趙相頗 段賢勇 姜武 廖小莉 黎志

1.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦輕烴廠(chǎng) 2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠(chǎng) 3.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦安岳油氣處理廠(chǎng)

輕烴回收裝置是以滿(mǎn)足商品天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)輸送要求，同時(shí)回收液化氣和穩(wěn)定輕烴，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)凈煉化裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)的邊界條件，當(dāng)裝置原料氣處理量低于設(shè)計(jì)的50%時(shí)，屬于低負(fù)荷運(yùn)行。低負(fù)荷運(yùn)行裝置會(huì)出現(xiàn)操作難度大、單位能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量難以有效保證等問(wèn)題。如何拓寬輕烴回收裝置低負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)范圍，確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，并有效提高裝置效益是目前輕烴裝置生產(chǎn)的重要課題[1]。

1 裝置現(xiàn)狀

中國(guó)石油西南油氣田公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)西南油氣田公司)下轄3個(gè)輕烴廠(chǎng)，分別為川西北氣礦江油輕烴廠(chǎng)[2]、蜀南氣礦安岳油氣處理廠(chǎng)和川中油氣礦輕烴廠(chǎng)。3個(gè)輕烴廠(chǎng)共8套輕烴回收裝置， 3套裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，2套裝置停運(yùn)，3套裝置低負(fù)荷運(yùn)行;6套裝置為膨脹制冷，2套裝置為外制冷(見(jiàn)表1)。

從近8年的生產(chǎn)情況來(lái)看，安岳輕烴回收裝置由初期的105×104m3/d下降至目前的36×104m3/d；合川輕烴回收裝置由初期的99×104m3/d下降至目前的39×104m3/d；廣安輕烴回收裝置由初期的55×104m3/d下降至目前的16×104m3/d(見(jiàn)表2)。

表1 輕烴回收裝置基本情況Table 1 Basic situation of the light hydrocarbon recovery units裝置名稱(chēng)設(shè)計(jì)天然氣處理量/(104 m3·d-1)目前天然氣處理量/(104 m3·d-1)制冷工藝投產(chǎn)日期C3收率/%設(shè)計(jì)值實(shí)際值目前運(yùn)行狀態(tài)江油輕烴回收裝置4545膨脹制冷1984.076563滿(mǎn)負(fù)荷三臺(tái)輕烴回收裝置3030膨脹制冷2002.0880滿(mǎn)負(fù)荷遂寧輕烴回收裝置107膨脹制冷1994.0582滿(mǎn)負(fù)荷安岳輕烴回收裝置15036外制冷2014.099095低負(fù)荷合川輕烴回收裝置10039膨脹制冷2013.018092低負(fù)荷廣安輕烴回收裝置10016膨脹制冷2010.118089低負(fù)荷南充輕烴回收裝置20膨脹制冷1989.0380停運(yùn)磨溪輕烴回收裝置50外制冷2015.0260停運(yùn)

表2 低負(fù)荷裝置歷年處理氣量表 日均處理氣量/104 m3 Table 2 Situation of low-load natural gas processing device from 2010～2017時(shí)間廣安輕烴回收裝置合川輕烴回收裝置安岳輕烴回收裝置201054.90201151.99201243.97201334.3098.58201427.6291.64104.80201523.6287.8872.50201619.0256.2243.20201715.6639.0136.00

2 存在的問(wèn)題

2.1 操作難度大

2.1.1膨脹制冷工藝

廣安輕烴回收裝置設(shè)計(jì)天然氣處理量為100×104m3/d，目前裝置天然氣處理量為16×104m3/d左右，脫乙烷塔和脫丁烷塔設(shè)計(jì)容量與實(shí)際運(yùn)行值偏差大，已遠(yuǎn)超過(guò)彈性操作范圍(填料塔經(jīng)驗(yàn)操作彈性范圍為60%～120%)[3]，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中操作難度大，脫乙烷塔和脫丁烷塔難以建立穩(wěn)定的操作平衡，產(chǎn)品氣壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備難以平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1.2外制冷工藝

安岳輕烴回收裝置設(shè)計(jì)天然氣處理量為150×104m3/d，目前裝置天然氣處理量為36×104m3/d。處理氣量減少后，計(jì)量檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)不能完全滿(mǎn)足生產(chǎn)控制要求。目前，有3臺(tái)調(diào)節(jié)閥Cv(流通能力)值偏大，只能采取工藝閥門(mén)手動(dòng)控制；1套孔板流量計(jì)偏大，無(wú)法有效測(cè)量，只能通過(guò)液位手動(dòng)控制；精餾塔壓力、溫度波動(dòng)大，難以建立穩(wěn)定的操作平衡。

