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        沉降罐放空氣回收工藝設計

        2020-08-20 04:34:14單從云胡茜茜
        石油工程建設 2020年4期
        關鍵詞:流股沉降罐冷器

        單從云,胡茜茜

        中國石油工程建設有限公司北京設計分公司,北京100085

        隨著國內外石油天然氣站場建設向大型化、標準化不斷發(fā)展[1],站場內設備數(shù)量增多,放空氣量也隨之增加,造成較為嚴重的資源浪費與環(huán)境污染[2]。放空氣由于組成、溫度、壓力的不同,常采用不同的回收技術,常見的有原料型回收與燃料型回收[3-4]。原料型回收是將放空氣中的有用成分回收作為生產(chǎn)用原料,適用于放空氣中存在個別組分含量高的情況,采用壓縮、膜吸附、深冷分離工藝提取原料組分,但要綜合考慮工藝可行性與經(jīng)濟合理性[5]。燃料型回收是將放空氣經(jīng)過一系列處理后,并入燃料氣系統(tǒng),這種情況通常適用于燃料氣供應不便的地區(qū),并且放空氣組分復雜,很難提取某一組分[6]。目前,對于LNG站場BOG回收[7-9]、采氣井放空氣回收[10-13]、石油化工放空火炬氣回收[14-17]都采用燃料型回收工藝,技術較為成熟。

        沉降罐作為原油產(chǎn)出水處理的核心設備[18-19],產(chǎn)生的放空氣具有壓力低、溫度高、氣量大、含水量高等特點,常造成低壓火炬系統(tǒng)負荷大、操作不穩(wěn)定,同時也造成放空氣中輕組分的浪費與環(huán)境污染。對于沉降罐放空氣回收技術尚未檢索到公開發(fā)表的論文,本文根據(jù)沉降罐放空氣組成和特點,提出回收工藝。

        1 沉降罐放空氣回收工藝

        1.1 方案選擇

        以某脫氣站沉降罐為例,其夏季放空氣物理性質與組成如表1、表2所示。根據(jù)表1、表2的相關數(shù)據(jù)可知,放空氣壓力接近常壓,溫度高,組成復雜,酸性氣含量高,含水量高??紤]到脫氣站與附近氣體聯(lián)合站的地理位置關系,該氣體聯(lián)合站內燃料氣采取自供應,因此采用燃料型回收較為合理。通過脫除放空氣所含的部分水和重烴,處理后的氣體外輸至氣體聯(lián)合站,經(jīng)過閃蒸脫硫后輸至燃料氣系統(tǒng)。

        表1 放空氣流量與物理性質

        表2 放空氣組成

        1.2 主要設備選型

        由于氣體外輸?shù)囊?,必須對放空氣進行增壓,考慮到放空氣的特性,選擇以液環(huán)壓縮機作為核心動力設備,且液環(huán)壓縮機對氣體入口溫度和流量變化不敏感、操作靈活、可調節(jié)性好[20],相比火炬氣回收中常用的螺桿壓縮機,液環(huán)壓縮機采取無油壓縮,不會污染介質,壓縮機部件少、結構簡單、維護方便[21]。除此以外還需要冷卻器、分離器組成放空氣回收機組。放空氣需要脫除水分,因此液環(huán)壓縮機可采用水作為工作介質,工作介質在液環(huán)壓縮機運行時形成液環(huán),在此過程中,壓縮產(chǎn)生的熱以及被壓縮氣體帶入的熱量被工作介質吸收,使壓縮過程接近于等溫[22]。以水作為工作介質,還可以對壓縮氣體中的水汽起到一定的洗滌作用。壓縮機出口需采用冷卻設備進行冷卻,一方面使放空氣達到分離器操作溫度,從而進行脫水脫烴;另一方面冷卻工作介質,使工作介質返回到液環(huán)壓縮機內部循環(huán)使用。鑒于站場所在地冷卻水不易獲得,因此采用空冷器作為冷卻設備。分離器采用三相分離器,把分離出來的水作為工作介質進行內部循環(huán)??紤]到放空氣中含有硫化氫,為緩解硫腐蝕問題,壓縮機、空冷器、分離器主材均采用ALLOY 825合金。

        1.3 回收工藝

        通過對主要設備選型,設計了液環(huán)壓縮機組回收沉降罐放空氣工藝,如圖1所示,其中S1~S11表示流股。

        圖1 液環(huán)壓縮機組回收沉降罐放空氣工藝流程

        來自沉降罐放空氣與循環(huán)氣合并后進入到液環(huán)壓縮機入口,在開工初期采用系統(tǒng)補水作為工作介質,待壓縮機出口壓力和分離器水界面穩(wěn)定后,關閉系統(tǒng)補水閥門,利用分離器產(chǎn)出水作為壓縮機工作介質。放空氣經(jīng)過壓縮后,進入空冷器冷卻,冷卻后的氣體進入三相分離器進行油、氣、水分離,在分離器入口分流器處把混合物大致分成氣液兩相,分離出的氣相作為循環(huán)氣返回壓縮機入口保證入口壓力穩(wěn)定,液相沉降到液相分離側,部分水和油自由分層,油漫過擋板進入盛油側,水作為工作介質返回到液環(huán)壓縮機繼續(xù)使用,油相進入閉排系統(tǒng)。

