陳波 張中亞 伍偉倫 林濤 嵇翔 黃春建

中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司

天然氣(尤其是凝析氣及伴生氣)中含有豐富的乙烷、丙烷、丁烷等伴生液烴資源,此類伴生液烴資源可作為優(yōu)質(zhì)燃料或化工原料[1-4]。隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展,可采用吸附、膜分離、冷油吸收、冷凝分離方法從天然氣中獲取高純液烴資源,以回收丙烷為目的的膨脹機(jī)制冷+DHX工藝在我國得到了廣泛應(yīng)用及快速發(fā)展[5-10],國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在增加裝置收率、降低能耗、增加裝置適應(yīng)性、脫乙烷塔精餾形式等方面,相繼進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化改造,并在春曉、塔里木、珠海高欄等裝置得到成功應(yīng)用[7,11-12]。

對于DHX天然氣輕烴深度回收裝置,早投產(chǎn)就能早產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,特別是大型輕烴回收裝置,也能帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?。由于設(shè)備故障、核心設(shè)備建造與調(diào)試?yán)щy等不確定性因素的存在,往往導(dǎo)致裝置無法盡早或長期按照設(shè)計的流程配置運行。如:由于塔里木輕烴廠磁懸浮膨脹機(jī)建造周期長、調(diào)試周期接近1個月以及脫乙烷塔回流泵無法啟動等原因,輕烴廠先后經(jīng)歷J-T閥單獨運行、膨脹機(jī)單獨運行的非設(shè)計運行模式。對于目前國內(nèi)主流的脫乙烷塔塔頂配置回流系統(tǒng)的DHX工藝,可能存在J-T閥、膨脹機(jī)、J-T閥+回流泵運行的3種非設(shè)計運行模式,但是對于DHX工藝不同運行模式的可行性、優(yōu)化運行情況的相關(guān)研究報道較少。本研究以塔里木輕烴廠運行過程中存在的相關(guān)實際參數(shù)為基礎(chǔ),應(yīng)用HYSYS模擬軟件對存在的4種運行模式進(jìn)行特性研究,用以指導(dǎo)同類裝置在不同運行模式下的操作運行,以最大限度地提高裝置運行時率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 塔里木輕烴回收裝置情況介紹

塔里木輕烴回收裝置設(shè)計天然氣處理量為3 000×104m3/d(兩列并列運行),為國內(nèi)最大的天然氣輕烴回收裝置,年產(chǎn)液烴45×104t,剩余天然氣通過外輸壓縮機(jī)增壓外輸至外輸管網(wǎng)。塔里木輕烴回收裝置在傳統(tǒng)的膨脹機(jī)制冷+DHX輕烴回收工藝基礎(chǔ)上,進(jìn)行DHX工藝優(yōu)化改造,脫乙烷塔塔頂增設(shè)回流罐,強(qiáng)化脫乙烷塔精餾效果,進(jìn)一步降低DHX塔塔頂吸收劑丙烷含量,有效提高丙烷回收率,C3+液烴收率保證值在96%以上。

通過膨脹機(jī)膨脹制冷為裝置提供全部冷量,膨脹機(jī)發(fā)生故障時,利用J-T閥為系統(tǒng)提供冷量。通過換熱面積大、傳熱系數(shù)高的集成冷箱合理地回收和利用系統(tǒng)冷量,集成冷箱共有6股換熱通道,具體工藝流程見圖1,圖中A、B、C、D、E、F分別代表6個冷箱通道。

為了提高集成冷箱各流道溫度與流量的按需調(diào)節(jié)性,冷箱各流道通過旁通管線控制換熱后的流體溫度,旁路設(shè)計的最大流量調(diào)節(jié)輸出為主路流量的20%。為了滿足裝置出口冬、夏季不同的壓力需求,塔里木輕烴廠以壓力為基礎(chǔ),配置不同季節(jié)的運行參數(shù),裝置關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 塔里木輕烴裝置相關(guān)設(shè)計參數(shù)

