天然氣脫硫脫碳高壓富液能量回收方法的研究與選擇

1、天然氣脫硫脫碳高壓富液能量回收方法的研究與選擇 Study and Choice for the method of high-pressured rich-liquid energy recovery during natural gas desulfuration and decarbonization.摘要：本文介紹了可用于天然氣脫硫脫碳裝置高壓富液能量回收的三種液力透平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效率特性，剖析了第一代液力透平能量回收方式在工業(yè)應(yīng)用中存在的問題，提出采用第二代液力透平增壓泵的優(yōu)點(diǎn)和可行性，并對兩代技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行了比照。Abstract: this article introduces

2、three structural characteristic and efficiency peculiarity for hydraulicturbo, which is using for high-pressured rich-liquid energy callback during natural gas desulfuration and decarbonization; anatomy the problem for the first generation hydraulicturbo energy recovery method using in industrial ap

3、plications; advance the advantage and feasibility for using the second generation hydraulicturbo pressure increasing pump and compare the applied effects for the two-generation technologies.關(guān)鍵詞：天然氣 脫硫 脫碳 富液 液力透平 能量回收Keywords: natural gas, desulfuration, decarbonization, rich-liquid, hydraulicturbo,

4、energy recovery從天然氣中脫除酸性組分的工藝稱為脫硫脫碳，習(xí)慣上統(tǒng)稱為天然氣脫硫，有時也稱為脫酸。目前，國內(nèi)外報(bào)道過的濕法和干法脫硫方法有近百種。國內(nèi)常用的天然氣濕法脫硫方法是MDEA法和MDEA環(huán)丁砜法等1。MDEA法和MDEA環(huán)丁砜法等脫硫裝置的吸收塔通常在高壓下操作，而汽提塔再生塔那么在常壓下操作。因此，需要用溶液循環(huán)泵國內(nèi)一般為離心泵將汽提塔塔底的貧液加壓至高壓后進(jìn)入吸收塔，故而泵的揚(yáng)程高，功率大，甚至需要選用高壓電動機(jī)驅(qū)動。另一方面，離開吸收塔塔底的高壓富液通常經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入閃蒸罐。這樣，就造成了高壓富液壓力能的浪費(fèi)。如將高壓富液通過液力透平進(jìn)行能量回收，那么電

5、動機(jī)的驅(qū)動功率就可以降低很多2。下面結(jié)合國內(nèi)外高壓富液能量回收最新技術(shù)和MDEA法和MDEA環(huán)丁砜法等天然氣脫硫工藝進(jìn)行研究比擬，以供有關(guān)裝置選擇。一 、高壓富液能量回收透平的特點(diǎn)與選擇根據(jù)液力透平的結(jié)構(gòu)不同，常用于脫硫高壓富液能量回收的液力透平有以下三種：1反轉(zhuǎn)泵透平Reverse Running Pump Turbo，簡稱RRPT該設(shè)備是根據(jù)流體力學(xué)相似理論把離心泵的葉輪進(jìn)行可逆式設(shè)計(jì)，其他部件與離心泵完全相同。按照RRPT揚(yáng)程的不同又分為單級和多級反轉(zhuǎn)泵透平，其效率一般不超過71反轉(zhuǎn)泵透平的流量-效率曲線參見圖1(3)。如瑞士蘇爾壽公司為石家莊化肥廠合成氨原料氣熱鉀堿脫碳工藝設(shè)計(jì)制造的Z

6、R150-3250臥式單流渦殼反轉(zhuǎn)泵透平，流量為690m3/h，總揚(yáng)程為1.3MPa,回收能量為202kW，回收效率為69。該設(shè)備國外主要生產(chǎn)廠家有瑞士蘇爾壽公司、日本新瀉制作所等，國內(nèi)生產(chǎn)廠家為沈陽水泵廠和上海第一水泵廠等。 (1gpm=0.227m3/h)圖1 “反轉(zhuǎn)泵透平流量-效率曲線2沖擊葉輪式透平Pelton Impulse Turbo，簡稱PIT與大型蒸汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，設(shè)有多個高壓噴嘴，高壓液體直接沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，將液體的高壓能量轉(zhuǎn)化成透平軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能輸出，適合于高揚(yáng)程，中小流量的工況使用，能量回收效率在80以上壓力-效率曲線參見圖2，應(yīng)用3DCAD設(shè)計(jì)，CAM加工的“沖擊葉輪式

