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1、石 油与天然 气化工? ? ?天然气深冷处理工艺的应用与分析王修康?中原石 油勘探局?摘要中原油田第四气体处理厂是国内自行设 计的一套以回收乙烷为主的 大 型轻烃回收装置,该装置通 过两年的运行标 定,各项实际指标均优于设计指标。通过介绍中原油田第四气体处理厂轻烃回收设计特点及深冷工 艺 的关健环节,探讨提高产品收率、降低能耗、减少投资的技术和途径。主题词轻烃回收深冷处理制冷收率在 油田开发 中存在 着 丰 富 的油田伴生气和凝 析气,轻烃回收装 置能 够充分利 用这部分宝贵的天然气资源。目前,国内外 轻烃回收 的 工 艺方法 主要 有吸附法、油吸 收法及冷凝分离法。冷凝分离法 的回收 工 艺
2、过 程主要 由原 料气预处理、压 缩、脱水、制冷 和凝液回收等部分组成。脱水、制冷、凝液回收是深冷轻 烃回收工艺的关键环 节,这些 环节对提高轻烃收率,合理利用能量,降低能耗起着关 键 的作用。中原 油田第四气体处理厂是 一套以回收乙烷为主的大型气体处 理 装 置,公 称 处理能力? ?沙衬? ?,工艺 采用先 进 的膨胀机 制冷 加丙 烷辅助制冷的混合制冷工 艺,制 冷温 度最 低可达一? ?,属于典型的 深 冷处 理 装 置,原 料气为 油田低 压伴生气和凝析气田气? ? ?咒?,产品为乙烷、丙烷、丁烷和天 然 汽油,干气外输压力?。?脱水系统在深冷型的轻 烃回收 工 艺 中,深 冷 温度
3、 一般都在一?以下,有 的可达一? ?以下,为 防止 低 温状 态下出现天 然 气 水 合 物冻堵,脱水系统是 必 不可少的。由于吸附法脱水适 应性好,操作灵活,脱水 后 的气体露点低,在深冷轻烃回收 工艺 中得 到了广 泛 的应 用。深冷型的轻烃回收工 艺一 般都采用 吸 附脱水 中的分子筛干燥脱 水。脱水压 力越高,温度越低,分子筛的吸附 能力越强,为使分子筛保持高吸湿量,操作温度最好不超过 ? ?,但也不 能低于其水合物形 成温 度。中原油田第四气体处 理厂天然气脱水工艺采用 高压低温分子筛脱水,双 塔 流程切换操 作,操作 压 力? ? ?,温 度? ?,脱 水 后天然气 露 点 在一
4、? ?以下,与 常 规 的三塔脱 水相比减少了干燥 器 的结 构 尺 寸,减少 了分 子筛的填充 量,减少了操 作程 序。从两 年 来的运 行效 果看,脱水达 到了设计指 标,操作简便,运行可靠。但设计中应注意在吸附、再生切 换操作压差较大时,切换过 程 中必须设置 升、降压 程序,以免发 生高压气流对床层 的冲击和突然降压而造成分子筛颗粒的碎 裂,导致脱水不能满 足设计要求。?制冷系统深冷型轻 烃回收工 艺制冷 系统一般采用膨胀机制冷加 冷剂辅助 制冷。但是如果 原料气体进装置 的压力较高?一 般大 于? ?,有 足够的压差 可供利 用时,或原料气组成 较贫,所 需制冷负荷较少 时,可采用单
5、一的膨胀机制冷 工艺,制冷温度一般在一? ?一?“?。对于冷剂 的选 择,根据 工 艺 要求,可选 用氟里 昂、氨及丙烷、乙烷、乙烯等烃类,但根据环保的要求,氟里昂已列人禁用范围,氨作 为 冷剂应用的也越 来越 少?目前利用深冷技术 的轻烃回收装 置中多 采 用 丙烷作 为冷 剂,其原因是丙烷 一般是装置 自身的产 品,不需外购,可降低生产成本。外部丙 烷辅助制 冷 根据工 艺要求不同,一般说来 可分 为单级制 冷、两 级制 冷和 三级制冷,中原油田第四气体处理厂外 部丙烷辅助 制冷 系统根据工艺所需 制冷 介质品位的不同,采用了三级压缩、三级 节流的制冷工 艺技术,在两 个 压力等级 上 的