2 各種運行模式研究基礎(chǔ)確定

塔里木輕烴廠投產(chǎn)后原料氣的組成、冷箱冷熱端溫差等參數(shù)與設(shè)計相比存在一定差別,裝置壓力配置情況一直接近于夏季設(shè)計工況。為合理地利用HYSYS軟件進(jìn)行不同運行模式下的流程特性研究,以現(xiàn)有裝置實際運行情況為參考,合理配置原料氣、系統(tǒng)因變量及其約束范圍,分別研究F線出冷箱溫度、回流罐溫度、J-T閥/膨脹機(jī)出口壓力對裝置丙烷收率、運行穩(wěn)定性的影響情況。各運行模式模擬計算的自變量、因變量配置情況說明見表2,模擬研究過程中各自變量取值情況分別見表3和表4。由于輕烴廠內(nèi)天然氣氣相色譜儀僅能檢測至C6+的組分,利用液化氣、輕烴的實際產(chǎn)量與組分檢測結(jié)果,經(jīng)過反演方式得到較真實的原料天然氣全組分組成情況。

表2 模擬過程中自變量、因變量配置情況

表3 塔里木輕烴項目原料氣組成 y/%

表4 模擬研究過程相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3 J-T閥制冷運行模式特性分析

DHX工藝作為天然氣輕烴回收工藝的典型代表,天然氣膨脹制冷為工藝系統(tǒng)提供必要的冷量,而系統(tǒng)中配置的膨脹機(jī)制造周期長,線上線下調(diào)試歷時久,機(jī)組運行易發(fā)生故障[14]。為保障裝置早日投產(chǎn)或長周期運行,在膨脹機(jī)出現(xiàn)故障或調(diào)試工況下,常采用單J-T閥制冷為系統(tǒng)提供冷量以回收液烴組分。在無脫乙烷塔頂部回流罐的前提下,通過調(diào)整J-T閥出口壓力、F線出冷箱溫度兩個因變量取值,對外輸天然氣含有的丙烷流量(等效于裝置丙烷收率)、F線流量進(jìn)行靈敏度分析,相關(guān)分析結(jié)果如圖2所示。

受J-T閥制冷量不足的影響,在外輸氣中攜帶的丙烷流量高,丙烷收率最高僅有46%;在F線出冷箱溫度一定的情況下,J-T閥閥后壓力每降低0.1 MPa,丙烷收率升高5%,F線流量緩慢增加;在J-T閥閥后壓力相同的情況下,F線出冷箱溫度升高,對丙烷收率影響小,但冷箱冷量回收更加充分,B線出冷箱溫度降低,使得J-T閥閥后溫度降低,能夠顯著提高F線流量,有利于維持DHX塔底泵的最小流量以及塔器的最小運行噴淋密度。綜上,在J-T閥運行模式下,應(yīng)盡可能降低壓縮機(jī)入口壓力設(shè)定值,F線出冷箱溫度維持較高水平,以提高丙烷收率,增加裝置的經(jīng)濟(jì)效益,保障脫乙烷塔、DHX塔底泵的正常運行流量。

4 J-T閥制冷+回流泵運行模式特性分析

相關(guān)研究表明,在膨脹機(jī)制冷工況下,增加脫乙烷塔塔頂回流系統(tǒng)能夠顯著提高裝置收率[12]。對于J-T閥+回流泵運行的工況,增加回流系統(tǒng)對裝置丙烷收率、設(shè)備運行穩(wěn)定性影響情況的報道較少,需要進(jìn)一步研究。受J-T閥制冷量不足的影響,系統(tǒng)產(chǎn)液量少,冷箱各流道換熱負(fù)荷低,實際運行情況表明,回流罐溫度具備維持運行-30 ℃以下的條件。在J-T閥運行模式的研究基礎(chǔ)上,為給系統(tǒng)提供較多冷量,研究過程中穩(wěn)定壓縮機(jī)入口壓力3.8 MPa,分析回流罐溫度、F線出冷箱溫度變化對裝置運行情況的影響,相關(guān)分析結(jié)果如圖3所示。

