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        丙烷制冷在大牛地氣田脫水脫烴站中的應(yīng)用

        2016-12-25 02:04:41畢海勝
        化工機(jī)械 2016年4期
        關(guān)鍵詞:配管丙烷制冷系統(tǒng)

        羅 琴 畢海勝

        (1. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司數(shù)字化工程設(shè)計(jì)所;2. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

        丙烷制冷在大牛地氣田脫水脫烴站中的應(yīng)用

        羅 琴*1畢海勝2

        (1. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司數(shù)字化工程設(shè)計(jì)所;2. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

        主要闡述了丙烷制冷系統(tǒng)的工藝原理、工藝流程和丙烷制冷系統(tǒng)內(nèi)各橇塊中主要設(shè)備及其作用,并介紹了丙烷制冷系統(tǒng)在大牛地氣田脫水脫烴中的配管安裝設(shè)計(jì),對(duì)同類型氣田脫水脫烴工藝具有很好的借鑒意義。

        壓縮機(jī) 低溫分離 丙烷制冷系統(tǒng) 脫水脫烴

        2012年11月,中石化天然氣分公司榆濟(jì)首站1、2#壓縮機(jī)振動(dòng)值隨氣量的提升出現(xiàn)增大現(xiàn)象,11月29日1#壓縮機(jī)振動(dòng)超標(biāo)停機(jī),2#壓縮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)高值報(bào)警。經(jīng)檢查確定壓縮機(jī)振動(dòng)值偏高的原因?yàn)樘烊粴庵锌赡芎心鏊碗s質(zhì),導(dǎo)致壓縮機(jī)葉輪和流道結(jié)垢,造成了壓縮機(jī)內(nèi)部氣路堵塞且破壞了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡,致使運(yùn)行工況點(diǎn)靠近防喘振控制線。榆濟(jì)首站壓縮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo),造成壓縮機(jī)壓縮能力無(wú)法滿足冬季生產(chǎn)的需要,對(duì)華北管網(wǎng)安全平穩(wěn)供氣造成較大風(fēng)險(xiǎn)。

        塔榆管道在塔榆末站與榆濟(jì)管道交接,交接點(diǎn)壓力為4.0MPa,大牛地氣田來(lái)氣在塔榆管道末站進(jìn)站,但是在此交接壓力下,來(lái)氣的水露點(diǎn)為2~7℃,根據(jù)最新規(guī)范的規(guī)定,已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品天然氣-12℃水露點(diǎn)的外輸要求[1],特別在冬季實(shí)際運(yùn)行時(shí),更會(huì)增大下游管線冰堵的風(fēng)險(xiǎn)。按照大牛地氣田開發(fā)規(guī)模,結(jié)合塔榆管道輸氣站場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)在原塔榆增壓站東側(cè)新建一座脫水脫烴站對(duì)天然氣進(jìn)行處理。

        新建脫水脫烴站[2]采用低溫分離兼輕油吸收工藝,降低天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn),滿足下游用戶對(duì)水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的要求。采用丙烷制冷方式,將天然氣冷卻至-25℃,滿足脫水脫烴的要求。丙烷作為制冷劑,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,是一種無(wú)色氣體,凝固點(diǎn)低,與水不發(fā)生反應(yīng),與油完全相溶,制冷溫度適合在-40~-35℃之間,滿足低溫分離的要求。

        1 脫水脫烴站工藝流程

        脫水脫烴站主要功能是接收增壓站來(lái)氣,通過(guò)低溫分離裝置降低天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn),處理后的干燥天然氣再回增壓站增壓外輸,冷凝分離出的凝液進(jìn)行分餾處理,回收輕烴。主要流程框圖如圖1所示。

        圖1 脫水脫烴流程框圖

        2 丙烷制冷工藝系統(tǒng)

        2.1 丙烷制冷工藝原理

        丙烷制冷系統(tǒng)為天然氣低溫分離和輕油吸收裝置提供所需冷量,丙烷制冷裝置是為低溫分離裝置提供冷量的核心設(shè)備,能夠把天然氣冷卻至-25℃,甚至更低,以實(shí)現(xiàn)天然氣低溫脫水脫烴的目的。

        丙烷制冷系統(tǒng)是一個(gè)壓縮膨脹的循環(huán)過(guò)程,目的是通過(guò)降低天然氣溫度,脫除天然氣中的水和部分烴類物質(zhì)[3,4]。丙烷制冷循環(huán)過(guò)程如圖2所示。

        圖2 丙烷制冷循環(huán)過(guò)程

        2.2 丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程

        丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程概括為:天然氣和輕油冷卻系統(tǒng)、丙烷循環(huán)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)。

        2.2.1天然氣和輕油冷卻系統(tǒng)

        3股流換熱器來(lái)的天然氣(-18℃,2.0~4.5MPa)、吸收油提升泵來(lái)的輕油(40℃,2.0~4.5MPa)與蒸發(fā)器內(nèi)的低溫丙烷液交換熱量,將天然氣與輕油冷卻至-25℃,然后進(jìn)入低溫吸收塔分離。