6、气 相 丙 烷分别进入 压缩机,此 工 艺与传统的 一级压缩相 比节能? ?,与二 级压 缩相比节 能? ?,节能效果 明显。为最 大限度地 得 到低 温,深 冷 的轻烃回收工 艺要求膨 胀机 在较 高 的等嫡效率工 况 下运行,膨胀比一般为?一?,高效区的膨 胀比一般 为?一?。如果 膨 胀比大于?,膨胀机 的等墒效率明显偏低,此 时可考虑 采用 两级膨胀。膨胀 机人口物流温度宜为一? ?一?,压力一般不 高于?一? ?。中原 油田第四气体处理厂膨胀机进口压力?,? ?,进口温度一? ?,出口温度? ?,膨胀 机的等 墒效率约 ? ?,膨 胀比约?左 右,膨胀机完全 处于高效区运行。第?卷第
7、?期天 然气深冷处理工艺 的 应用与 分析?凝液回收天然气的组成、系统 的压力和分离温度是凝液回收 的关键因素。在相同温度、压力条件下,气体组分越重,天然气液化率越高,轻 烃 收率越高?对 同一 种天然气,压力越 高,温 度越 低,越易 于凝液回收?但 相对来说,为增压和降温付出的代价也 就越大。对 于 不 同组分的原料气、不 同的轻烃 收率,应进行多方案的经济和技术上 的分析对比,以确定比较合适的操作压力和轻烃收率。对于回收丙烷 的装置,丙烷 收率一般为? ?一?回收乙烷 的装置,乙烷 收率一般为? ?。收率超出此范 围越高,能耗上升越快。在 中原油田第四气体处 理厂 的设计过程 中,通 过
8、多方案优化,确定了膨胀 机前操作压力为? ?,乙烷收率为? ?的设计指标。?能量回收深 冷的轻烃回收工 艺 中,能 量回收包括各个环节,每一个环节都蕴 含着潜在 的能量。膨胀机是能量回收利用 的主要设备,通过 膨胀 机 不但 可以取得良好的制冷效果,而且可以回收大量 的动能而输出给其它设备?同轴增压 机或 发 电机 ?。膨胀 机等嫡效率越高,制 冷效果 越好,输出功率越大。优化换 热 流 程充分回收 物料 中的冷量,是提高制冷效果和轻烃 收率的重 要途径。主要包 括回收外输干?贫 ?气 的冷量和脱甲?乙?烷塔顶物流 的冷量。在 中原 油田第四气体处 理厂的设计 中,通 过对换热流程 的优选,利
9、用两 台多物流板翅式换热器,充 分回收了脱甲烷塔塔顶 干?贫 ?气、塔 底物 流 的冷量,使原料 气 温度从? ?降到一? ?,干 ?贫?气温度从一? ?升 到 ? ?,制冷单元 的冷 量 得 到了充 分 利用回收,达到了 良好的制冷效果。另外,中原油田第四气体处理厂的设计中还 在原料气压缩单元采 用了燃气轮机烟气余热回收工艺 技 术,从 烟气余热 中回收? ?能量,节省了加热 炉和燃 料,燃 气 轮 机单机 效率从? ?提高到综合热效率? ?,能量回收非常明显。?新工艺应用冻堵在 深冷型轻烃回收工艺设计中应该给予足够的重 视。如果制 冷温度 过低,原料 气 中?超过 一 定含量,塔顶 气体中
10、的? ?就会出现过饱和状态 而 形 成固体析 出,造成管线和塔 板冻堵。因此 对 原 料气 中的?仇含量应 有一定 的 限制,当?含 量过高 时,就要 增加脱?装置,除去原 料气 中的?但 当? ?含量 不是很高 时,要达 到 尽可能低的制 冷 温 度,如果增加脱?装 置,投资就会 相对增 大,这 时如采用 奥 尔 特洛夫? ? ? ? ?公 司提 出的液体过冷法 ?比?工 艺 ?流程,既 能有效地 防止?仇冻堵又能保证轻烃 的收率。从工 艺优化模拟 还可看出,? ?工 艺比常规 的膨胀制冷工 艺 还可减少 ? ?的能耗,在中原 油田第四气体处 理厂 的设计中,脱 水后 的原料 气组 成见表?