2.2 單位能耗高

當(dāng)氣量降低，輕烴回收裝置的單位能耗會(huì)增加。表3為近幾年低負(fù)荷裝置的能耗對(duì)比表。

廣安輕烴回收裝置設(shè)備、能耗存在較大的浪費(fèi)，直接造成水、電、燃料氣單位能耗過(guò)高，均超過(guò)設(shè)計(jì)值。安岳輕烴回收裝置導(dǎo)熱油加熱爐與冷劑壓縮機(jī)的單位能耗均超過(guò)設(shè)計(jì)值,能耗對(duì)比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3[4-6]。

從表3可以看出，廣安輕烴回收裝置2016年水單位能耗達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.9倍，電單位能耗為設(shè)計(jì)值的2.2倍；合川輕烴回收裝置2016年水單位能耗達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.5倍，電單位能耗為設(shè)計(jì)值的1.1倍；安岳輕烴回收裝置2016年水單位能耗達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.3倍，電單位能耗達(dá)到設(shè)計(jì)值的2.6倍。

表3 低負(fù)荷裝置近幾年能耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比表Table 3 Statistical comparison of the energy consumption of the low load device in recent years裝置名稱(chēng)年 份天然氣處理量/104 m3水單位能耗/(t·(104 m3)-1)電單位能耗/(104 kW·h·(104 m3)-1)燃料氣單位能耗/(104 m3·(104 m3)-1)設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)際備注廣安輕烴回收裝置2012201320142015201633 0006 042.7913 532.349 928.997 971.866 375.991.150.850.921.131.772.23122.73146.78157.89212.67256.83265.12235.09186.60181.03239.12273.16328.04合川輕烴回收裝置2012201320142015201633 0005 094.9017 796.1919 349.080.730.830.951.11157.27163.60166.20171.74215.03未投運(yùn)未投運(yùn)665.84209.97198.43安岳輕烴回收裝置2012201320142015201649 5008 838.2326 378.2514 718.292.421.502.033.12245.05316.91509.55630.6596.16未投運(yùn)未投運(yùn)110.3878.8897.67

2.3 影響產(chǎn)品質(zhì)量

采用膨脹制冷工藝的裝置在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),制冷深度和冷液不夠，造成精餾效果差，廣安輕烴回收裝置的穩(wěn)定輕烴飽和蒸氣壓為100 kPa左右，能達(dá)到GB 9053-2013《穩(wěn)定輕烴》1號(hào)指標(biāo),但不能達(dá)到2號(hào)指標(biāo)(小于74 kPa(夏)/88 kPa(冬))。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 拓展原料氣來(lái)源

3.1.1江油輕烴裝置外輸管線(xiàn)改造

2017年5月,將中壩氣田南部區(qū)塊富含輕烴的原料氣8×104m3/d引入江油輕烴回收裝置，目前達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。

3.1.2遂寧輕烴裝置上游氣源調(diào)整

2017年4月,將蓬萊區(qū)塊富含輕烴的天然氣(7～8)×104m3/d引至遂寧輕烴回收裝置，目前裝置生產(chǎn)穩(wěn)定。

3.1.3產(chǎn)品氣內(nèi)循環(huán)

廣安輕烴回收裝置將部分產(chǎn)品氣循環(huán)至原料氣中，增加原料氣壓力和處理量來(lái)確保裝置運(yùn)行穩(wěn)定；安岳輕烴回收裝置增加再生氣和產(chǎn)品氣2條循環(huán)管線(xiàn)，提高原料氣處理量，穩(wěn)定裝置運(yùn)行。

3.2 降耗措施

3.2.1優(yōu)化分子篩吸附周期

對(duì)合川、廣安輕烴回收裝置進(jìn)行了分子篩吸附余量的計(jì)算，以合川分子篩塔為例，合川分子篩塔天然氣設(shè)計(jì)處理量為200×104m3/d，雙塔12 h切換，裝填為4A分子篩。天然氣中水含量取決于其壓力、溫度和組成，在非含硫天然氣水含量的計(jì)算中，通常采用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖來(lái)查取天然氣的水含量[7-8]。