7、式透平最高效率可達(dá)90。如瑞士CALDER.AG公司為西班牙某海水反滲透淡化廠生產(chǎn)的RO-350-100-2型PIT,流量為407m3/h,有效壓差為6.7MPa,回收能量為698kW, 回收效率為90。該類設(shè)備主要由歐美廠家制造，例如瑞士CALDER公司的ERT系列產(chǎn)品。 (1bar=0.1MPa, 1psi=0.006895MPa)圖2 沖擊葉輪式透平壓力-效率曲線3“ 透平增壓泵(Hydraulic Turbo ChargerTM，簡稱HTC)該設(shè)備把沖擊葉輪式透平與離心泵完美地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)高壓富液能量直接轉(zhuǎn)換為低壓貧液能量，透平葉輪直接驅(qū)動離心泵葉輪，離心泵轉(zhuǎn)速自適應(yīng)于透平轉(zhuǎn)速，高

8、速旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行可靠，透平和泵的綜合能量轉(zhuǎn)化效率最高81。該項(xiàng)技術(shù)由美國PEI公司在1988創(chuàng)造，并在世界許多國家享有專利權(quán)(4)，已有數(shù)千臺應(yīng)用于海水淡化能量回收、天然氣凈化能量回收、合成氨氣體凈化能量回收。從其流量效率圖見圖3可以看出，透平增壓泵的效率受流量變化影響較小。 (1gpm=0.227m3/h)圖3 液壓透平增壓泵流量-效率曲線二、根據(jù)液力透平能量回收后傳遞方式的不同，能量回收分成兩代技術(shù)1第一代技術(shù)液力透平作為離心泵的第二驅(qū)動機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，如圖4所示。1. 液力透平 2. 超越離合器 3. 電動機(jī) 4. 高壓離心泵 圖4 應(yīng)用液力透平進(jìn)行能量回收示意圖由圖4可知，電動機(jī)為離心泵的

9、第一驅(qū)動機(jī)，液力透平為離心泵的第二驅(qū)動機(jī)，只有在液力透平轉(zhuǎn)數(shù)高于電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)時，超越離合器才嚙合。這是目前國內(nèi)如重慶天然氣凈化總廠的臥龍河天然氣凈化廠和化肥行業(yè)中一些廠家脫硫脫碳裝置高壓富液普遍使用的能量回收方式，其缺點(diǎn)是傳遞效率較低(5)。如上文所提石家莊化肥廠應(yīng)用蘇爾壽公司設(shè)計(jì)制造的透平能量回收系統(tǒng)，透平效率69，電機(jī)效率93，超越離合器效率95，離心泵效率78，能量回收總傳遞效率=69939578=47.5。由于脫硫脫碳富液的壓力和流量是經(jīng)常變化的，富液中有時還夾帶氣泡，因而造成透平工作時經(jīng)常脫離設(shè)計(jì)流量和壓力工況，從而使透平轉(zhuǎn)速和輸出功率發(fā)生較大變化，超越離合器經(jīng)常處于高速嚙合和脫開工況

