目前，针对天然气处理厂三甘醇脱水装置的节能技术改造主要集中在节能新设备和节能新工艺的使用上，即通过采用节能新设备和先进工艺降低装置能耗。然而，如何来评价装置的用能水平，目前尚属于探索阶段。能耗评价应对装置的能量利用效率进行评价，为改进装置的用能水平提供依据。本文拟根据天然气处理厂三甘醇脱水装置的工艺流程及用能特点，建立三甘醇脱水装置能耗评价模型，确定能耗评价指标，初步探讨对应的能耗评价方法。
图 1所示为天然气处理厂TEG脱水装置工艺流程。大量的现场调研及对调研资料的分析表明，TEG脱水装置的主要能耗工质为溶液循环泵耗电、再生器重沸器燃料气消耗以及循环冷却水的消耗，其能耗影响因素如图 2所示。
根据天然气脱水装置流程及用能特点可知，影响天然气脱水装置能耗的因素主要包括原料气气质条件、产品气水露点指标、溶液循环泵效率、再生器重沸器火管加热炉的燃烧效率、TEG溶液浓度等。
能耗评价指标通常分为定量评价指标和定性评价指标两类。定量评价指标又分为节能潜力、用能效率和单耗指标三类。其定义如下：
(1) 节能潜力(Energy Saving Potentiality)：实际能耗值与理论能耗值之差。
(2) 用能效率(Energy Efficiency)：理论能耗与实际能耗的比值，由此可以找出能耗的瓶颈所在。
(3) 单耗指标(Unit Energy Index)：系统获得单位天然气各能种或各部位的能耗。
定性评价指标主要指单耗因素：即实际单耗与理论能耗计算值的单位能耗比。UCF越大，说明用能水平越低，反之，亦然。
单耗因素(UCF):
通过对TEG脱水装置能耗影响因素的分析，结合TEG脱水装置流程及用能特点，利用Aspen HYSYS (2006版)专业软件对TEG脱水流程进行模拟。流程模拟的热力学模型选用Peng-Robinson状态方程。TEG吸收塔设置5层理论塔板，从第2层至第4层的板效率设为0.5，塔顶和塔底的板效率设为1，以保证产品气出塔时达到平衡状态。再生塔采用带塔底重沸器的精馏塔模型，塔顶安装一个全回流的冷凝器[1-3]。其模拟流程如图 3所示。
脱水装置的能耗主要包括溶液循环泵的耗电、TEG再生器的燃料气消耗以及循环冷却水的消耗，三者之和基本构成了脱水装置生产用能的总能耗。因此，除了将装置总能耗作为能耗评价指标之外，还应将TEG循环泵的电耗、TEG再生器的燃料气消耗以及循环冷却水的消耗作为评价指标。
利用HYSYS软件建立了能耗评价用模型后，从原料气入装置开始，输入待评价装置的处理量，待评价装置的原料气气质、吸收塔塔径、塔盘数等参数，并对模型中诸如吸收塔的理论塔板数、板效率、换热器效率等参数进行调整，直至达到产品气合格后可输出相关理论能耗值。输出的理论能耗数据一般包括再生器重沸器热负荷QRegen、贫富液换热后贫液进一步水冷带走的热量Qcooler、溶液循环泵用能QPump。所有这些输出值均为理论能耗输出值，尚需进一步转化为理论能耗计算值。
建立了模拟流程后，尚不能确定用于能耗评价的理论能耗计算值。必须先确定求取理论能耗计算值的基准条件。根据TEG脱水装置的特点，确定求取理论能耗计算值的基准条件如下。
(1) 净化气气质要求。根据国家对管输天然气的标准，净化气在天然气交易点的压力、温度下，水露点比最低环境温度低5 ℃[4]。
(2) 三甘醇再生重沸器温度。一般TEG溶液的再生温度要控制在205 ℃以下，高于此温度，三甘醇容易发生高温分解，基准将温度定为204 ℃。
(3) 再生贫液的入吸收塔温度。根据实际生产情况，通常再生贫液入吸收塔温度控制在30 ℃~40 ℃左右。
(4) 回收热量损失。当贫富液换热回收贫液热量时，考虑较高换热效率，较好的设备保温，认为回收热量损失较小。根据经验及有关资料，取回收热量损失为5%。
(5) 装置处理量。装置处理量以装置实际处理量为准。
(6) 基准原料气气质。基准原料气气质以原料气的分析结果为准，但原料气的水含量视为饱和水含量。
根据模型的输出结果，结合其他因素，可确定装置的理论能耗计算值。
(1) 总能耗
(2) 燃料气用量计算
根据燃料气的气质组分计算燃料气的发热量，在计算发热量时需考虑一定的燃烧效率。由模拟所得的再生器热负荷QRegen，燃料气的燃烧发热量HR, 可求得再生器燃料气用量为：
(3) 贫液冷却水用量
根据冷却水所需冷却的负荷，可求出用量。
