劉剛(大慶油田天然氣開發(fā)部，黑龍江 大慶 163000)

紅壓深冷裝置優(yōu)化運(yùn)行分析

劉剛(大慶油田天然氣開發(fā)部，黑龍江 大慶 163000)

根據(jù)紅壓深冷裝置運(yùn)行現(xiàn)狀，分析存在問題，提出優(yōu)化方案，實現(xiàn)機(jī)組整體制冷能力增加、能耗降低、輕烴收率增加的目標(biāo)。通過對比優(yōu)化前、后裝置制冷量、能耗、收率等關(guān)鍵參數(shù)，確定最佳操作點(diǎn)，將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，取得增產(chǎn)、降耗的效果。

制冷;優(yōu)化;丙烷機(jī);膨脹機(jī);能耗;收率

1 紅壓深冷裝置運(yùn)行現(xiàn)狀

紅壓深冷裝置采用單級膨脹+丙烷輔助制冷工藝，日處理天然氣為90萬立方米。裝置原料氣經(jīng)離心壓縮機(jī)增壓后，一路由冷箱換熱，一路經(jīng)丙烷機(jī)換熱獲取冷量，兩路氣體匯合后進(jìn)入膨脹機(jī)入口或經(jīng)J-T旁通閥直接進(jìn)入塔頂，冷凝產(chǎn)生輕烴。在目前工況下，深冷裝置來氣二氧化碳含量高（3.5%），在操作壓力下（膨脹機(jī)入口4.10MPa，塔壓0.9MPa），膨脹機(jī)通氣量達(dá)到27000m3/h時，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到26500rpm，出口溫度降至-92.5℃，膨脹機(jī)發(fā)生凍堵，為防止凍堵，多余氣量走J-T旁通閥，直接進(jìn)入塔頂，降低了制冷負(fù)溫；為保證塔頂制冷溫度，只能提高丙烷機(jī)負(fù)荷，使脫甲烷塔塔頂溫度保持在-83～-85℃。

2 運(yùn)行中存在問題分析[1]

2.1 膨脹機(jī)制冷負(fù)荷小

為防止機(jī)組凍堵，多余氣量只能走J-T旁通閥，旁通閥開度保持在45%左右，約10000m3/h天然氣未經(jīng)過制冷直接進(jìn)入塔頂，降低裝置制冷負(fù)溫，影響裝置產(chǎn)烴（圖1）。

2.2 膨脹機(jī)易凍堵

當(dāng)氣量波動時，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速升高，易發(fā)生凍堵，凍堵發(fā)生后員工需立刻降低膨脹機(jī)負(fù)荷，升溫化凍，同時噴注甲醇。

2.3 丙烷機(jī)負(fù)荷大

為保證塔頂制冷溫度，丙烷機(jī)長期在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，平均電流在38A左右（高報40A），能耗偏高。

2.4 丙烷機(jī)電機(jī)線圈溫度高

電流大導(dǎo)致電機(jī)線圈溫度高，在臨界報警溫度下運(yùn)行，尤其在夏季環(huán)境溫度高時，溫度可達(dá)82℃（停機(jī)值85℃），為保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，需減少裝置入口氣量，不僅增加員工勞動強(qiáng)度，而且影響裝置產(chǎn)烴和平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 紅壓深冷裝置工藝示意圖

3 優(yōu)化運(yùn)行方案

3.1 優(yōu)化原理

根據(jù)膨脹機(jī)做功原理，通過調(diào)節(jié)J-T旁通閥，來降低膨脹機(jī)入口壓力，減小膨脹機(jī)的的膨脹比，降低膨脹機(jī)出口負(fù)溫；然后增大膨脹機(jī)入口導(dǎo)向葉片開度，提高膨脹機(jī)通氣量，最大限度利用氣體自身內(nèi)能獲取冷量，直到膨脹機(jī)出口溫度達(dá)到臨界值，當(dāng)膨脹機(jī)導(dǎo)向葉片全開或機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值后，仍不能滿足制冷需要，通過增加丙烷機(jī)負(fù)荷來提供額外冷量。

3.2 優(yōu)化步驟

（1）根據(jù)C02凝析曲線及裝置塔頂壓力核算膨脹機(jī)出口臨界溫度；

（2）丙烷機(jī)空載，調(diào)整膨脹機(jī)入口壓力到設(shè)定值；

（3）慢慢增加膨脹機(jī)入口導(dǎo)流葉片開度，直到膨脹機(jī)出口溫度達(dá)到臨界值，當(dāng)膨脹機(jī)導(dǎo)向葉片全開或機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值后，仍不能滿足制冷需要，通過增加丙烷機(jī)負(fù)荷來提供額外冷量；

