CC BY
50
УДК 621.56
А. А. Бурцев, С. А. Путилин, А. Е. Семёнов, А. М. Цейтлин
ПРИМЕНЕНИЕ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ КАК СПОСОБ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ОСУШКЕ И ОТБЕНЗИНИВАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Затраты энергии на переработку газа, поступающего с месторождения на газоперерабатывающий завод, существенно повышают себестоимость готовой продукции - товарного газа. Это обстоятельство определяет актуальность решения задачи по понижению энергозатрат при переработке природного газа.
Один из технологических процессов, связанных с расходом большого количества энергии, -очистка сырого газа, поступающего с месторождения, от тяжелых углеводородов, соединений серы, а также воды, сероокиси углерода и прочих нежелательных примесей. На Астраханском газоперерабатывающем заводе для этого используется метод низкотемпературной сепарации, реализуемый на установках У-174 и У-274.
Сущность метода низкотемпературной сепарации заключается в следующем. Смесь газов, поступающая на установки У-174 и У-274, охлаждается до температуры -100 °С. При этом часть газов конденсируется. Конденсируются высококипящие газы, к которым относятся тяжелые углеводороды, и все нежелательные примеси. В результате после охлаждения образуется парожидкостная многокомпонентная смесь, в паровой фракции которой концентрация тяжелых углеводородов и нежелательных примесей достаточно мала. Парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкостную фракции. Паровая фракция и представляет собой товарный природный газ.
Перед охлаждением газовую смесь осушают цеолитами в адсорберах, чтобы не допустить образования ледяных пробок в трубопроводах и теплообменниках при охлаждении до -100 °С. Температура газовой смеси перед входом в адсорберы должна быть не выше +25 °С, поэтому требуется дополнительный расход холода для охлаждения газовой смеси перед адсорберами.
Холод получается за счёт расширения паровой фракции перерабатываемой газовой смеси в турбодетандере. На выходе из турбодетандера из поступившей паровой фракции получается парожидкостная смесь, которая, в свою очередь, разделяется на паровую и жидкостную фракции. Полученные в результате потоки жидкой и паровой фракций с низкой температурой направляются в регенеративные теплообменники, где производят охлаждение газовой смеси перед подачей в адсорбер до температуры -50 °С. При этом жидкая фракция нагревается до -20 °С и испаряется, а паровая нагревается до +9.. .+16 °С. Паровая фракция после выхода из регенеративного теплообменника поступает в теплообменник-охладитель газовой смеси перед адсорберами, где охлаждает газовую смесь до температуры 25 °С. Далее паровая фракция сжимается двухступенчатым турбокомпрессором до давления 4,8. 6,0 МПа, требуемого на входе в трубопровод товарного природного газа. Приводом ступени низкого давления турбокомпрессора служит турбодетандер, а ступени высокого давления - паровая турбина, потребляющая перегретый водяной пар с давлением 3 МПа и температурой +300. +320 °С.
Климат в Астраханской области позволяет в холодный и переходный периоды года охлаждать газовую смесь перед адсорберами с помощью оборотного водоснабжения, снизив этим потребность в производимом турбодетандером холоде. Снижение холодопроизводительности турбодетандера приведёт к снижению потребной мощности паровой турбины привода второй ступени турбокомпрессора. Таким образом удастся снизить расход пара.
Нами были проведены расчёты потенциальной возможности снижения расхода пара среднего давления, потребляемого турбиной привода второй ступени турбокомпрессора. Термодинамические параметры газа принимались равными таковым для метана и определялись по таблицам [1] с интерполяцией, если это требовалось.
Расчёты проведены в следующей последовательности. Вначале вычислена энтальпия газа 14Б после изоэнтропийного расширения от начальных параметров, соответствующих параметрам на входе в детандер в штатном режиме на действующей установке, до давления на выходе из детандера также в штатном режиме на действующей установке.
Согласно регламенту установки У-274 на входе в детандер давление Р\ = 6 МПа, температура = -50 °С, на выходе из детандера давление Р2 = \,5 МПа.
Поскольку газ после такого расширения находится всегда в состоянии парожидкостной равновесной смеси, расчётная формула имеет вид
1£ = 1\ - Т2 • (5- 5\), (\)
где 1\ - энтальпия газа при давлении Р\ и температуре t\, кДж/кг; Т2 - абсолютная температура фазового равновесия парожидкостной смеси при давлении Р2, К; 5! - энтропия газа при температуре t\ и давлении Р\, кДж/(кг • К); 52 - энтропия насыщенного пара при давлении Р2, кДж/(кг • К).
Удельная работа газа при расширении в детандере /дет составляет:
^дет пдет (1\ - 14S), (2)
где пдет - КПД детандера. В соответствии с [2] было принято: пдет = 0,7.
Затем определена энтальпия газа 1 на выходе из детандера в штатном режиме по формуле
14 1\ ^дет (3)
Далее вычислена удельная массовая холодопроизводительность д0 газа низкого давления в конденсаторе этановой фракции из зависимости
Яо = 1\ - ^ (4)
где 16 - энтальпия газа низкого давления на выходе из конденсатора этановой фракции при давлении Р6 = Р2 и температуре, равной, согласно регламенту У-274, ^ = -84 °С.
Удельная холодопроизводительность оказалась равной д0 = 83,39 кДж/кг.
