葉 帆，常小虎，姚麗蓉，鐘榮強，靳永紅，尹晨陽

(1.中國石化西北油田分公司 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

目前，對于含氮天然氣脫氮的處理通常采用深冷液化脫氮工藝[1-3]。而對于塔河油田高含氮天然氣處理的目的是使其高熱值達到GB 17820-2018中二類天然氣31.4MJ/m3的標準，并不要求生產(chǎn)LNG產(chǎn)品，LNG氣化攜帶有大量的高品位冷量，約830～869MJ/t[4]，若充分利用這部分冷量不僅可以降低運行能耗，還可節(jié)省冷能用戶的設(shè)備成本。目前，LNG冷能的利用技術(shù)主要有空氣分離、低溫發(fā)電、海水淡化、空調(diào)制冷等[5-8]。而在天然氣處理工藝方面，將這部分冷量用于空分工藝是目前最為合理的利用方式[9,10]。因此，可對這部分LNG冷能進行回收，達到冷能的循環(huán)利用，降低工藝能耗，節(jié)省運行成本。故針對塔河油田高含氮天然氣的特點，提出膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝。并對膨脹制冷高含氮天然氣處理工藝建立分析模型，分析工藝中各設(shè)備損情況，找出產(chǎn)生損的主要設(shè)備，并對工藝進行改進，以提高效率。

1 工藝流程模擬

塔河油田天然氣具有含氮量高、處理量大的特點。經(jīng)聯(lián)合站處理后的含氮天然氣，進入脫氮制冷單元的進料氣處理量為24×104m3/d，摩爾流量約為400kmol/h，壓力為650kPa，溫度為27℃，進料氣組成見表1。

表1 進料氣組成

產(chǎn)品氣質(zhì)量要求為N2摩爾分數(shù)達到20%以下，產(chǎn)品氣回收率達到90%。產(chǎn)品氣出口壓力要求為850kPa。

圖1 膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝

膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝（圖1）主要包括天然氣液化部分和LNG輔助制冷部分。

天然氣液化部分：進料氣經(jīng)壓縮機增壓、水冷器冷卻后，依次進入冷箱1、冷箱2和冷箱3，與經(jīng)分離單元分離后的氣相物流和液相物流換熱，最后經(jīng)節(jié)流降溫后達到所需溫度，進入多級分離單元。

LNG輔助制冷部分：冷卻后的進料氣經(jīng)多級分離單元分離后分為氣液兩相，氣相經(jīng)透平膨脹機膨脹后依次進入冷箱3和冷箱1，為冷卻進料氣提供冷量，換熱后成為常溫下純度較高的N2；液相經(jīng)低溫泵增壓后通過冷箱1，為冷卻進料氣供冷量，液相經(jīng)換熱后成為常溫下滿足熱值要求的天然氣產(chǎn)品。

基于本流程的HYSYS模擬制冷工藝主要指標見表2。

表2 膨脹制冷+LNG輔助制冷工藝主要指標

設(shè)備在實際運行過程中存在著能量轉(zhuǎn)換和能量傳遞，包括設(shè)備與外界之間的的轉(zhuǎn)換和設(shè)備內(nèi)部的耗散。在進行分析時，通常用流線表示交換的方向，用損來表示耗散的大小，并以此建立分析熱力學(xué)模型。目前，分析模型可分為黑箱模型、白箱模型和灰箱模型三種。本文在對高含氮天然氣膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝進行分析時，主要是為了研究設(shè)備的能量利用情況和LNG冷能利用情況，并不深究設(shè)備內(nèi)部能量過程，因此，本文選擇灰箱模型對工藝進行分析，且將系統(tǒng)中各設(shè)備視為黑箱。

（1）黑箱模型

圖2 分析黑箱模型

（2）灰箱模型

圖3 分析灰箱模型

2.2 模型假設(shè)及環(huán)境基準態(tài)選取

針對本文所研究高含氮天然氣膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝，在建立相關(guān)設(shè)備計算模型時，作出以下假設(shè)：

（2）工藝中設(shè)備布置緊密，設(shè)備間管道很短，忽略設(shè)備間管道與環(huán)境換熱產(chǎn)生的損；

（3）忽略所有熱泄露損失。

本文在進行分析時，環(huán)境基準態(tài)選取為P0=101.325kPa，T0=293.15K。

2.3 工藝分析

表3 主要物流值

表3 主要物流值

?

圖4 膨脹制冷+LNG輔助制冷多級分離工藝分析流程圖

圖5 各設(shè)備損

圖6 各設(shè)備損占設(shè)備總損比例

圖7 各設(shè)備效率

3 工藝優(yōu)化

3.1 工藝優(yōu)化方案

圖8 進料氣入口兩級增壓方案HYSYS模型

3.2 最優(yōu)中間壓力確定

由于進料氣進入入口壓縮機1時，壓力650kPa，在入口壓縮機2出口需增壓至2000kPa，因此入口壓縮機1出口壓力直接影響入口壓縮機1和入口壓縮機2的增壓比。根據(jù)HYSYS計算結(jié)果，中間壓力（即入口壓縮機1出口壓力）對壓縮單元（入口壓縮機1、水冷器1、入口壓縮機2、水冷器2）總損及總效率影響如圖9所示，中間壓力對壓縮單元能耗影響、壓縮機增壓比影響和壓縮機損及效率影響分別如圖10、圖11和圖12所示。

圖9 中間壓力對壓縮單元總損及總效率影響

圖10 中間壓力對壓縮單元及壓縮機能耗影響

圖11 中間壓力對壓縮機增壓比影響

圖12 中間壓力對壓縮機損及效率影響

結(jié)合圖11可知，壓縮單元入口壓力（進料氣壓力）和壓縮單元出口壓力的算術(shù)平均值為1140kPa，此時入口壓縮機1和入口壓縮機2的增壓比均為1.75，但最優(yōu)中間壓力稍大于此壓力。

3.3 優(yōu)化對比

工藝優(yōu)化前后主要參數(shù)對比如表4所示。

表4 工藝優(yōu)化前后主要參數(shù)對比

4 結(jié)論