        2.2.2丙烷循環(huán)系統(tǒng)

        液態(tài)的丙烷在蒸發(fā)器內(nèi)和天然氣進(jìn)行熱量的交換,液態(tài)丙烷吸收天然氣熱量變?yōu)闅鈶B(tài)丙烷。蒸發(fā)器來(lái)的氣態(tài)丙烷(-30℃,70kPa)經(jīng)吸氣緩沖罐分離后,進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后溫度升高(70℃左右,1 120kPa),壓縮后的氣態(tài)丙烷進(jìn)入油分離器,將攜帶的潤(rùn)滑油分離后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器,經(jīng)水冷冷卻后溫度降低,氣態(tài)丙烷變?yōu)橐簯B(tài)丙烷(32℃,1 120kPa)流向蒸發(fā)式冷凝器下方的熱虹吸儲(chǔ)罐。再流向丙烷系統(tǒng)儲(chǔ)罐,丙烷液體經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)器流向蒸發(fā)器底部,丙烷液體在蒸發(fā)器入口處節(jié)流后壓力迅速降低,溫度降至-30℃左右。低溫丙烷液體與高溫天然氣換熱后成為低壓丙烷蒸汽,經(jīng)壓縮后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

        2.2.3潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)

        丙烷壓縮機(jī)采用螺桿壓縮機(jī),由于螺桿壓縮機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件在工作時(shí)相互摩擦,為了保證壓縮機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間安全可靠的運(yùn)行,需要注入一定量的潤(rùn)滑油對(duì)各工作部件進(jìn)行潤(rùn)滑。初次啟動(dòng)壓縮機(jī)前,將潤(rùn)滑油加入油分離器中,壓縮機(jī)正常工作后,油分離器中的潤(rùn)滑油流向油冷卻器,與液體丙烷進(jìn)行換熱,降低自身溫度經(jīng)油過(guò)濾器后進(jìn)入壓縮機(jī),當(dāng)丙烷氣體被壓縮后,攜帶潤(rùn)滑油共同進(jìn)入油分離器,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

        2.3 丙烷制冷系統(tǒng)主要設(shè)備及作用

        丙烷制冷系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器橇塊、吸氣緩沖罐、壓縮機(jī)橇塊、輔機(jī)橇塊和蒸發(fā)式冷凝器:

        a. 蒸發(fā)器橇塊。蒸發(fā)器是丙烷與天然氣、輕油換熱的場(chǎng)所,液體低溫丙烷與天然氣、輕油充分交換熱量,使天然氣、輕油均冷卻至-25℃,吸熱后的液體丙烷變成丙烷蒸汽經(jīng)過(guò)吸氣緩沖罐分離后回到壓縮機(jī)進(jìn)口,繼續(xù)進(jìn)行丙烷循環(huán)。

        b. 吸氣緩沖罐。吸氣緩沖罐接收蒸發(fā)器來(lái)的丙烷氣體,用緩沖罐自帶的電加熱器對(duì)其加熱,防止進(jìn)入壓縮機(jī)的丙烷流失量增大。

        c. 壓縮機(jī)橇塊。壓縮機(jī)選用螺桿式壓縮機(jī)[5],屬于容積式壓縮機(jī),通過(guò)工作容積的逐漸減少來(lái)達(dá)到氣體壓縮的目的。壓縮機(jī)的吸氣量由處于吸氣端的滑閥控制,當(dāng)滑閥的開度大時(shí),吸氣量就大,反之就小?;y的開度可以自動(dòng)調(diào)節(jié),也可手動(dòng)調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)橇塊包括螺桿壓縮機(jī)、主電機(jī)、油分離器、油冷卻器、油過(guò)濾器。壓縮機(jī)在丙烷制冷系統(tǒng)中的主要功能有[6]:可以提高單位丙烷蒸汽的含熱量,創(chuàng)造可操作的冷凝條件;可以提高制冷丙烷蒸汽的壓力,使該壓力對(duì)應(yīng)的丙烷飽和溫度高于冷卻介質(zhì)的溫度;為整個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)循環(huán)提供動(dòng)力。

        d. 蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器是一種將水冷與空冷、傳質(zhì)與傳熱融為一體的新型高效冷凝冷卻設(shè)備[7,8]。它在丙烷制冷系統(tǒng)中的主要作用是吸收高溫高壓氣態(tài)丙烷的熱量,將它冷凝為同等壓力下的飽和液態(tài)丙烷。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中蒸發(fā)式冷凝器的換熱功率還直接控制著丙烷壓縮機(jī)的排氣壓力,對(duì)丙烷制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的影響[9,10]。

        e. 輔機(jī)橇塊。輔機(jī)橇塊包括熱虹吸儲(chǔ)罐、經(jīng)濟(jì)器等。虹吸是利用液面高度差的作用力現(xiàn)象,在本循環(huán)系統(tǒng)中,由于油冷卻器的液體被氣化,并且和熱虹吸儲(chǔ)罐連通,使得低處和高處形成壓差,且換熱后蒸汽混合物密度遠(yuǎn)小于液體丙烷的密度,這就為液體丙烷的持續(xù)流動(dòng)制冷提供了動(dòng)力[11]。熱虹吸儲(chǔ)罐中的丙烷蒸汽再返回蒸發(fā)式冷凝器中冷卻。

