轻烃回收厂冷却系统余热利用及工艺优化研究

及工艺优化研究杨震I张亚飞彳曾博彳魏正学I王秋麟°蒲黎明彳1.中国石油天然气集团有限公司，北京100007；2.中国石油工程建设有限公司西南分公司，成都四川610041 ；3.中国石油勘探开发研究院，北京100083；4.中石油北京天然气管道有限公司，北京100083摘要:为实现油气田开发进一步节能降耗,促进油气田企业高质量发展，在西部某油田轻妊

回收厂冷却系统工艺流程及能耗分析的基础上，开展天然气增压机组余热回收利用方案研究。余

热回收利用方案能够同时解决轻桂回收厂夏季冷却系统制冷和冬季厂区建筑供暖问题，在不影响

生产工艺流程的前提下实现节能降耗。余热回收利用后可为轻坯回收厂冷却系统每年节约用电

1 226X10\" kWh；冬季为厂内建筑供暖，提供生活热水，除盐装置供热，每年节省燃料气消耗

144. 5 x 104 m3 ；每年可节约燃料消耗折合标煤2 773.2 t,CO2减排7 377 t；10年现值节约4 9. 2

万元。余热回收利用方案为该地区油气地面处理工艺进一步优化提供指导。关键词:余热利用；轻坯回收;冷却系统;工艺优化;节能减排D01:10. 3969 /j. issn. 1006 - 5539. 2019. 04. 018Research on Waste Heat Utilization and Process Optimization of Cooling System in Light Hydrocarbon Recovery PlantYang Zhen1, Zhang Yafei2, Zeng Bo3, Wei Zhengxue1, Wang Qiulin4, Pu Liming21. China National Petroleum Corporation, Beijing, 100007, China；2. China Petroleum Engineering & Construction Corp. Southwest Company, Chengdu, Sichuan, 610041, China；3. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing, 100083 , China；4. PetroChina Beijing Gas Pipeline Co. , Ltd. , Beijing, 100083, ChinaAbstract: Based on the analysis of cooling process and energy consumption of light hydrocarbon

recovery plant in a western oilfield, a waste heat recovery and utilization scheme of the natural gas compression system is proposed in this paper. The proposed scheme can solve the problems of cooling

system refrigeration in summer and building heating in winter, and realize energy saving and consumption reduction without affecting the production process. The scheme can save 1 226 x 104 kWh power per year and a 144. 5 X 104 m3 fuel gas consumption is saved for building heating, domestic hot water and收稿日期：2019-07-24基金项目：中国石油勘探开发研究院“地热、铀矿、天然气水合物重点发展方向和策略研究”(纵开发XN 11801)

作者简介:杨 震(1968 -)，男,陕西武功县人，教授级高工，学士，主要从事规划计划管理和能源发展战略研究工作。

第37卷第4期UTILITIES公用工程desalinization unit heating in winter. The annual fuel consumption saved is equivalent to standard coal of 2

101773. 2 t, carbon dioxide emission reduction by 7 377 t, and present value saving of 49. 2 million yuan in 10 years, which provides guidance for further optimization of oil & gas surface process.Keywords: Waste-heat utilization ； Light hydrocarbon recovery ； Cooling system ； Process

optimization ； Energy conservation and emission reductiono前言凝析气田天然气中含有大量C2及c2以上等轻桂

组分，是制备乙烯的优质原料。随着国内天然气处理技

术的迅速发展，油气田企业通过建设天然气轻怪回收

厂，回收天然气中c2及c2以上组分生产乙烷、液化石

油气(LPG)和稳定轻怪产品,不仅有效利用了资源,而且 经济效益显著。随着国内节能减排要求的提高,通过优化设计对外

输天然气压缩机组进行余热回收,能够实现资源有效利

用，达到节能降耗目的[1_5]o目前,国内油气田对天然气 增压机组产生的余热主要采用吸收式制冷、直接回收、

温差发电和有机朗肯循环等方式进行回收利用,节能效

果显著[6_20] o因此本文针对西部某油田轻桂回收厂及

扩建工程提出了一种利用外输气增压机出口气余热回

收进行冷却系统优化设计的方案，实现资源再利用。1冷却系统运行现状西部某油田轻怪回收厂2017年投产,年处理天然气 规模100 x 10s m3,回收天然气中C3及C3以上组分生