10、，導(dǎo)致超越離合器經(jīng)常損壞，難以修復(fù)。石家莊化肥廠二套裝置采用美國生產(chǎn)的超越離合器和一套英國生產(chǎn)的3S超越離合器開車后都未到一年，就一直停用至今。據(jù)了解，國內(nèi)其他多家安裝能量回收透平的廠家，約有70都是因此原因而停用。此外，這種具有能量回收的離心泵是全揚(yáng)程全流量多級高壓離心泵，電動機(jī)和控制系統(tǒng)是高壓大功率電氣設(shè)備，透平和電動機(jī)聯(lián)接的高速超越離合器多是國外進(jìn)口產(chǎn)品，能量回收設(shè)備一次投資也較大。2第二代技術(shù)應(yīng)用透平增壓泵把高壓富液的能量直接轉(zhuǎn)換成貧液的能量，再配一臺小揚(yáng)程全流量離心泵實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，如圖5所示: 1. 電動機(jī) 2. 一級增壓泵 3. 透平增壓泵圖5 應(yīng)用透平增壓泵能量回收示意圖圖5中透

11、平增壓泵與一級增壓泵串聯(lián)工作，分級提升貧液的壓力，把貧液泵入脫硫吸收塔。電動機(jī)驅(qū)動的一級增壓泵流量為全流量但是揚(yáng)程卻只有原來的40%-60%，所配套的電動機(jī)和電氣控制設(shè)備負(fù)荷也相應(yīng)減少為原來的40%-60%。透平增壓泵采用單級高速沖擊式液力透平直接驅(qū)動單級高速離心泵的葉輪，能量轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)81%。由于透平增壓泵葉輪能自動適應(yīng)透平葉輪的轉(zhuǎn)速，受富液流量和壓力的變化影響較小，使透平增壓泵始終保持高效率。此外，由于透平增壓泵結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動部件少，沒有機(jī)械密封、滾動軸承、超越離合器和潤滑系統(tǒng)，因而運(yùn)行平安、可靠，故障率極低，噪音低，無泄露，綠色環(huán)保。透平增壓泵與第一代透平助推能量回收方式相比，其投資

12、小，資金回收期短，這項(xiàng)第二代能量回收技術(shù)，目前正在海水淡化、天然氣凈化和化肥廠氣體凈化等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。三、應(yīng)用兩代能量回收技術(shù)對天然氣脫硫脫碳工藝進(jìn)行改造的方案比照 現(xiàn)以國內(nèi)某天然氣凈化廠脫硫脫碳裝置為例。該裝置采用MDEA溶液脫硫脫碳，高壓富液經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入閃蒸罐。如果分別采用兩代能量回收技術(shù)進(jìn)行改造，其效益分析見表1。該脫硫脫碳裝置的主要工藝參數(shù)如下：天然氣處理量：400104m3/h 吸收塔壓力：6.0MPa 原料氣中CO2：5.73%v H2S：0.06% 凈化氣中CO2：3%v H2S：20mg/ m3溶液循環(huán)量：136 m3/h溶液循環(huán)泵：HPT-600,Q=136 m3/h

13、600gpm，配440kW電動機(jī)一臺。表1 某天然氣脫硫脫碳裝置采用兩代能量回收技術(shù)方案比照能量回收方案采用透平增壓泵進(jìn)行能量回收采用液力透平助推進(jìn)行能量回收吸收塔和泵機(jī)工作示意圖不設(shè)能量回收時，裝置工藝技術(shù)參數(shù)脫碳塔排出高壓富液流量 136 m3/h 密度1200kg/m3高閃槽壓力 0.4 MPa 高壓富液壓力 5.9 MPa泵出口貧液壓力 6.0 MPa 泵入口貧液壓力 0.2 MPa高壓脫碳泵的型號HPT-600 Q136 m3/h 壓力6.0MPa 水泵效率74% 配套電機(jī)理論使用的功率 5801361200/36001020.930.74=375kW/h 電機(jī)的效率93%能量回收改