3.2.1.1 滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)不含硫天然氣理論水含量

查烴類(lèi)氣體的水含量圖[5]，查得天然氣在25 ℃，絕壓3.5 MPa下的水含量為W1：

W1=0.93 kg/103m3(15.6 ℃)

(1)

天然氣在-70 ℃，絕壓3.5 MPa下的水含量為W2：

W2=1.6×10-4kg/103m3(15.6 ℃)

(2)

分子篩塔天然氣設(shè)計(jì)處理量為200×104m3/d，單塔12 h的處理量為100×104m3。所以，當(dāng)100×104m3的原料氣從25 ℃降溫至-70 ℃析出的水量約為W3：

W3=(W1-W2)×100×104=929.84 kg

(3)

3.2.1.2 分子篩塔設(shè)計(jì)吸附水量

根據(jù)4A分子篩對(duì)水的動(dòng)態(tài)吸附量約為10 kg水/100 kg分子篩[9-10]，單塔裝填分子篩量為1.9×104kg，得到，分子篩每12 h吸水量為W4：

W4/19×103kg=10 kg水/100 kg分子篩

(4)

W4=1 900 kg

根據(jù)式(3)、式(4)可知，分子篩吸水量設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)大于理論析出水量。

3.2.1.3 低負(fù)荷下(處理量為39.01×104m3/d)不含硫天然氣理論含水量

單塔12 h的天然氣處理量為19.51×104m3，根據(jù)式(1)、式(2)，當(dāng)19.51×104m3原料氣從25 ℃降至-70 ℃時(shí)，析出的水量為W5：

W5=(W1-W2)×19.51×104=362.731 kg

(5)

根據(jù)式(3)、式(5)，W3/W5=2.56，可知在目前的天然氣處理量下，分子篩塔有大量的吸附余量。

廣安、合川輕烴回收裝置經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分子篩塔在每完成一次吸附后(再生前)，還有大量的吸附富余量。將分子篩切換周期由12 h延長(zhǎng)至24 h，電耗、氣耗分別節(jié)約50%。這樣,再生氣壓縮機(jī)、空冷器和加熱爐每天可停運(yùn)12 h。

如廣安輕烴回收裝置再生氣壓縮機(jī)功率為75 kW、空冷器功率為7.5 kW、加熱爐風(fēng)機(jī)電功率為15 kW，每天能節(jié)約電量1 170 kW·h，月節(jié)約電量3.51×104kW·h，年節(jié)約電量為38.61×104kW·h。同時(shí)，減少加熱爐的燃料氣耗用量，月節(jié)約燃料氣量1.7×104m3左右，年節(jié)約燃料氣量為18.7×104m3左右。廣安、合川輕烴回收裝置優(yōu)化分子篩吸附周期后能耗見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化分子篩吸附周期后節(jié)約能耗Table 4 Energy consumption saving after optimizing the molecular sieve adsorption cycle裝置優(yōu)化前切換周期/h優(yōu)化后切換周期/h理論年節(jié)約電量/(104 kW·h)理論年節(jié)約燃料氣量/104 m3廣安輕烴回收裝置124850.518.7合川輕烴回收裝置12245831

3.2.2調(diào)整鍋爐上水泵、軟水泵工作方式

廣安輕烴回收裝置鍋爐上水泵、軟水泵由設(shè)計(jì)24 h連續(xù)運(yùn)行調(diào)整為間斷運(yùn)行,主要做了如下改進(jìn)：

(1) 將鍋爐液位信號(hào)引至PLC系統(tǒng)，通過(guò)低液位啟泵、高液位停泵的原理實(shí)現(xiàn)鍋爐上水泵的間斷運(yùn)行。

(2) 對(duì)PLC程序進(jìn)行修改，利用PLC剩余的兩個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)兩臺(tái)軟水泵啟停進(jìn)行程序控制，當(dāng)鍋爐上水泵啟泵時(shí),軟水泵啟泵，鍋爐上水泵停泵，軟水泵延時(shí)運(yùn)行7 min后停泵的原理，防止鍋爐上水泵抽空，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟水泵的上水方式為間斷上水。

優(yōu)化后鍋爐上水泵每天運(yùn)行約2 h，每天減少運(yùn)行22 h；軟水泵每天運(yùn)行約4 h，每天減少運(yùn)行20 h。理論年節(jié)約電量為9.438×104kW·h(見(jiàn)表5)。