产LPG和稳定轻桂，每年可生产45 x 104 t液桂产品。

由于该轻怪回收厂地处沙漠地带，水资源匮乏，其冷却

系统采用电驱风冷制冷机组制备冷冻水为轻怪回收厂

压缩机电机、变频器等设备提供冷量，风冷系统年耗电

2 213. 2X10’kWh。该轻怪回收厂拟扩建，将天然气中 C2组分进行回收，每年乙烷产品产量达到76 x 104 t,用

于下游60xl04t乙烷裂解制乙烯工程原料。拟扩建项

目中天然气经增压后升温达到105 °C，需冷却至40 t外 输，增压机组冷却系统是轻桂回收厂用电消耗的大户，

也是通过优化设计实现余热回收和节能降耗的重要

方向。1.1冷却系统能耗分析西部某油田轻怪回收厂现有冷却系统，主要依靠电

驱风冷制冷机组和空气冷却器联合制冷方案，配置12台

冷却水循环泵实现冷冻水循环，用电负荷情况见表lo 夏季环境温度高,使用电驱风冷制冷机组制冷，配置

426 kW制冷机12台，用电负荷5 291 kW,年运行时间 4 000 h,耗电2 116. 4 x 104 kWh；冬季环境温度低，冷却

负荷降低，同时为节约能耗,停开电驱风冷制冷机组,仅

使用空气冷却器冷却冷冻水，配置22 kW空气冷却器12

台，用电负荷847 kW,年运行时间4 000 h,耗电96.8 x

104kWho冷却系统制冷总功率5 533 kW,年耗电量 2 213. 2 x 104 kWh,现有冷却系统耗电主要集中在夏季,

冬夏两季电能消耗占比见图1。表1冷却系统用电负荷情况设备数量冶单台规格/(kW・台-J冷冻水循环泵12（11 用 1 备）55制冷机12（11 用 1 备）426空气冷却器12（11 用 1 备）22□夏季电能消耗□冬季电能消耗图1轻桂回收厂冷却系统冬夏两季电能消耗占比图1.2冷却系统用冷负荷分析轻桂回收厂扩建后冷却系统主要用冷设备，包括LPG 冷水器、稳定轻怪冷水器、外输增压装置油站冷却器、外输

增压装置主电机冷却器、外输增压装置变频冷却器以及外

输天然气冷却器,夏季用冷负荷15 152.4 kW,冬季用冷负

荷4 443. 6 kWo用冷负荷统计见表2、表3,外输增压装 置冷却负荷在夏季占整个冷却系统负荷97%以上，因此

选择天然气外输增压装置冷却工艺作为冷却系统优化

的突破口。1.3外输增压装置冷却工艺流程天然气外输增压装置处于轻怪回收厂最末端,天然

气在轻怪回收后，压力降到2.78 MPa,需要进入增压装

置将天然气增压至6. 2 MPa后外输，夏季天然气经过增

压后温度从34.7 t升至103.7 冬季温度则达到

92咒。冷却工艺流程为:增压装置一换热器一空气冷却

器一水冷却器一外输管线,高温天然气先进入换热器冷

却至70 -85 r，再进入空气冷却器冷却至50 °C，最后通

过水冷却器冷却至40 t达到外输条件，见图2。102天黙言与右NATURAL GAS AND OIL2019年08月表2冷却系统装置用冷负荷统计设备LPG冷水器2. 1潜在可利用余热分析夏季，外输增压装置出口天然气温度103. 7 °C，经过