14、造后的工藝參數(shù)進(jìn)入透平增壓泵的高壓富液流量136 m3/h富液余壓5.9-0.4=5.5 MPa透平增壓泵貧液流量136 m3/h透平增壓泵能量回收效率61%透平增壓泵的貧液增壓值3.355 MPa一級增壓泵貧液流量136 m3/h一級增壓泵壓力2.445 MPa，泵效率74%配套電機(jī) 效率93%配套電機(jī)理論電耗244.51361200/36001020.930.74=158kW/h進(jìn)入透平的富液流量136 m3/h富液余壓 5.9-0.4=5.5 MPa高壓泵貧液流量136 m3/h透平回收效率 70%超越離合器效率 95%高壓泵出口壓力 6.0 MPa高壓離心泵效率 74%配套電機(jī)效率 9

15、3%配套電機(jī)理論電375-55013612000.700.95/3600102=213kW/h能量傳遞效率透平增壓泵能量回收效率隨高壓富液流量的增加而增大，參見流量-效率曲線，從圖中可以查出，流量為136 m3/h時，回收效率為61%高壓富液-低壓貧液能量傳遞效率=0.700.950.930.74=46% 透平效率70%，離合器效率95%，電機(jī)效率93%，泵效率74%小時節(jié)電量375-158=217kWkW/h375-213=162kWkW/h日節(jié)電量21724=5208kWkW/d16224=3888kWkW/天月節(jié)電量520830=156240kWkW/月388830=116640kWkW

16、/月年節(jié)電量15624012=1874880kWkW/a11664012=1399680kWkW/a年節(jié)電費(fèi)用每度電按0.55元計(jì)算0.551874880=1031184元=103萬元每度電按0.55元計(jì)算0.5513996820=769824元=77萬元易損件設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、平安可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長。改造一次性投資費(fèi)用低，而且節(jié)電較多。設(shè)備占用空間小，透平增壓泵可以水平或垂直安裝于吸收塔附近，使管道的能量損失最小，回收效率最高。透平增壓泵所用的離心泵電機(jī)和啟動控制柜減小。易損件少，故障率低，維修時間少?？梢宰龅健?”外泄露。超越離合器故障率較高。潤滑油消耗多。易損件較多。節(jié)電較少。機(jī)械密封故障率高

17、。噪音大，污染環(huán)境。設(shè)備安裝調(diào)試難度大。四、結(jié)論 由表1可知，采用第二代技術(shù)進(jìn)行能量回收的優(yōu)點(diǎn)是：透平增壓泵設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，平安可靠可以長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。透平增壓泵比反轉(zhuǎn)泵透平助推電動機(jī)一次性投資改造費(fèi)用低。透平增壓泵比反轉(zhuǎn)泵透平助推電動機(jī)設(shè)備占用空間小，透平增壓泵可以水平或垂直安裝于脫硫脫碳吸收塔附近，使管道的能量損失最小，回收效率最高。透平增壓泵比反轉(zhuǎn)泵透平助推電動機(jī)所用的離心泵電機(jī)和啟動控制負(fù)荷減小50%。參考文獻(xiàn)1 王登海等，再論長慶氣田含硫天然氣脫硫工藝技術(shù).石油與天然氣化工,2002；3152 王遇冬等，天然氣處理與加工工藝.石油工業(yè)出版社,19993 How Changes i

18、n system pressure Effects ERT Efficiency: a Comparison of the TurboTM, the PIT and RRPTPEI Technical Note Book,Issue3,April 1999,Pump Engineering, Inc. 4United States Patent (POWER RECOVERY PUMP TURBINES),Patent Number 4983,305,Date of Patent Jun 8,19915 HYPERLINK :/ ilib /Search/QikanSearchList.aspx?Query=%e6%b1%9f%e4%ba%91%e6%a1%a5 江云橋 HYPERLINK :/ ilib /Search/QikanSearchList.aspx?Query=%e8%b5%b5%e5%bb%ba%e5%9b%bd 趙建國 HYPERLINK :/ ilib /Search/QikanSearchList.aspx?Query=%e9%ad%8f%e7%8c%ae%e5%bf%a0 魏獻(xiàn)忠, 渦輪機(jī)組的應(yīng)用現(xiàn)狀及改善措施 HYPERLINK :/ ilib /Periodical.Articles/T.TQ.xdfsjjs.htm