表5 鍋爐上水泵、軟水泵節(jié)約能耗Table 5 Energy consumption saving on the boiler water pump and soft water pump用電設(shè)備功率/kW優(yōu)化前每天運(yùn)行時(shí)間/h優(yōu)化后每天運(yùn)行時(shí)間/h理論每天節(jié)能/kW·h理論每年合計(jì)節(jié)能/104 kW·h上水泵11.0242242軟水泵2.2244449.438

3.2.3合理調(diào)整循環(huán)水量

廣安輕烴回收裝置根據(jù)目前的低負(fù)荷情況，通過(guò)降低各用水點(diǎn)的水量，極大地降低了用電消耗。廣安輕烴回收裝置用水點(diǎn)用量情況見(jiàn)表6。

表6 廣安輕烴回收裝置用水點(diǎn)用量Table 6 Water use distribution at the Guangan light hydrocarbon unit用水點(diǎn)循環(huán)水量/(m3·h-1)供水溫度/℃回水溫度/℃供水壓力/MPa回水壓力/MPa備注膨脹機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器632400.400.25連續(xù)運(yùn)行24 h/d脫丁烷塔塔頂冷卻器5332400.400.25連續(xù)運(yùn)行24 h/d輕油冷卻器1.8432400.400.25連續(xù)運(yùn)行24 h/d再生氣壓縮機(jī)冷卻水832400.400.25連續(xù)運(yùn)行12 h /d產(chǎn)品氣壓縮機(jī)冷卻水64032400.400.25連續(xù)運(yùn)行24 h/d

通過(guò)降低以上5處用水點(diǎn)的用水量，特別是產(chǎn)品氣壓縮機(jī)冷卻水流量，在保持壓縮機(jī)油溫、壓縮機(jī)出口天然氣溫度正常的情況下，夏季循環(huán)水流量由原來(lái)的780 m3/h調(diào)整為300 m3/h，冬季循環(huán)水流量由原來(lái)的780 m3/h調(diào)整為230 m3/h，循環(huán)水泵電機(jī)用電量有所下降，電耗由210 kW/h降至160 kW/h。每月節(jié)約電量約(210～160)×24×30=3.6×104kW·h，且其余各點(diǎn)也完全能滿(mǎn)足目前工況需求。

循環(huán)水系統(tǒng)用水調(diào)整前后對(duì)比見(jiàn)圖1。

3.3 適應(yīng)性改造

3.3.1設(shè)備改造

隨著原料氣氣量降低，部分設(shè)備不能適應(yīng)低負(fù)荷下的正常運(yùn)行，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常運(yùn)行。

安岳輕烴回收裝置：對(duì)裝置冷劑壓縮機(jī)進(jìn)行降低負(fù)荷改造至設(shè)計(jì)的50%，拆除各級(jí)進(jìn)出口部分進(jìn)氣閥和出氣閥，解決了冷量過(guò)剩的問(wèn)題，操作穩(wěn)定，同時(shí)降低了能耗，年節(jié)約電量200×104kW·h。

廣安輕烴回收裝置：膨脹機(jī)負(fù)荷由100×104m3/d改造為(18～25)×104m3/d，改造后膨脹機(jī)效果良好;當(dāng)裝置氣量較低，產(chǎn)品氣壓縮機(jī)長(zhǎng)期怠速運(yùn)行，振動(dòng)增大、火花塞容易結(jié)碳，會(huì)增加活塞環(huán)和氣缸壁之間的磨損;通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)氣缸余隙，來(lái)提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速;氣缸余隙調(diào)整前，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為650～700 r/min，調(diào)整后為750～800 r/min，達(dá)到該設(shè)備的基本運(yùn)行700 r/min要求，壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3.2工藝改造

安岳輕烴回收裝置將脫乙烷塔、脫丁烷塔塔底重沸器導(dǎo)熱油管線(xiàn)增加旁通，解決了由于裝置所需熱負(fù)荷較低，導(dǎo)熱油循環(huán)量太少，導(dǎo)熱油循環(huán)泵背壓過(guò)高的問(wèn)題(見(jiàn)圖2、圖3)。