        2.4 丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝

        2.4.1設(shè)備布置

        蒸發(fā)器撬塊與輔機(jī)撬塊布置在低溫分離單元框架地面上,且處于同一水平高度。目的是為了防止蒸發(fā)器內(nèi)的液位倒流,導(dǎo)致下次開機(jī)時(shí)液位過(guò)低報(bào)警,無(wú)法開機(jī)。緩沖罐布置在低溫分離單元框架地面上,為防止增加丙烷流失量,將緩沖罐放在盡量靠近壓縮機(jī)的位置。蒸發(fā)式冷凝器布置在低溫分離單元框架二層平臺(tái),它的出液口與排液總管高度差為2m。目的是為了抵消制冷劑在蒸發(fā)式冷凝器盤管中的壓降,若不消除此壓降就會(huì)降低有用的冷凝面積,會(huì)使排氣壓力間接升高,嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的效率,壓縮機(jī)布置在廠房地面上,基礎(chǔ)高出地面200mm。丙烷制冷系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖3所示。

        圖3 丙烷制冷系統(tǒng)設(shè)備布置圖

        2.4.2配管設(shè)計(jì)

        管道安裝時(shí)按照P&ID要求,進(jìn)行安裝[12]。大牛地脫水脫烴站丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝時(shí),需要進(jìn)行以下管道的優(yōu)化設(shè)計(jì):

        a. 從蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線(圖4),由3臺(tái)蒸發(fā)器匯入總管后坡向吸氣緩沖罐(2%坡度),防止液體聚集在管道中,避免下次開機(jī)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)造成液擊。

        b. 吸氣緩沖罐到壓縮機(jī)入口管線,為避免液體進(jìn)入壓縮機(jī),管線由壓縮機(jī)坡向吸氣緩沖罐。但根據(jù)實(shí)際配管情況,壓縮機(jī)配管情況如圖5所示。

        c. 供液總管到熱虹吸儲(chǔ)罐管線(圖6),由供液總管坡向熱虹吸儲(chǔ)罐,并且該供液總管要接入回氣總管上,作用是為了使供液總管中產(chǎn)生的氣泡能順利通過(guò)回氣總管回到熱虹吸儲(chǔ)罐中。

        d. 壓縮機(jī)出口至蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口管線(圖7),由壓縮機(jī)坡向蒸發(fā)式冷凝器。目的是避免液體流回到壓縮機(jī)橇塊中的油分離器,對(duì)油分的濾芯造成影響。但根據(jù)實(shí)際配管情況,壓縮機(jī)比蒸發(fā)式冷凝器安裝高度低,故無(wú)法達(dá)到該要求,與廠家溝通后將進(jìn)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口水平主管抬高,保證進(jìn)口分支管線低進(jìn)。

        e. 平衡管路是加在熱虹吸儲(chǔ)罐與蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口管線之間的管路(圖8),它主要是保持儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定,壓力穩(wěn)定才能保證冷凝器的液體可自由的進(jìn)入儲(chǔ)罐,維持系統(tǒng)的恒定性。

        f. 蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)、出口管道,采用對(duì)稱布置方式(圖9)。冷凝器出口進(jìn)熱虹吸儲(chǔ)罐管路要求有一定的液包高度(300mm),同時(shí)管線上設(shè)置2%坡度,為保證冷凝器進(jìn)熱虹吸儲(chǔ)罐管路上充滿丙烷液,不會(huì)存在氣態(tài)丙烷。

        g. 螺桿壓縮機(jī)進(jìn)口管線、出口管線,經(jīng)過(guò)一次應(yīng)力和二次應(yīng)力計(jì)算分析,確定管線走向和支撐設(shè)計(jì)形式(圖10)。

        圖4 蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線配管安裝

        圖5 壓縮機(jī)入口管線配管安裝

        圖6 供液總管到熱虹吸儲(chǔ)罐管線配管安裝

        圖7 蒸發(fā)式冷凝器入口管線配管安裝

        圖8 平衡管路配管安裝

        圖9 蒸發(fā)式冷凝器出口管線配管安裝

        圖10 丙烷制冷系統(tǒng)應(yīng)力分析模型

        3 結(jié)論

        3.1大牛地脫水脫烴站采用丙烷制冷進(jìn)行天然氣處理,滿足脫水脫烴要求,集中控制外輸天然氣質(zhì)量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕烴回收。

        3.2丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)溫度易于控制,整套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定高效,操作方便靈活。

        3.3丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝不僅滿足了配管設(shè)計(jì)特殊要求,同時(shí)運(yùn)用應(yīng)力建模分析,合理優(yōu)化了管道走向和支撐形式。

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        *羅 琴,女,1986年4月生,工程師。山東省東營(yíng)市,257000。

        TQ051.21

        B

        0254-6094(2016)04-0526-04

        2015-09-16,

        2015-10-21)

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