周剛 劉浩 呂建軍 羅吉利 李翔

1華北石油管理局有限公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處

2中石油煤層氣有限責(zé)任公司

天然氣深冷裝置是天然氣處理廠常規(guī)的天然氣處理設(shè)施，天然氣通過(guò)深冷處理脫除氣里攜帶的液體成分，既降低了外輸天然氣的烴水露點(diǎn)，又回收了混合輕烴，降低烴水露點(diǎn)是安全可靠地外輸天然氣的必要條件，天然氣處理廠回收的混合輕烴又可以增加經(jīng)濟(jì)收入，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。目前國(guó)內(nèi)天然氣深冷處理裝置基本上是采取膨脹機(jī)制冷方法，膨脹機(jī)制冷具有制冷溫度低、輕烴回收率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 回流原理簡(jiǎn)述

如圖1所示，天然氣經(jīng)進(jìn)站分離器分離后進(jìn)分子篩干燥器脫水，脫水后的天然氣先進(jìn)冷箱后再進(jìn)第一低溫分離器（一低分），第一低溫分的介質(zhì)溫度控制在-40 ℃左右，脫出輕烴的天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹制冷，制冷后天然氣溫度在-70 ℃左右，進(jìn)入第二低溫分離器（二低分），分離出輕烴后，天然氣過(guò)冷箱復(fù)熱經(jīng)膨脹機(jī)增壓端增壓后外輸。

圖1 天然氣深冷裝置處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of natural gas cryogenic plant treatment system

第一低溫分離器的低溫混合輕烴經(jīng)液線靠自壓排送到脫乙烷塔的上部進(jìn)料口，給脫乙烷塔進(jìn)料，由于在流程上第一低溫分離器位于膨脹機(jī)膨脹降壓的前面，屬于上游未降壓壓力系統(tǒng)（通常在2.5 MPa以上），和脫乙烷塔壓力（1.8 MPa左右）有一定的壓差，所以一低分的液體能夠自動(dòng)控制進(jìn)入脫乙烷塔脫乙烷；而第二低溫分離器在工藝流程上是位于膨脹機(jī)降壓以后，相對(duì)于脫乙烷塔1.8 MPa 左右的工作壓力，它的運(yùn)行壓力只有1.5 MPa 左右，塔壓通過(guò)底部重沸器蒸汽盤管加熱混合輕烴實(shí)現(xiàn)，這樣二低分分離出的液態(tài)混合輕烴靠自壓是不能進(jìn)入脫乙烷塔的，必須靠加裝混合輕烴泵將二低分混合輕烴強(qiáng)制回流到脫乙烷塔，給脫乙烷塔進(jìn)料，脫乙烷塔頂部脫出的乙烷及攜帶的部分乙烷以上的烴類通過(guò)回流管線再回流到二低分，在二低分-70 ℃左右低溫環(huán)境下，脫乙烷塔回流回來(lái)的混合輕烴中的乙烷以上的重組分，又一次冷卻為液態(tài)混合輕烴，再進(jìn)入脫乙烷塔精煉，如此往復(fù)，構(gòu)成二低分—回流泵—脫乙烷塔—二低分的回流系統(tǒng)[5-6]。由此可見，二低分后的低溫回流泵是混合輕烴低溫回流的核心，它和膨脹機(jī)一樣都是天然氣輕烴處理深冷裝置的核心運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，只有低溫回流泵正常工作，輕烴回流系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，脫乙烷塔才能正常運(yùn)行，塔底部才能制取合格的相對(duì)穩(wěn)定的混合輕烴，外輸?shù)交旌陷p烴儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，待下一道工序處理。

2 運(yùn)行中存在的問(wèn)題

通過(guò)上節(jié)闡述的天然氣深冷系統(tǒng)脫乙烷塔回流系統(tǒng)的工作原理可以看出，二低分排液的混合輕烴泵在混合輕烴處理裝置中是核心的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，是一臺(tái)低溫（-70 ℃左右）工況下運(yùn)行的低溫泵，只有其正常運(yùn)行，才能把二低分的液體運(yùn)移到脫乙烷塔，該泵一旦停運(yùn)，二低分的低溫液態(tài)混合輕烴排不出去，深冷分離出的液體沒有出路，脫乙烷塔上部的乙烷接著進(jìn)入二低分循環(huán)冷卻，很快就充滿混合輕烴液體，使得整個(gè)深冷裝置停產(chǎn)。但在正常生產(chǎn)時(shí)，由于低溫泵所舉升的介質(zhì)為輕質(zhì)的混合輕烴，主要成分為液態(tài)C3和C2，且在溫度為-70 ℃的工況環(huán)境下運(yùn)行，混合輕烴進(jìn)泵過(guò)程可隨時(shí)瞬間氣化，造成低溫泵由于氣蝕的原因不上量。先后采用日本進(jìn)口、德國(guó)進(jìn)口的低溫泵，運(yùn)行效果均不理想，特別是早期用的日本進(jìn)口的低溫泵，基本上就處于停滯狀態(tài)，運(yùn)行幾分鐘就氣蝕不上量，且維修運(yùn)行費(fèi)用高，深冷裝置經(jīng)常處于停產(chǎn)狀態(tài)。低溫泵作為深冷裝置中的核心設(shè)備，在技術(shù)上不過(guò)關(guān)，使一些深冷裝置的混合輕烴收率還不如淺冷裝置高。后來(lái)采用德國(guó)進(jìn)口的低溫泵，能夠維持生產(chǎn)，但是泵的價(jià)格高，維修成本高，也是時(shí)好時(shí)壞地運(yùn)轉(zhuǎn)[7-8]。