3.3.3儀控系統(tǒng)改造

3.3.3.1 增設(shè)調(diào)壓閥

廣安輕烴回收裝置由于原料氣處理量大幅下降，脫乙烷塔塔底溫度通過(guò)脫乙烷塔重沸器出口凝結(jié)水的調(diào)節(jié)閥難以調(diào)節(jié)，在脫乙烷塔重沸器蒸汽入口管線(xiàn)增設(shè)了1臺(tái)自立式調(diào)壓閥，降低了蒸汽壓力，使脫乙烷塔塔底溫度控制穩(wěn)定(見(jiàn)圖4)。

隨著原料氣氣量的降低，部分自控調(diào)節(jié)回路不能適應(yīng)低負(fù)荷下的正常運(yùn)行，通過(guò)整定自控調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)回路的正常運(yùn)行。

3.3.3.2 整定PID參數(shù)

廣安輕烴回收裝置脫乙烷塔和脫丁烷塔塔壓調(diào)節(jié)控制回路，低負(fù)荷運(yùn)行下壓力調(diào)整滯后較大，約20 min。通過(guò)對(duì)兩塔調(diào)壓控制回路PID參數(shù)整定之后，只需要1～3 min可調(diào)節(jié)平穩(wěn)，調(diào)節(jié)回路達(dá)到了良好的狀態(tài)。

3.4 優(yōu)化操作參數(shù)

當(dāng)原料氣的氣量壓力降低時(shí)，內(nèi)制冷裝置透平膨脹機(jī)的膨脹比也會(huì)相應(yīng)下降。此時(shí)為了提高制冷量，需要優(yōu)化操作參數(shù)來(lái)提高膨脹比。廣安輕烴回收裝置通過(guò)調(diào)整脫乙烷塔和脫丁烷塔的操作壓力，提高了膨脹比(見(jiàn)表7)。

表7 脫乙烷塔和脫丁烷塔壓力調(diào)整前后對(duì)比表Table 7 Pressure contrast of the dethanize and debutanizer before and after the adjustment廣安輕烴回收裝置調(diào)整前調(diào)整后脫乙烷塔的操作壓力/MPa1.40 1.20脫丁烷塔的操作壓力/MPa1.20 1.05膨脹比1.861.96C3收率/%7180

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

輕烴回收裝置在低負(fù)荷下運(yùn)行，存在操作難度大、單位能耗高、產(chǎn)品氣壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備難以平穩(wěn)運(yùn)行等問(wèn)題。通過(guò)產(chǎn)品氣內(nèi)循環(huán)，增加原料氣壓力和處理量，來(lái)確保裝置運(yùn)行穩(wěn)定；通過(guò)優(yōu)化分子篩吸附周期、調(diào)整鍋爐上水泵、軟水泵工作方式、合理調(diào)整循環(huán)水量等方法來(lái)降低裝置單位能耗；通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常運(yùn)行；通過(guò)對(duì)工藝改造、儀控系統(tǒng)改造、優(yōu)化操作參數(shù)等措施，使得輕烴回收裝置在低負(fù)荷條件下仍然能安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并取得了較好的效果和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 建 議

針對(duì)目前西南油氣田公司所轄輕烴回收裝置氣源衰減較快，多套裝置在低負(fù)荷下運(yùn)行的情況，為確保低負(fù)荷裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，盡可能提高輕烴回收裝置的效益,建議對(duì)廣安輕烴回收裝置的循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)安岳輕烴回收裝置2個(gè)精餾塔的分布器進(jìn)行改造。

廣安輕烴回收裝置由于氣量下降較快，需對(duì)大功率循環(huán)水泵進(jìn)行改造。目前，廣安輕烴回收裝置的循環(huán)水泵仍然為大功率高壓循環(huán)水泵(電壓10 000 V，功率250 kW)，已經(jīng)不適應(yīng)裝置目前的使用，造成一定的浪費(fèi)。從投入和產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，建議將目前2臺(tái)功率250 kW的循環(huán)水泵改造為功率為110 kW的循環(huán)水泵。

安岳輕烴回收裝置需對(duì)3臺(tái)精餾塔的高效填料和液體分布器、分布管進(jìn)行核算，重新設(shè)計(jì)液體分布器、分布管的開(kāi)孔數(shù)量及孔徑，確保更換后能在低負(fù)荷下安全平穩(wěn)生產(chǎn)，保證產(chǎn)品合格。建議跟蹤華油新建干氣至岳105管線(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)展，可置換威東(8～10)×104m3/d濕氣至處理廠(chǎng)。