王 劍

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠)

1 裝置概況

阿姆河第一天然氣處理廠坐落于土庫曼斯坦列巴普州巴格德雷阿姆河右岸，占地面積71.32×104m2。處理廠設(shè)有4套天然氣凈化裝置：包括脫硫脫碳、脫水、脫烴、硫磺回收工藝單元，同時設(shè)有鍋爐房、循環(huán)水系統(tǒng)、空氮站等輔助及公用工程設(shè)施。裝置經(jīng)過2013年技改擴(kuò)能后，原料天然氣處理能力由投產(chǎn)初期55×108m3/a提升至現(xiàn)在65×108m3/a。該處理廠脫烴單元為丙烷脫烴工藝，其裝置主要分為丙烷撬塊制冷和低溫分離兩大部分。脫烴裝置自2009年投產(chǎn)運(yùn)行以來總體運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，沒有出現(xiàn)過產(chǎn)品氣烴含量超標(biāo)的情況[1]。即便處理廠地處沙漠腹地，夏天環(huán)境氣溫達(dá)50 ℃、冬季-15 ℃，單列裝置原料氣處理量最高達(dá)到490×104m3/d的情況下，處理廠產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足長輸管線要求。

2 丙烷特點(diǎn)及丙烷制冷脫烴的基本原理

2.1 丙烷特點(diǎn)

丙烷化學(xué)式為C3H8，在常溫常壓下為氣態(tài)，經(jīng)壓縮后可變?yōu)橐簯B(tài)[2]，一般經(jīng)過壓縮成液態(tài)后運(yùn)輸。氣態(tài)丙烷比空氣重(大約是空氣的1.5倍左右)，自然狀態(tài)下丙烷會下落并積聚在地表附近[3]。常壓下液態(tài)丙烷會很快變?yōu)檎羝⑶矣捎诳諝庵兴哪Y(jié)而顯白色。丙烷飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而增大，利用該特點(diǎn)可以使用丙烷作為制冷劑對天然氣進(jìn)行降溫處理[4]。

表1 丙烷飽和蒸汽壓與溫度對照表

2.2 丙烷制冷脫烴原理

2.2.1丙烷制冷

丙烷制冷屬于相變制冷，是利用液態(tài)丙烷蒸發(fā)時的吸熱效應(yīng)，不斷從被冷卻天然氣中取出熱量，從而達(dá)到制冷的目的[3]。丙烷制冷系統(tǒng)主要有壓縮、冷凝、過冷、蒸發(fā)4個基本過程，見圖1。

(1) 壓縮——壓縮機(jī)對丙烷做功(壓縮)，提高丙烷的壓力和溫度；

(2) 冷凝——通過丙烷冷凝器將壓縮后的氣態(tài)丙烷冷凝成液態(tài)丙烷，進(jìn)入丙烷儲罐；

(3) 過冷——從丙烷儲罐出來的液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機(jī)的補(bǔ)充氣入口，液體則進(jìn)一步節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。

(4) 蒸發(fā)——低溫液態(tài)丙烷在丙烷蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從干凈化氣中吸熱，干凈化氣被冷卻。丙烷蒸氣經(jīng)氣液分離后進(jìn)入壓縮機(jī)一級吸入口，進(jìn)入下一個壓縮制冷循環(huán)。

2.2.2低溫分離

3 裝置工藝流程及主要控制參數(shù)

3.1 工藝流程

3.1.1天然氣脫烴工藝流程

為了有效利用能量，自脫硫脫碳裝置的濕凈化氣經(jīng)繞管換熱器與產(chǎn)品干氣換熱后，溫度從40.5 ℃降至30 ℃左右，進(jìn)入濕凈化氣分離器進(jìn)行氣液分離。分離出的天然氣送至脫水裝置，作為該裝置的進(jìn)料天然氣。分離出的含油污水去脫硫脫碳裝置。

3.1.2丙烷壓縮機(jī)工藝流程

液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收熱量后變?yōu)楸檎羝?，同時使進(jìn)料天然氣溫度降至-16 ℃。丙烷氣體分離出挾帶的液體后進(jìn)入丙烷壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后丙烷氣體表壓從0.16 MPa升至1.2 MPa，溫度從-20 ℃升至65 ℃。壓縮后丙烷氣體經(jīng)丙烷冷凝器全部冷凝為液體。丙烷液體進(jìn)入丙烷儲罐，再經(jīng)節(jié)流閥降壓至0.5 MPa后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機(jī)的補(bǔ)充氣入口，液體則進(jìn)一步節(jié)流降壓至0.16 MPa后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收被冷介質(zhì)的熱量，蒸發(fā)為丙烷蒸汽，從而完成整個制冷過程循環(huán)。

3.2 主要工藝參數(shù)和控制參數(shù)

3.2.1主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

脫烴單元的原料主要為來自脫水裝置的干凈化氣，其主要參數(shù)如下：

干凈化氣流量： 395.31×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa)

溫度：32 ℃

表壓：5.63 MPa

表2 脫烴裝置原料氣組成

表3 脫烴裝置產(chǎn)品氣組成

產(chǎn)品氣流量： 394.3×104m3/d

溫度：35.5 ℃

表壓：5.56 MPa

烴露點(diǎn)：-15.5 ℃(在5.56 MPa下)

3.2.2主要控制參數(shù)

脫烴單元主要包括原料天然氣預(yù)冷卻及丙烷致冷、氣液烴分離兩部分。控制的主要參數(shù)是壓縮機(jī)撬的過程參數(shù)，通過控制蒸發(fā)器內(nèi)丙烷壓力，利用丙烷在不同飽和蒸汽壓下的溫度來實(shí)現(xiàn)溫度控制，達(dá)到脫烴的目的。同時需要嚴(yán)格控制干氣聚結(jié)器和濕凈化氣中分離出來的液烴液位，防止竄壓情況發(fā)生。