/数量 单台负运行 台荷/kW特点22222222224535换热器换热降温后，天然气温度降至70 t,同时将换热

器中60咒冷却水加热至80 T ;冬季，外输增压装置出口 天然气温度92咒，经过换热器换热降温后，天然气温度

夏季运行夏季运行全年连续稳定轻怪冷水器外输增压装置油站冷却器1420350降至85七，同时将换热器中冷却水加热至85七。换热 器获得的天然气余热负荷可按式（1）计算:Q = C叭（1）

外输增压装置油站冷却器2外输增压装置主电机冷却器1全年连续全年连续840700式中:Q为换热器获得余热负荷,kW；C为天然气热容,

外输增压装置主电机冷却器2外输增压装置变频冷却器1全年连续全年连续全年连续kJ/kg • 为天然气质量流量,kg/h；«;为天然气换350295热装置进口温度,t沙。为天然气换热装置出口温度,t ；

外输增压装置变频冷却器2天然气冷却器K为能量换算系数,kW/kJ,l /3 600。计算得出，夏季换热器可获得天然气余热负荷

3 600夏季运行20 560 kW,冬季换热器可获得天然气余热负荷4 372 kW,

表3冬夏两季冷却系统用冷负荷项目用冷负荷/kW10 9803 220具体计算参数见表4。表4换热器获得天然气余热负荷天然气换热运行参数 余热季节 55 , , 贪荷W J/七 Mq/OlO’kg-hT） C/（kJ炖T）Q/kW

夏季工艺冬季工艺夏季工艺（120%工况）冬季工艺（120%工况）13 1763 8

夏季 103.7 70 4.21 冬季 92 85 4.21

2.607 2.607

20 5604 372夏季工艺设计（1・15倍）冬季工艺设计（1.15倍）15 152.44 443.62.2优化设计思路2. 2.1供需平衡分析天然气经过换热器降温产生的余热给外输增压装

轻桂回收 装置出口天然气「34.7 V增压装置天然气「103.7 °C换热器空气冷却器置冷却工艺优化提供了可能，余热利用应该在充分考虑 冷却系统负荷供需平衡的前提下进行设计。夏季，换热器产生的余热负荷可以满足冷却系统用