回流溫度在-33～-20 ℃變化時,丙烷收率基本保持一致(僅有48%),與J-T閥制冷運行相比,收率提升不明顯;回流溫度低至-33 ℃時,脫乙烷塔塔頂不凝氣冷凝量迅速增加,從冷箱中吸收大量冷量,B線出冷箱溫度快速升高,系統(tǒng)冷量不足,丙烷收率反而不可逆地陡降至10%。與J-T閥運行模式相比,F線出冷箱溫度對丙烷收率、F線循環(huán)量的影響較小;J-T閥+回流泵運行工況下,F線流量始終小于28 t/h,DHX塔底部泵、脫乙烷塔回流泵正常運行困難,塔器無法滿足最小噴淋密度運行。綜上,在實際生產(chǎn)過程中,采取J-T閥+回流泵運行模式不可行,單J-T閥運行模式是唯一可取方式。

5 膨脹機(jī)制冷運行模式特性分析

脫乙烷塔回流罐溫度低、回流介質(zhì)中甲烷、乙烷等輕組分多,回流罐氣液分離困難,回流泵極易因氣蝕無法啟動,為了保障裝置的運行效益,在回流系統(tǒng)故障的情況下,塔里木輕烴廠采用單膨脹機(jī)運行模式達(dá)數(shù)月[15]。與J-T閥制冷運行模式相似,利用HYSYS軟件研究膨脹機(jī)出口壓力、F線出冷箱溫度的變化對裝置運行情況的影響,相關(guān)特性分析結(jié)果如圖4所示。

與J-T閥制冷運行相比,在3.35 MPa的膨脹機(jī)設(shè)計出口壓力下,系統(tǒng)冷量充足,裝置丙烷收率可提高至85%;隨著膨脹機(jī)出口壓力每降低0.1 MPa,對F線流量、丙烷收率影響較低(收率僅升高1.5%,但液烴增加量能夠彌補(bǔ)增加的電能費用)。在膨脹機(jī)出口壓力一定的情況下,隨著F線進(jìn)塔溫度的降低,B線出冷箱溫度升高,F線流量快速降低的同時,丙烷收率緩慢降低;當(dāng)F線溫度降至-40 ℃,使得DHX塔頂回流量降至DHX塔最低吸收量要求,導(dǎo)致丙烷收率陡降。F線進(jìn)塔溫度對F線流量影響顯著,為避免DHX塔底泵流量超過130 t/h的設(shè)計流量,F線進(jìn)塔溫度不宜高于-25 ℃。

6 膨脹機(jī)制冷+回流泵運行模式特性分析

目前,DHX深度脫烴工藝在脫乙烷塔頂部增設(shè)回流系統(tǒng),成為提高裝置丙烷收率的有利措施。在膨脹機(jī)運行模式研究結(jié)論的基礎(chǔ)上,維持膨脹機(jī)后運行壓力為3.2 MPa,計算研究不同脫乙烷塔回流溫度、F線進(jìn)塔溫度下的裝置運行穩(wěn)定性、丙烷收率情況,相關(guān)特性分析結(jié)果如圖5所示。

與膨脹機(jī)制冷運行相比,脫乙烷塔回流可有效提高精餾效果,降低DHX塔頂部回流中的丙烷含量,增強(qiáng)DHX塔吸收效果,理論丙烷收率可達(dá)97%;與單膨脹機(jī)運行相比,塔頂回流可有效降低F線丙烷以上重組分的內(nèi)部循環(huán)量,使得F線循環(huán)量整體降低60 t/h,縮小脫乙烷塔、DHX塔及屏蔽泵設(shè)計尺寸,減少設(shè)備投資,便于設(shè)備選型。與單膨脹機(jī)運行一致,隨著F線進(jìn)塔溫度的降低,丙烷收率緩慢降低,F線溫度降低至-30 ℃時,DHX塔塔頂回流量降至DHX塔最低吸收量要求,導(dǎo)致丙烷收率加速降低。F線進(jìn)塔溫度對F線流量影響較大,為合理維持塔底泵運行流量,F線進(jìn)塔溫度不宜高于-20 ℃。