表4 脫烴裝置主要控制參數(shù)

4 裝置運(yùn)行性能評價(jià)

阿姆河第一天然氣處理廠脫烴裝置自2009年12月投產(chǎn)運(yùn)行以來，從未出現(xiàn)過一例產(chǎn)品氣烴含量超標(biāo)的情況，總體運(yùn)行安全、平穩(wěn)、可靠。該單元丙烷撬塊采用螺桿式壓縮機(jī)，該撬塊相對于膨脹透平等制冷設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)較簡單，故障率低，有利于沙漠等惡劣環(huán)境長時間平穩(wěn)運(yùn)行。同時該壓縮機(jī)組控制點(diǎn)少，自動化程度高，啟停、日常操作簡單，非常有利于裝置在異常情況下快速復(fù)產(chǎn)。

該裝置的低溫產(chǎn)品氣與脫硫脫碳裝置來的濕凈化天然氣進(jìn)行換熱，不僅充分回收利用了裝置冷量，而且由于降低了濕凈化氣溫度，經(jīng)分離后可除去氣體中所含的大量飽和水，從而使脫水單元的脫水負(fù)荷減少40%左右，可節(jié)約脫水裝置建設(shè)投資和減少操作費(fèi)用。該裝置預(yù)冷采用先進(jìn)高效的繞管式換熱器換熱，大大提高了本裝置的冷量回收，減少了丙烷壓縮致冷系統(tǒng)的負(fù)荷。

同時，氣液烴分離采用了低溫分離器與聚結(jié)器兩級分離，且低溫分離器中使用了高效分離內(nèi)構(gòu)件，可使液烴與干氣充分分離，確保天然氣烴露點(diǎn)合格。

2009年裝置建成投產(chǎn)后單列裝置450×104m3/d運(yùn)行測試各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。2012年8月在現(xiàn)場環(huán)境溫度達(dá)到50 ℃的情況下分別對單列裝置和全廠全裝置高負(fù)荷測試。測試期間單套裝置原料氣最高處理量達(dá)到500×104m3/d，出口天然氣溫度均能控制在(-18±1) ℃范圍內(nèi)。各項(xiàng)工藝參數(shù)以及丙烷壓縮機(jī)撬各性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表5 處理量及制冷效果

表6 處理量及產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)(在表壓5.56 MPa下)

5 存在問題及建議

雖然該裝置4年來運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，但經(jīng)過幾年的生產(chǎn)實(shí)際，現(xiàn)場總結(jié)還存在以下問題：

(1) 丙烷壓縮機(jī)組運(yùn)行所需丙烷純度高(R290)，資源國及周邊國家該產(chǎn)品純度達(dá)不到要求，只能從哈薩克斯坦或者中國等其他國家遠(yuǎn)距離采購，增加了運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)。建議采購丙烷時選擇優(yōu)質(zhì)可靠的丙烷供應(yīng)商，確保運(yùn)輸安全。

(2) 當(dāng)機(jī)組需要檢修時，設(shè)計(jì)考慮的是可以利用丙烷機(jī)組與丙烷儲罐間的壓力差來回收壓縮機(jī)組內(nèi)的丙烷。但在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于丙烷蒸汽壓和溫度相對應(yīng)，冬季機(jī)組壓力比丙烷罐壓力高，可以實(shí)現(xiàn)回收丙烷，但在夏季環(huán)境溫度高達(dá)50 ℃時，丙烷儲罐的壓力可達(dá)到1.6 MPa，遠(yuǎn)比壓縮機(jī)組1.1 MPa壓力高。為此，夏天機(jī)組檢修時無法實(shí)現(xiàn)利用壓力差將機(jī)組內(nèi)的丙烷壓回至儲罐，此時機(jī)組需要檢修就只能損失機(jī)組內(nèi)約3.5 t丙烷，將其泄放至放空系統(tǒng)。

建議丙烷儲罐日常儲備一定數(shù)量的丙烷，根據(jù)需要隨時通過丙烷泵向壓縮機(jī)組補(bǔ)充丙烷，同時做好丙烷罐的遮陽設(shè)施。目前阿姆河第一天然氣處理廠日常儲存有約50 m3丙烷備用。且正在丙烷儲罐上方建設(shè)遮陽棚，防止夏季陽光直射丙烷儲罐。

6 結(jié) 語

阿姆河第一天然氣處理廠丙烷制冷工藝自2009年裝置投產(chǎn)運(yùn)行以來運(yùn)行非常平穩(wěn)、可靠，適合脫除天然氣中烴組分以滿足長輸管道要求。4年來均未進(jìn)行過停產(chǎn)檢維修。具有操作簡單、維護(hù)方便、制冷速度快、復(fù)產(chǎn)迅速、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。在高負(fù)荷運(yùn)行條件下，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)仍有一定富裕，表明丙烷制冷工藝在含硫天然氣脫烴領(lǐng)域具有可靠的適應(yīng)性，可為同類型天然氣脫烴的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行等提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王劍， 喻澤漢， 羅斌，等.阿姆河第一天然氣處理廠投產(chǎn)運(yùn)行評價(jià)[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(增刊1):18-21.

[2] 尹代益.天然氣化學(xué)[M].四川:成都科技大學(xué)出版社,1993.

[3] 李國誠,諸林.油氣田輕烴回收技術(shù)[M].四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[4] 諸林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995.

[5] 朱利凱.天然氣處理及加工[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997.

[6] 李明,魏志強(qiáng),張磊,等.一種特殊氣質(zhì)分子篩脫水方案設(shè)計(jì)[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(2):141-145.