大导致生产成本增加。在摸索总结如何优化装置操作运行的同时,节能降耗将是重点讨论问题。因此,如何通过优化工艺操作来使装置高效、平稳、长周期地运行,将是天然气净化厂低负荷情况下亟待解决的问题。