式中：QCooler为冷却负荷，kJ/h；cp, w为循环水的比热，4.186 8 kJ/(kg·℃)；m为循环水的流量, kg/h；△t为循环水要求的温升, ℃。
(4) 循环泵的能耗
根据GB/T 13007-1991《离心泵效率》规定，效率在0.9为优秀[5]。取效率为0.9，则
式中：QPs为实际能耗，kJ；h为泵效率，h=0.9。
某实际日处理量为160×104 m3/d的TEG脱水装置，湿气进TEG脱水塔的压力为4.83 MPa，温度17 ℃，TEG浓度为99%。湿净化天然气组分如表 1所示。
表 2所示为该脱水装置2009年7月份的工艺数据和有关能耗数据。
将表 1和表 2的有关数据输入到已建立的模型中，可求得如下能耗量：
(1) 再生器燃料气加热量QRegen=3.3×105 kJ/h;
(2) 贫液后冷却负荷Qcooler=1.2×105 kJ/h;
(3) 溶液循环泵用能QPump=8 988 kJ/h;
(4) 总能耗
Q总=QRe+QCooler+QPump=4.59×105 kJ/h
(5) 燃料气用量计算
由厂方提供的燃料气组分分析报告计算可知，燃料气低位发热量为：
HR=31 MJ/m3
则再生器的燃料气用量为：
(6) 冷却水用量
冷却水入口温度32 ℃，出口42 ℃。
QCooler=cp, wm△t
冷却水用量为：2.87t/h
(7) 循环泵的能耗
(8) 单位理论能耗计算值
天然气燃料气用量：1.61 m3/104m3
天然气冷却水用量：0.43 t/104m3
天然气循环泵用电量：1 665 kJ/104m3
(9) 实际单位能耗
天然气燃料气用量：1.77 m3/104m3 (54 870 kJ/104m3)
天然气冷却水用量：0.52 t/104m3 (21 771 kJ/104 m3)
天然气循环泵用电量：3 448 kJ/104m3
根据表 2及上述计算数据，按公式(1)~(3)计算相关能耗评价指标，对该脱水装置进行能耗评价，其评价结果如表 3所示。
以上对某天然气处理厂的TEG脱水装置进行了能耗评价。评价结果表明，该脱水装置能耗偏离理论能耗计算值太多，尤其是TEG循环泵的能耗偏高，存在大马拉小车的现象。TEG循环泵能耗偏高通常由以下原因引起：
(1) 泵选型不当。泵的流量和扬程远大于实际需要的流量和扬程。泵消耗的功率通常与溶液循环量成正比，与扬程的平方成正比，与泵转速的三次方成正比[6-9]。因此调节泵后阀板的开度，或使用部分回流的方式并不能达到较好的节能效果。对于流量和扬程远大于实际需要的泵，最好的节能方法是更换溶液循环泵使之与实际需要匹配。
(2) 溶液负荷波动较大。针对这种情况，对溶液循环泵加装变频器是最佳的节能方式。该处理厂溶液循环泵原选型较为保守，泵的流量和扬程比实际需要略高，加上TEG循环泵流量的波动，造成该TEG循环泵能耗较高。该净化厂根据此次能耗评价的意见已对该泵做变频处理。
从能耗评价表中同时还可以看出，该厂贫液冷却器冷却水循环量不大，说明整个TEG装置换热网络换热效果较好，尤其是该厂将贫富液换热器改造成板式换热器后，极大地提高了换热效率。另外，该厂换热网络中设备和管道的保温良好，热损失较小，因而贫富液换热后再水冷时冷却水循环量少。
再生器燃料气的消耗量与燃料气的燃烧效果、炉体的热损失、排烟温度等密切相关。该厂再生器燃烧器燃烧效率高，设备保温好，排烟温度满足要求，因而，热量损失少，热效率高，燃料气的消耗量不大。
能耗评价的目的旨在通过能耗评价来诊断装置的用能水平，寻找装置用能的薄弱环节，发现能耗瓶颈，从而有针对性地采取节能措施，提高装置的整体用能水平。因此，能耗评价应该是系统自身用能水平的评价，不同的系统之间，由于其内外部环境不同，其用能水平自然不同，不具有可比性。
尽管TEG脱水工艺基本相同，但TEG脱水装置能耗还受多种因素的影响。例如，不同季节气温的影响，装置实际负荷与设计负荷的偏离程度，脱水装置所用设备的先进程度等等。因此，对TEG脱水装置进行能耗评价时，应根据实际情况增设评价指标，例如理论循环量与实际循环量的比较，再生器火管热效率比较等，以求评价更为全面。本文旨在探讨一种TEG脱水装置的能耗评价方法，并不表示本文所设置的能耗评价指标及其能耗评价方法具有权威性和全面性, 评价方法的建立和完善将是一个长期和持续的过程。
2011, Vol. 40 Issue (2): 150-153,194
2011, Vol. 40 Issue (2): 150-153,194