70-85 °C天然公外输管线’天然气40 r水冷却器一天然气50 T冷负荷和综合公寓生活热水用热负荷需求。夏季冷却

系统用冷负荷15 152.4 kW,综合公寓生活热水用热负

图2外输增压装置冷却工艺流程图荷485 kW,冷热负荷合计15 637.4 kW,换热器产生余热

2外输增压装置冷却工艺优化潜力通过对外输增压装置冷却工艺流程分析发现,增压

负荷20 560 kW,完全满足冷却系统用冷负荷和综合公

寓生活热水用热负荷需求。因此,在夏季可以利用换热

装置的高温天然气在经过换热器第一次降温时,会将大

量的热传递给换热器中的冷却水，产生余热，但未得到 充分利用，见图3。进一步计算发现，换热器余热负荷刚

器产生的余热负荷通过热水型漠化锂机组制冷产生冷 冻水，为冷却系统提供用冷负荷，同时为综合公寓热水

提供热源。冬季，换热器产生的余热负荷不能满足冷却系统用 冷负荷需求，但可以满足建筑单体供暖、综合公寓热水

以及除盐水装置用热负荷需求。冬季室外温度低，冷却 系统用冷负荷降低至4 443.6 kW,换热器余热可提供的

好能满足夏季冷却系统的用冷负荷需求,可通过优化工

艺流程，利用换热器余热为冷却系统制冷。负荷同时也降至4 372 kW,此时换热器余热负荷已不能

满足冷却系统制冷负荷需求。通过对轻怪回收厂生产

生活区供暖供热负荷统计，冬季生产生活供热负荷约

3 468 kW,其中工业建筑单体冬季供暖负荷约1 000 kW,2 座综合公寓采暖负荷分别为1 350,483 kW,2座综合公

图3外输增压装置冷却工艺余热产生示意图寓生活热水负荷分别为320,165 kW；另外，轻怪回收厂

第37卷第4期UTILITIES有除盐水装置1套，为保证其除盐效率，需要对进入除盐

公用工程103、 工艺装置冷冻水回水35 °CI用冷工艺装置I■•…-X pH工艺装置1卜水装置的水进行预热，其热负荷约150 kW,见表5。冬季

换热器产生的余热可以满足供暖及除盐水装置供热负 荷需求。因此，在冬季可以通过空气冷却器为冷却系统

复合式冷却 塔空气冷却供冷，换热器余热负荷为建筑单体供暖、生活热水供热

以及除盐装置供热，见表6。表5生产生活区供暖供热负荷需求用热单体冷冻水十I工艺装置2 F丿30弋: :工艺装置X P*J负荷/kW1 0001 350用热特点冬季运行冬季运行冬季运行工业建筑供暖综合公寓1供暖综合公寓2供暖图5冬季制冷工艺示意图2. 2. 2. 2余热供暖工艺方案在冬季，余热回收和热水的制备与制冷工艺采用同

一套闭式循环系统,热源依靠设置在外输气管线上的换

483320综合公寓1生活热水综合公寓2生活热水全年连续165全年连续冬季运行热器提供，循环动力依靠热水循环泵，热水供水温度为

除盐水装置1503 468

合计85 t，另设置二级供暖换热器2套（1用1备），为新建公

寓、已建公寓及轻桂回收厂厂区供采暖热水，热水供水

表6换热器余热负荷供需分析季节换热器余

热负荷

Q/kW温度为80 t，二级系统采用闭式循环，循环动力依靠热

冷冻水站 用热负荷Qi /kW生产生活 区用热负 荷 Q2 /kW485供需分析水循环泵。换热站设置在轻桂回收厂中，热水采用热力

管道输送至用热建筑单体，见图6O夏季20 56015 152.44 443.6Q>Qi+Q2QQi天然气92 T冬季4 3723 4682. 2.2优化设计方案统筹考虑冬夏两季余热负荷、冷却系统用冷负荷需

求以及轻怪回收厂生产生活用热等情况,本文对冷却系

供暧热水80»平 I［供唇建筑］ 供暖T水960 i-统工艺进行重新优化。2. 2. 2. 1制冷工艺方案根据换热器余热负荷情况,夏季充分利用换热器余

图6冬季余热供暖工艺示意图热，通过热水型漠化锂制冷机组制冷，为冷却系统提供

冷冻水。余热回收中热水的制备采用闭式循环系统，热

源依靠设置在外输气管线上的换热器提供，循环动力依 靠热水循环泵，制冷工艺采用2台7 600 kW热水型漠化

2. 2.3工艺优化装置需求工艺优化装置需求见表7。锂制冷机组,总规模15 200 kWo夏季运行时，冷冻水经 过余热回收制冷装置，将水温冷却至30 然后送至各 冷却装置区,其回水温度为35 见图4。冬季运行时,

环境温度低，主要釆用空气冷却器为冷却系统供冷，将

3余热回收利用方案效果3.1节能降耗分析冷却系统工艺优化后，夏季利用余热回收制冷为冷

却系统供冷，冷却系统需配置150 kW冷却水循环泵4台

冷冻水冷却至30 t，送至各冷却装置区，其回水温度为

（2用2备）,30 kW制冷机2台,90 kW热水循环泵4台 （2用2备）,350 kW冷却水泵4台（2用2备）,132 kW 空气冷却器2台,夏季冷却系统制冷用电负荷1 504 kW,