7 不同模式的實際運行情況

為保障裝置的按時投產(chǎn)、長周期運行及經(jīng)濟(jì)效益,塔里木輕烴廠在磁懸浮膨脹機(jī)調(diào)試初期及磁懸浮膨脹機(jī)、脫乙烷塔回流泵發(fā)生故障的情況下,結(jié)合以上不同運行模式的理論分析結(jié)果,先后嘗試性地實施J-T閥制冷、膨脹機(jī)制冷、膨脹機(jī)制冷+回流泵運行模式,且在各種模式下設(shè)備運行情況良好,對各種運行模式下的歷史運行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計整理,結(jié)果見表5。由于J-T閥制冷+回流運行模式對輕烴產(chǎn)量增加的意義不大,且安全運行風(fēng)險高,故未開展此工況下的實際運行操作。從實際運行參數(shù)來看,其中F線的流量變化趨勢與模擬趨勢一致,單膨脹機(jī)運行模式下,F線流量大,必須通過開啟F線旁路以達(dá)到穩(wěn)定運行的目的。在膨脹機(jī)制冷、膨脹機(jī)制冷+回流泵運行模式下,外輸氣中實際丙烷含量與模擬存在較大偏差,主要由于模擬狀態(tài)下的脫乙烷塔精餾效果好于實際運行效果;在J-T閥制冷模式下,由于DHX塔的吸收作用很弱,此模式類似于簡單的低溫分離工藝,外輸氣中丙烷含量與模擬值吻合度高。

8 結(jié)論及建議

根據(jù)設(shè)備建造調(diào)試、設(shè)備故障情況,DHX+脫乙烷塔塔頂回流的輕烴回收工藝存在4種不同運行模式,依據(jù)塔里木輕烴廠實際運行情況,合理確定裝置邊界條件,采用HYSYS軟件對4種運行模式進(jìn)行運行特性分析,得出以下結(jié)論及建議:

(1)在J-T閥制冷模式下,脫乙烷塔塔頂回流對丙烷收率提高作用不明顯,且回流泵與DHX塔底泵運行流量苛刻,不建議采用J-T閥+回流泵的運行模式。

(2)在膨脹機(jī)制冷模式下,脫乙烷塔塔頂回流可顯著提高裝置丙烷收率,理論丙烷收率可維持在95%以上,為使丙烷收率達(dá)到98%以上的先進(jìn)水平,回流罐溫度不宜高于-31 ℃。

(3)與單膨脹機(jī)運行模式相比,脫乙烷塔塔頂回流不僅能提高精餾效果與裝置丙烷收率,還能夠有效降低F線循環(huán)量43%左右,縮小脫乙烷塔、DHX塔以及屏蔽泵設(shè)計尺寸,對于大型裝置,在減少設(shè)備投資的同時,可便于設(shè)備選型。

(4)在4種運行模式中,F線出冷箱溫度對F線循環(huán)流量影響均較大。在J-T閥制冷模式下,由于系統(tǒng)冷量不足,F線進(jìn)塔溫度應(yīng)盡量控制在較高溫度,盡可能提高DHX塔底泵運行流量。在膨脹機(jī)制冷模式下,為避免導(dǎo)致F線循環(huán)量超過DHX塔底泵的最大設(shè)計能力,F線出冷箱溫度不宜過高。

(5)采用膨脹機(jī)制冷時,F線進(jìn)塔溫度過低會導(dǎo)致DHX塔頂回流量降至DHX塔需要的最小吸收量以下,導(dǎo)致裝置丙烷收率快速下降。