3 無(wú)泵化改造方案

由于脫乙烷回流泵存在的運(yùn)行時(shí)率不高等原因，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員一直在探索一條取消低溫泵而進(jìn)行脫乙烷塔回流的技術(shù)方法，并進(jìn)行了實(shí)踐。下面是脫乙烷塔回流系統(tǒng)無(wú)泵化改造方案。

如圖2所示，取消脫乙烷塔底部低溫回流，增加一個(gè)輔助低溫回流分離器，該分離器作為正常第二低溫分離器的并聯(lián)分離器，兩臺(tái)分離器倒換使用，一臺(tái)在正常生產(chǎn)流程中進(jìn)行氣液分離時(shí)，另一臺(tái)將分離器內(nèi)的液態(tài)混合輕烴通過(guò)天然氣加壓，壓送進(jìn)脫乙烷塔，這臺(tái)分離器代替泵加壓混合輕烴進(jìn)入脫乙烷塔，這樣就可取消低溫回流泵[9]。

圖2 脫乙烷塔輕烴回流系統(tǒng)改造Fig.2 Retrofitting of the light hydrocarbon reflux system in the deethanizer

具體實(shí)施方法：在2臺(tái)低溫分離器進(jìn)出口管線上，加4 臺(tái)氣動(dòng)開關(guān)閥作為自動(dòng)控制的閥門，閥1為加壓閥門，加壓線來(lái)自第一低溫分離器，閥2為氣相平衡閥門，閥3 為液相平衡閥門，閥4 為壓液閥門，對(duì)這4臺(tái)閥門進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)該分離器自動(dòng)壓液。

自動(dòng)壓液過(guò)程：先設(shè)置回流分離器上面的進(jìn)口閥A常關(guān)，下面的排液口閥B常開；第二低溫分離器的天然氣進(jìn)出口閥C、閥D常開。

積液過(guò)程：閥4、閥1 關(guān)閉，閥2、閥3 打開，使2臺(tái)分離器的液位自動(dòng)平衡到相同高度，當(dāng)回流分離器的液位上升到設(shè)定高度時(shí)，開始第二步壓液過(guò)程。

壓液過(guò)程：關(guān)閉閥2、閥3，打開閥4、閥1，閥1打開給分離器加壓，分離器內(nèi)的輕烴通過(guò)打開的閥4 上塔，閥4 的后面加一個(gè)單向閥防止塔壓回串，壓液到低液位后，閥1、閥4關(guān)閉，閥2、閥3打開，開始回流分離器新的平衡積液過(guò)程。

經(jīng)過(guò)以上積液過(guò)程和壓液過(guò)程的反復(fù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，使2個(gè)二低分內(nèi)的混合輕烴順利地壓到了脫乙烷塔。

改造后裝置中的原第二低溫分離器天然氣進(jìn)出口是常開，承擔(dān)著正常生產(chǎn)功能，新加的分離器平衡了原分離器的液體后靠天然氣加壓獨(dú)立運(yùn)行壓液功能，自動(dòng)閥工作順序見表1。

表1 自動(dòng)閥工作順序Tab.1 Work sequence table of automatic valve

4 產(chǎn)量提高分析

天然氣深冷處理裝置脫乙烷塔混合輕烴回流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)無(wú)泵化改造后，對(duì)比改造前，提高了脫乙烷塔回流系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)率，并且脫乙烷塔混合輕烴回流從原來(lái)的粗放回流改造成了精細(xì)回流，從而提高了混合輕烴的產(chǎn)量。