11、。表?原料气组成组组分分帐帐网网? ? ?几几?, ,?一? ? ?一? ? ?一? ? ?一? ? ? 一几几?一? ? ? ? ?人,口口口口口口口口口口口口口口口卜? ? ?组组成成?肠肠? ? ?即? ? ? ?祀祀? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?刃刃? ? ?,? ? ? ? ? ? ?印印甲,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?对于该组成的天然气,不增 加脱?装置,采用 常规流程 ?见 图 ? ?进行工艺 模拟,压力为? ? ?,制冷温度达 到一? ?时,塔 顶就发生了?仇冻堵,乙烷 收率仅为
12、? ?左 右?中原油田第四气体 处理厂设计中没有增加脱? ?装置,采 用了?工艺 流程 ?见 图?,即采用过 冷液体作 为脱甲烷塔顶的回流,为脱甲烷塔 顶 提供冷 源,控制压力? ? ?,制冷温度一? ?,没有发生? ?冻堵?冻堵温 度 为? ?,同 时乙烷 收率在? ?以上,节 省了投 资,减少了能 耗,经济效 益 明显 提高。此外,如果 原 料气中含 有苯、芳 烃和环己烷类物质,它们也会在轻烃回收塔中形成固体析 出,造成冻堵,影响轻烃回收装 置 的正常运行。因此,在实际的工艺设计中,一定要通 过计算加以验证,确 定合适 的工 艺方案。沸重器, ,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一
13、创创 翻翻月月轻油 图?常规膨胀制冷原则工艺流程巨巨 二二 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?匕匕匕匕匕冷冷箱? ? ? ? ? ? ? 日日日日日日日口口口口口口 , , ,轻油 图?中原油田采用的? ?原则工艺流程?主要换热设备 的选择在深冷 工艺技术应 用 中,一定要 结合工艺要求和?下转第?页?第?卷第?期热油 炉在轻烃回收装置上的应用? ? ?万元。原来年 处理? ?轻烃装 置供热已与新装置热油供热系统 并 网,并且 运 行 良好。表?为热油炉 系统设备资金一览表。?当年节 约实物里? 热 油炉 系统热效率可达? ?以上,而 锅炉的热效率介于? ?一? ?之
14、间,热油 炉系统至少可节 约巧?的锅炉燃 气,按 年?少?处 理 量计算每年节约天然气为? ? ?二?天然 气折算标准煤系数? ? ? ? ?衬?当年节约标 准煤为? 当年节约钠 离子交换树脂、盐用量?与锅炉相比,热油 炉不 需 配置 软化水 处理 系统可节 约树脂? ?,每年可节约钠 盐 ? ?。? 当年节约用水?热油 系统不必像锅炉那样每天进行排污 和补充新鲜水,每天 节约新鲜水? ?衬。当年 节约水量? 时? ?衬水折算标准煤系数为? ? ?衬 ?,但年节 约标准煤量为?耐? !?当年经济效益? 当年节约天然气经济效益? ?万元。天然气 按?元?时计算,当年 节 约天然气的效 益为?衬?
15、元?砰?万元?当年节 约钠盐及 树脂量支出?钠盐约? ?元? ?,树脂约? ? ?元? ?,当年节 约资金为? ? ? 元?元? ?万元? 当年 节约新鲜水 的经济效益?新 鲜水按? ?元牙耐计算,当年节 约用 水 的经济效益 为?! #% 2.加iyang M iddleSeho ol No.9,Shandon g).C月E 几打C 4乙 E N-召扔限E尺I N 口FOI L&G AS, 1/ OL.32,刃口.4,P P209-210, 2003(I SSN1 007一3 4 2 6,I NCH扔限SE) A B ST R ACT:As thedevelopingtrendsO fnewgasoline