В первой ступени турбокомпрессора в штатном режиме, согласно регламенту У-274, давление газа повышается от Р2 = \,5 МПа до Рк = 2 МПа. Удельная работа обратимого изотермического сжатия в первой ступени 1\ изотерм определялась по формуле из [2]:
1\изот Тизот (59 - 58) + 18 - 19, (5)
где Тизот - расчётная температура изотермического сжатия в компрессоре. Было принято Тизот = 333,\60 К; 59 - энтропия газа на входе в первую ступень компрессора при температуре Тизот и давлении Р2; 58 - энтропия газа на выходе из первой ступени компрессора при температуре Тизот и давлении Рк; 19 - энтальпия газа на входе в первую ступень компрессора при температуре Тизот и давлении Р2; 18 - энтальпия газа на выходе из первой ступени компрессора при температуре Тизот и давлении Рк.
КПД первой ступени компрессора П\к вычислен по формуле
Л\к 1\изот/1дет.
(6)
Согдасно расчёту, П\к = 0,7586.
Удельная работа при обратимом изотермическом сжатии во второй ступени компрессора /2изот вычислена из зависимости
12изот Тизот (5\\ - 5\0) + 1\0 - 1\\, (7)
где 5\ \ - энтропия газа на входе во вторую ступень компрессора при температуре Тизот и давлении Рк; 5\0 - энтропия газа на выходе из второй ступени компрессора при температуре Тизот и давлении Р = 6 МПА; 1\\ - энтальпия газа на входе во-вторую ступень компрессора при температуре Тизот и давлении Р2; 1\0 - энтальпия газа на выходе из второй ступени компрессора при температуре Тизот и давлении Р = 6 МПа.
По расчётам /2изот = \ 82,24 кДж/кг.
Было принято, что температура газа на входе в турбодетандер при использовании оборотного водоснабжения для охлаждения газа перед адсорберами будет понижена до t\ = -55 °С. Далее была подобрана такая величина давления Р2, при которой в расчётах по формулам (\)-(3) удельная холодопроизводительность составила д0 = 83,39 кДж/кг.
Это давление оказалось равным Р2 = \,84 МПа.
Удельная работа расширения в детандере определена по формулам (\), (2). Она оказалась равной /дет =74Д3 кДж/кг. Удельная работа сжатия в первой ступени компрессора /\изот вычислена по зависимости
1\изот /дет • Пд ет.
(8)
В соответствии с расчётом /\изот = 39,36 кДж/кг.
Далее была подобрана такая величина давления Рк, при которой в расчётах по формулам (\)-(3) удельная работа сжатия в первой ступени компрессора /\изот составила /\изот =
= 39,36 кДж/кг. Это давление оказалось равным Рк = 2,33 МПа.
По зависимости (7) вычислена удельная работа обратимого изотермического сжатия во второй ступени компрессора, приводимой паровой турбиной. Она оказалась равной /2из0т = \56,48 кДж/кг.
В штатном режиме расход пара среднего давления на турбину, приводящую вторую ступень компрессора, составляет, по данным завода, Ош = 372,2 т/ч. Полагая, что КПД турбины не изменится при использовании оборотного водоснабжения, будем считать, что расход пара пропорционален удельной работе изотермического сжатия во второй ступени компрессора. Отсюда расход пара при использовании оборотного водоснабжения составит:
Ов Ош 1\изот / 1\изот. (9)
По расчёту Gв =3 \9,6 т/ч.
Таким образом, экономия пара при введении оборотного водоснабжении составит:
Оэк = Ош - Ов = 52ш т/ч.
Приняв, что температура наружного воздуха по мокрому термометру не должна превышать +\5 °С, по табл. 3 [3] для г. Астрахани вычисляем, что число часов в год, когда температура наружного воздуха по мокрому термометру не превышает +\5 °С, составляет п = 6 0\9. Отсюда годовая экономия пара Оэк.год = Оэк • п = 3П тыс. т, что составляет 9,7 %.
Следует учитывать, что понижение температуры газа на входе в детандер при внедрении оборотного водоснабжения потребует уменьшить недорекуперацию на холодных концах регенеративных теплообменников. Для этого придётся увеличить площадь теплопередающей поверхности регенеративных теплообменников первого и второго потоков, что потребует дополнительных капитальных затрат. Кроме того, увеличение давления газа на выходе из детандера повысит удельные механические нагрузки на обечайки массо- и теплообменных аппаратов, в которые направляется газ. Ещё одно обстоятельство, которое необходимо учитывать при внедрении оборотного водоснабжения - опасность снижения показателей надёжности процесса отбензинивания в целом ввиду поломок во внедряемом оборудовании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
\. Таблицы стандартных справочных данных. Метан жидкий и газообразный. Плотность, энтальпия, энтропия и изобарная теплоёмкость при температурах \00-\000 К и давлениях 0,\-\00 МПа. ГСССД \8-8\. - М.: Изд-во стандартов, \982.
2. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы. Т. \. Основы теории и расчёта.
- М.: Машиностроение, \996. - 576 с.
3. Строительные нормы и правила. Ч. II, раздел А. Гл. 6. Строительная климатология и геофизика. СНиП 11-А. 6-72. - М.: Стройиздат, \973.
Статья поступила в редакцию 2.04.2008
THE APPLICATION OF TURNAROUND WATER SUPPLY AS A METHOD TO ECONOMIZE POWER INPUTS WHILE DEHYDRATION
AND GAS-GASOLINE PROCESSING
А. А. Burtsev, S. А. Putilin, А. Е. Semenov, А. М. Tseitlin
The technique and results of calculations of reduction of average pressure steam consumption upon turbines setting in motion the second steps of turbocompressors installations y-174 and y-274 of Astrakhan gas-processing plant are presented at raising gas pressure on output from turbine expanders dehydration blocks and gas-gasoline processing due to the application of turnaround water supply for cooling gas before adsorbers. The given results have practical value at planning by a factory any actions to decrease industrial power inputs.
Key words: compressor, turbine, gas, steam, pressure, cooling, reduction of industrial power inputs.