（4）在上述工況下運(yùn)行48小時，記錄相關(guān)參數(shù)；

（5）調(diào)整設(shè)定參數(shù)，開始新一組實驗，一個壓力梯度為0.05MPa。

表1 優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)表

4 生產(chǎn)優(yōu)化結(jié)果

在膨脹機(jī)入口壓力較高時，膨脹機(jī)通氣量小，做功不足，丙烷機(jī)負(fù)荷大，塔頂溫度偏高；入口壓力過低時，膨脹機(jī)通氣量大，但制冷量小，需增加丙烷機(jī)負(fù)荷來保證塔頂溫度；當(dāng)入口壓力控制在3.90~3.95之間時，膨脹機(jī)制冷量較大，丙烷機(jī)負(fù)荷小，裝置輕烴收率較大，因此確定制冷單元操作點(diǎn)為膨脹機(jī)入口壓力3.95 MPa，出口溫度-92℃，與裝置優(yōu)化前工況（4.10 MPa，-92℃）進(jìn)行比較。

圖2 丙烷機(jī)電流及裝置收率隨試驗壓力變化趨勢圖

4.1 制冷量對比[2]

應(yīng)用天然氣臨界參數(shù)經(jīng)驗公式、查閱氣體通用焓熵圖和天然氣熱力學(xué)性質(zhì)可計算優(yōu)化前后丙烷機(jī)、膨脹機(jī)及制冷機(jī)組整體的制冷量。

圖3 氣體通用焓熵圖圖

4.2 耗電量對比

由數(shù)據(jù)看出，優(yōu)化后丙烷機(jī)負(fù)荷降低，丙烷機(jī)組耗電量大幅下降；同時由于膨脹機(jī)入口壓力降低，壓縮機(jī)出口背壓減小，壓縮比下降，壓縮機(jī)耗電量也有所減小。其中丙烷機(jī)單耗由94.3kwh/104m3下降到78.7kwh/104m3，壓縮機(jī)單耗由1060kwh/ 104m3下降到1010kwh/104m3，裝置綜合能耗由17.61千克標(biāo)煤/噸產(chǎn)品下降到16.72千克標(biāo)煤/噸產(chǎn)品。

表2 耗電對比表

4.3 輕烴收率

優(yōu)化后，裝置制冷深度由-83.6℃降至-87.0℃，輕烴收率可穩(wěn)定在1.41~1.43之間，較優(yōu)化前的1.40有小幅提升。

4.4 參數(shù)調(diào)整

優(yōu)化后，機(jī)組整體制冷能力增加，丙烷機(jī)及壓縮機(jī)能耗降低，裝置制冷深度增加，輕烴收率增加，優(yōu)化操作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。裝置點(diǎn)調(diào)整為：膨脹機(jī)入口壓力3.95MPa，塔頂溫度-87℃。

5 結(jié)語

自2014年4月份開始，將紅壓深冷優(yōu)化成果應(yīng)用在實際生產(chǎn)中，取得了良好效果。

（1）兩套制冷機(jī)組整體制冷能力增加，提高了裝置制冷深度，塔頂溫度由-83.6℃降至-86.5℃，輕烴收率由1.40上升到1.42，年可增產(chǎn)輕625噸；

（2）丙烷機(jī)和壓縮機(jī)負(fù)荷降低，年可節(jié)電185萬千瓦時;

（3）膨脹機(jī)工況穩(wěn)定，4～10月份未發(fā)生凍堵，年可節(jié)約甲醇10噸；

（4）丙烷機(jī)線圈溫度降低，可滿足夏季環(huán)境溫度高、負(fù)荷率大的工況要求，提高了裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。

[1]蘇建華許可方天然氣礦場集輸與處理，2004,12.

[2]李杰訓(xùn)田一華油氣礦場加工，2013,8.

圖8 蝶閥磨損對比圖

參考文獻(xiàn)：

[1]王學(xué)義，工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù).2011，11.

[2]王福利、田吉新、戴有恒.壓縮機(jī)組，2012，04.

[3]陳允中.工業(yè)汽輪機(jī).煉油設(shè)備工程師手冊，2010，01.

劉剛，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油學(xué)大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)工作于大慶油田天然氣開發(fā)部生產(chǎn)管理科，主要從事天然氣管道和站場的生產(chǎn)管理。