羅 琴 畢海勝

(1. 中石化石油工程設計有限公司數(shù)字化工程設計所；2. 青島科技大學機電工程學院)

丙烷制冷在大牛地氣田脫水脫烴站中的應用

羅 琴*1畢海勝2

(1. 中石化石油工程設計有限公司數(shù)字化工程設計所；2. 青島科技大學機電工程學院)

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計，對同類型氣田脫水脫烴工藝具有很好的借鑒意義。

壓縮機 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首站1、2#壓縮機振動值隨氣量的提升出現(xiàn)增大現(xiàn)象，11月29日1#壓縮機振動超標停機，2#壓縮機出現(xiàn)振動高值報警。經(jīng)檢查確定壓縮機振動值偏高的原因為天然氣中可能含有凝析水和雜質(zhì)，導致壓縮機葉輪和流道結垢，造成了壓縮機內(nèi)部氣路堵塞且破壞了壓縮機轉子的動平衡，致使運行工況點靠近防喘振控制線。榆濟首站壓縮機出現(xiàn)振動值超標，造成壓縮機壓縮能力無法滿足冬季生產(chǎn)的需要，對華北管網(wǎng)安全平穩(wěn)供氣造成較大風險。

塔榆管道在塔榆末站與榆濟管道交接，交接點壓力為4.0MPa，大牛地氣田來氣在塔榆管道末站進站，但是在此交接壓力下，來氣的水露點為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℃水露點的外輸要求[1]，特別在冬季實際運行時，更會增大下游管線冰堵的風險。按照大牛地氣田開發(fā)規(guī)模，結合塔榆管道輸氣站場建設和運行現(xiàn)狀，設計在原塔榆增壓站東側新建一座脫水脫烴站對天然氣進行處理。

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和烴露點，滿足下游用戶對水露點和烴露點的要求。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，化學性質(zhì)穩(wěn)定，是一種無色氣體，凝固點低，與水不發(fā)生反應，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氣，通過低溫分離裝置降低天然氣的水露點和烴露點，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備，能夠把天然氣冷卻至-25℃，甚至更低，以實現(xiàn)天然氣低溫脫水脫烴的目的。

丙烷制冷系統(tǒng)是一個壓縮膨脹的循環(huán)過程，目的是通過降低天然氣溫度，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)過程如圖2所示。

圖2 丙烷制冷循環(huán)過程

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股流換熱器來的天然氣(-18℃，2.0～4.5MPa)、吸收油提升泵來的輕油(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)器來的氣態(tài)丙烷(-30℃，70kPa)經(jīng)吸氣緩沖罐分離后，進入壓縮機增壓后溫度升高(70℃左右，1 120kPa)，壓縮后的氣態(tài)丙烷進入油分離器，將攜帶的潤滑油分離后進入蒸發(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罐。再流向丙烷系統(tǒng)儲罐，丙烷液體經(jīng)過經(jīng)濟器流向蒸發(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)壓縮后進入下一個循環(huán)。

2.2.3潤滑油循環(huán)系統(tǒng)

丙烷壓縮機采用螺桿壓縮機，由于螺桿壓縮機內(nèi)部的各個部件在工作時相互摩擦，為了保證壓縮機能夠長時間安全可靠的運行，需要注入一定量的潤滑油對各工作部件進行潤滑。初次啟動壓縮機前，將潤滑油加入油分離器中，壓縮機正常工作后，油分離器中的潤滑油流向油冷卻器，與液體丙烷進行換熱，降低自身溫度經(jīng)油過濾器后進入壓縮機，當丙烷氣體被壓縮后，攜帶潤滑油共同進入油分離器，進入下一個循環(huán)。

2.3 丙烷制冷系統(tǒng)主要設備及作用

丙烷制冷系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器橇塊、吸氣緩沖罐、壓縮機橇塊、輔機橇塊和蒸發(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)過吸氣緩沖罐分離后回到壓縮機進口，繼續(xù)進行丙烷循環(huán)。

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

c. 壓縮機橇塊。壓縮機選用螺桿式壓縮機[5]，屬于容積式壓縮機，通過工作容積的逐漸減少來達到氣體壓縮的目的。壓縮機的吸氣量由處于吸氣端的滑閥控制，當滑閥的開度大時，吸氣量就大，反之就小?；y的開度可以自動調(diào)節(jié)，也可手動調(diào)節(jié)。壓縮機橇塊包括螺桿壓縮機、主電機、油分離器、油冷卻器、油過濾器。壓縮機在丙烷制冷系統(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，使該壓力對應的丙烷飽和溫度高于冷卻介質(zhì)的溫度；為整個系統(tǒng)的持續(xù)循環(huán)提供動力。

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。在實際運行過程中蒸發(fā)式冷凝器的換熱功率還直接控制著丙烷壓縮機的排氣壓力，對丙烷制冷系統(tǒng)的正常運行有著重要的影響[9，10]。

e. 輔機橇塊。輔機橇塊包括熱虹吸儲罐、經(jīng)濟器等。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小于液體丙烷的密度，這就為液體丙烷的持續(xù)流動制冷提供了動力[11]。熱虹吸儲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設備布置

蒸發(fā)器撬塊與輔機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，導致下次開機時液位過低報警，無法開機。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，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降低有用的冷凝面積，會使排氣壓力間接升高，嚴重影響機組運行的效率，壓縮機布置在廠房地面上，基礎高出地面200mm。丙烷制冷系統(tǒng)設備布置圖如圖3所示。

圖3 丙烷制冷系統(tǒng)設備布置圖

2.4.2配管設計

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

a. 從蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線(圖4)，由3臺蒸發(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，避免下次開機時對壓縮機造成液擊。

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

c. 供液總管到熱虹吸儲罐管線(圖6)，由供液總管坡向熱虹吸儲罐，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回氣總管回到熱虹吸儲罐中。

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

e. 平衡管路是加在熱虹吸儲罐與蒸發(fā)式冷凝器進口管線之間的管路(圖8)，它主要是保持儲罐內(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入儲罐，維持系統(tǒng)的恒定性。

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

g. 螺桿壓縮機進口管線、出口管線，經(jīng)過一次應力和二次應力計算分析，確定管線走向和支撐設計形式(圖10)。

圖4 蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線配管安裝

圖5 壓縮機入口管線配管安裝

圖6 供液總管到熱虹吸儲罐管線配管安裝

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)應力分析模型

3 結論

3.1大牛地脫水脫烴站采用丙烷制冷進行天然氣處理，滿足脫水脫烴要求，集中控制外輸天然氣質(zhì)量，同時實現(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，整套設備結構緊湊，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計特殊要求，同時運用應力建模分析，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。山東省東營市，257000。

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0254-6094(2016)04-0526-04

2015-09-16，

2015-10-21)