        2 模擬計算與結果分析

        利用Aspen HYSYS軟件,假定放空氣處理量不變,在保證液環(huán)壓縮機壓縮比不變的前提下,針對夏季、冬季以及夏季停工全循環(huán)三種工況進行穩(wěn)態(tài)模擬計算。其中夏季環(huán)境溫度取55℃,冬季環(huán)境溫度取4℃,采用Peng-Robinson狀態(tài)方程,計算放空氣回收率、脫水率、輕組分回收率:

        式中:R為放空氣回收率;ηH2O為放空氣脫水率;RHC為輕組分回收率;mS6、mS1為S6、S1流股摩爾流量,kmol/h;ηS6、ηS1為 S6、S1流股含水率;準S6、準S1為S6、S1流股輕組分含量。這里的輕組分是指C1~C5組分。

        2.1 夏季工況

        針對夏季工況,通過模擬計算,得到各流股參數(shù)如表3所示,各流股組分如表4所示。

        表3 夏季工況各流股參數(shù)

        表4 夏季工況S1、S6流股組成摩爾分數(shù)

        根據(jù)表3、4的結果,代入式 (1)、 (2)、(3),得到夏季工況放空氣回收率R為64.3%,放空氣脫水率ηH2O為 94%,輕組分回收率 RHC為97.8%。

        根據(jù)能量守恒原理,得到壓縮機軸功率WS與空冷器熱負荷Q計算式(4)、(5):

        式中:WS為軸功率,kW;η為效率,對于單級雙吸式液環(huán)壓縮機[23], 取 0.79; MS3、 MS2、 MS9、 MS4為S3、 S2、 S9、 S4流 股質 量 流 量 , kg/h; hS3、 hS2、hS9、 hS4為 S3、 S2、 S9、 S4流股比焓, kJ/kg; Q 為空冷器熱負荷,kJ。

        將表3參數(shù)代入式(4)、 (5),得到夏季工況下壓縮機軸功率為291 kW,空冷器熱負荷為453 kW,作為壓縮機和空冷器的設計輸入條件。

        2.2 冬季工況

        針對冬季工況,通過模擬計算,得到各流股參數(shù)如表5所示,各流股組分如表6所示。

        表5 冬季工況各流股參數(shù)

        表6 冬季工況S1、S6流股組成摩爾分數(shù)

        將表5、 表6參數(shù)代入式 (1) 、( 2) 、( 3) , 得到冬季工況放空氣回收率R為94%,放空氣脫水率ηH2O為92.8%,輕組分回收率RHC為95.4%。

        2.3 夏季停工全循環(huán)工況

        夏季停工全循環(huán)工況指進氣量、外輸量均為0,S9流股流量不變,壓縮機壓縮比不變,旁路循環(huán)閥全開,系統(tǒng)內部實現(xiàn)氣體全循環(huán),通過模擬計算,得到各流股參數(shù)如表7所示。

        表7 夏季停工全循環(huán)工況各流股參數(shù)

        分析壓縮機出口氣體的溫升情況、壓縮機軸功率和空冷器熱負荷。以S3流股為例,S3流股溫度為68.9℃,沒有超過夏季正常工況出口溫度81.9℃;質量流量為21 621.64 kg/h,比焓為297.17 kJ/kg,代入式(4) 求得壓縮機軸功率為290 kW,小于夏季正常工況壓縮機軸功率291 kW;代入式(5)求得空冷器熱負荷為230 kW,小于夏季正常工況空冷器熱負荷453 kW。

        3 結論

        通過對沉降罐放空氣組成、溫度、壓力的分析,采用燃料型回收工藝,利用液環(huán)壓縮機機組回收放空氣,通過Aspen HYSYS軟件進行穩(wěn)態(tài)模擬計算。模擬計算結果表明,夏季工況放空氣回收率為64.3%,脫水率為94%,輕組分回收率為97.8%;冬季工況放空氣回收率為94%,脫水率為92.8%,輕組分回收率為95.4%。該回收工藝流程簡單,設備數(shù)量少,實現(xiàn)了放空氣資源回收利用,脫水率和輕組分回收率滿足氣體外輸要求。夏季停工全循環(huán)工況下壓縮機出口溫度、壓縮機軸功率、空冷器熱負荷均小于夏季正常工況,沒有造成系統(tǒng)能耗增加。

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