运行4 000 h,运行期间耗电601.6 X104 kWh；冬季使用 空气冷却器制冷,制冷用电负荷9 kW,运行4 000 h,运

35 见图5。系统循环采用冷冻水循环泵作为循环动 力，系统定压采用低位囊式定压罐定压,补水系统采用

除盐水装置及补水泵实现。天然气103.7 T制冷机组回水热水型 漠化锂 制冷机组工艺装置冷冻水回水35JC___I Bl……x | 「已工艺装置1皆

翳巧工艺讐2中

行期间耗电385. 6 X 10\" kWh,见表8。优化设计方案冷

60 t换热器余热回收装置0热热水天然气70 t80 TI 1却系统冬夏两季年耗电987. 2 x 104 kWh,较优化前每年

节约耗电1 226 x 104 kWh。另外,冬季供暖按照GB /T

25-2008 ＜综合能耗计算通则》给定的电力当量值 3 095 kJ/（kW - h）、燃料气热低位值33 450 kj/m3计 算，每年节约燃料气144. 5 x 104 m3o右工艺題册图4夏季制冷工艺示意图104天黙言与右NATURAL GAS AND OIL2019年08月表7工艺优化装置需求装置设备型号规格数量4台余热回收利用变频式余热热水循环泵一次系统补水定压装置二次系统补水定压装置流量450 m3 /h,扬程50 m补水量5 m3 /h补水量5 m3 /h1套1套供暖循环泵流量250 ^3/h,扬程50 m换热负荷5 000 kW换热负荷10 280 kWDN3002套板式换热器天然气余热回收换热器外输热力管网2套2台高密度聚乙烯外护管硬质聚 氨酯泡沫塑料预制保温管5 km表8优化后冷却系用冷负荷统计设备冷冻水循环泵制冷机热水循环泵冷却水泵空气冷却器3.2经济效益分析规格/(kW •台“)150数量冶4（2用2备）2（不备用）根据经济评价测算，余热回收利用方案的一次性投

资比原方案高2 127万元。但优化设计方案年运行成本

30904（2用2备）4（2用2备）2（不备用）比原始设计方案降低了 59. 8% ,10年运行费用折现节约

3504 9. 2万元，见表9。132表9投资效盖测算方案原设计冷却系统初投资/电费/（万元•座7）（万元•年“）2 700燃气费/

（万元•年J174. 09一次性投资/10年运行费一次戦资+10年万元用折现/万元运行费用折现/万元2 7001 593.5710.811 860.74 769. 514 560.79 596.5余热回收利用4 82704 827

注：电费按0. 72元/kW・h（8 000 h/a）计算，不含税;燃气费按1. 21元/m3（4 000 h/a）计算,不含税。Zhou Yun, Wang Kang, Chen Siming. The Present Utilization

4结论本文在对西部某油田轻怪回收厂冷却系统工艺流

程及能耗分析的基础上,发掘其余热利用潜能,设计的

and the Technical Prospect of Industrial Waste Heat [ J ].Sci-tech Information Development & Economy, 2010, 20 (23) : 162 - 1.余热回收利用方案夏季可以为轻怪回收厂冷却系统提 供20 560 kW余热负荷，冬季能够为轻怪回收厂厂区建

[2] 原毅军，郭丽丽，孙 佳.结构、技术、管理与能源利用效

率——基于2000 - 2010年中国省际面板数据分析[J].中

筑供暖提供4 372 kW余热负荷，在不影响生产工艺流程

的前提下,有效实现节能降耗。余热回收利用方案可以

国工业经济,2012(7) ：18-30,Yuan Yijun, Guo Lili, Sun Jia. Structure, Technology,

为轻怪回收厂冷却系统每年节约耗电1 226 x 104 kWh；

Management and Energy Efficiency------Stochastic Frontier冬季可为厂内建筑供暖、生活热水、除盐装置供热，每年

节省燃料气消耗144. 5 x 104 m3 ；每年可节约燃料消耗折

Approach Based on Provincial Panel Data Dining 2000 - 2010 [J]. China Industrial Economics, 2012 (7) : 18 -30.[3] 夏炎，陈锡康，杨翠红.基于投入产出技术的能源效率新

合标煤2 773.2 t, C02减排7 377 t； 10年现值节约

指标——生产能耗综合揩教[J].管理评论,2010,22(2)： 17-22.4 9.2万元。余热回收利用方案为轻烧回收厂节能减 排提供了新思路。Xia Yan, Chen Xikang, Yang Cuihong. Production Energy

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