改造前，第二低溫分離器產(chǎn)出的混合輕烴，采用低溫泵泵入脫乙烷塔的方式進(jìn)行強(qiáng)制回流，在-70 ℃的工況條件下，盡管混合輕烴回流泵的進(jìn)口管線加有充分的隔熱保冷措施（一般采用海綿整體發(fā)泡的方法將全泵包裹發(fā)泡保冷)，但還是不能完全阻擋外部熱量輻射和傳導(dǎo)影響泵送介質(zhì)，混合輕烴吸熱后極易汽蝕，不管是柱塞泵還是離心泵，亦或是滑膜泵，都是泵送液體的，一旦運(yùn)行介質(zhì)汽蝕，泵馬上就不上量，在泵不上量的情況下，第二低溫分離器產(chǎn)出的混合輕烴進(jìn)不了脫乙烷塔，液位越來(lái)越高，直到混合輕烴進(jìn)入外輸管線，這是不能允許的運(yùn)行工況。為了使深冷裝置不停產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員只能舍棄脫乙烷塔混合輕烴回流，將脫乙烷塔壓力降到比第二低溫分離器還要低，保證第二低溫分離器的混合輕烴靠自壓進(jìn)入脫乙烷塔，這種情況下脫乙烷塔壓力低于第二低溫分離器，塔頂脫出的富含乙烷的混合輕烴不能回流進(jìn)入第二低溫分離器重新冷卻分離，還要新建一條塔頂?shù)酵廨敚ㄌ烊粴馓幚砉に囅到y(tǒng)下游）的氣態(tài)輕烴排放管線，為塔頂脫出的混合輕烴尋找出路，把原設(shè)計(jì)的脫乙烷輕烴回流的閉環(huán)系統(tǒng)，改成了加熱煉制開放系統(tǒng)，大量的C3、C4、C5等以上輕烴組分隨乙烷進(jìn)入了天然氣外輸管線，而不是回流到第二低溫分離器精煉。

為了應(yīng)對(duì)脫乙烷混合輕烴低溫回流泵不能正常運(yùn)行的情況，所有深冷裝置的脫乙烷塔頂回流線上基本上都建有到外輸?shù)姆至骶€，以應(yīng)對(duì)泵不上量的情況，有的深冷裝置甚至拆除了低溫回流泵，直接將脫乙烷塔降壓運(yùn)行，造成了混合輕烴回收率降低和外輸天然氣烴露點(diǎn)升高。

經(jīng)過(guò)無(wú)泵化改造后，用靜態(tài)壓力容器（并聯(lián)第二低溫分離器）取代了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備低溫泵，控制兩臺(tái)第二低溫分離器交替加壓和排液的氣動(dòng)開關(guān)閥門運(yùn)行十分可靠。對(duì)古一聯(lián)合站和興九天然氣處理站的深冷低溫回流系統(tǒng)改造后，裝置運(yùn)行正常，沒有發(fā)生過(guò)運(yùn)行故障。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)第二低溫分離器混合輕烴的液相出口的閘板閥調(diào)整開度，控制流量，使第二低溫分離器在切換前均勻壓液進(jìn)脫乙烷塔，避免了低溫泵強(qiáng)制輕烴回流情況下的排量或大或小的情況，真正實(shí)現(xiàn)了脫乙烷塔混合輕烴精細(xì)回流，既提高了混合輕烴產(chǎn)量，又改善了外輸天然氣氣質(zhì)。兩套深冷裝置改造前后每日運(yùn)行時(shí)間和產(chǎn)量對(duì)比見表2。

表2 改造前后深冷裝置運(yùn)行時(shí)間和產(chǎn)量對(duì)比Tab.2 Comparison of operation time and output of cryogenic unit before and after modification

5 結(jié)論

天然氣深冷處理裝置中，脫乙烷塔回流系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)能夠增加輕烴的回收率，用回流分離器代替低溫泵回流第二低溫分離器的實(shí)踐，經(jīng)過(guò)3年多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）增加了一具靜態(tài)運(yùn)行設(shè)備，即回流分離器，取消了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備低溫回流泵，天然氣深冷系統(tǒng)運(yùn)行可靠，沒有發(fā)生過(guò)因?yàn)榈诙蜏胤蛛x器和脫乙烷塔混合輕烴回流不暢問(wèn)題的故障停運(yùn)。

（2）4 臺(tái)后加的自動(dòng)控制開關(guān)閥是氣動(dòng)閥門，運(yùn)行可靠，液相選用的是公稱直徑為DN50 的閥門，氣相選用的是公稱直徑為DN25 的閥門，直徑都比較小，投資相應(yīng)較少。

（3）脫乙烷塔-第二低溫分離器回流壓液過(guò)程由站內(nèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，全程無(wú)人工操作，消除了低溫泵啟停泵的人為操作過(guò)程。

（4）天然氣深冷系統(tǒng)脫乙烷塔無(wú)泵化回流改造技術(shù)分別在古一聯(lián)合站和興九站的深冷裝置改造中進(jìn)行了應(yīng)用，每個(gè)站投資約30 萬(wàn)元，混合輕烴回收率增加1 倍以上，混合輕烴產(chǎn)量分別由5 t/d 和7 t/d提高到10 t/d和20 t/d以上，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。