崔連來
中國石化中原油田分公司
天然氣輕烴回收工藝是將輕烴回收工藝技術、系統(tǒng)冷熱集成技術、輕烴回收高效設備應用等方面相結合,以優(yōu)化工藝系統(tǒng)、提高輕烴回收率和能量利用率的綜合工藝。目前,國內外的深冷輕烴回收裝置主要采用膨脹機制冷、冷劑制冷+膨脹機制冷等低溫分離工藝,運用較多的乙烷回收工藝主要有液體過冷工藝(liquid subcooled process,LSP)、氣體過冷工藝(gas subcooled process,GSP)、部分干氣再循環(huán)工藝(recycle split vapor process,RSV)和高壓吸收工藝(high pressure absorber process,HPA)等[1-3],其中,RSV工藝應用最為廣泛。相比國外而言,我國天然氣輕烴回收技術起步較晚,于20 世紀90 年代,四川西南地區(qū)開始從事天然氣分離回收丙烷及液烴產品的試驗工作,但由于工藝技術條件落后,C3+輕烴回收率較低[4]。并且,國內輕烴回收裝置大部分為丙烷回收工藝,采用乙烷回收工藝裝置相對較少;裝置存在工藝不合理、回收率不高、能耗過大、產品質量不達標、自控水平不高、工藝運行參數(shù)偏差較大等一系列問題[5]。本研究針對天然氣深冷工藝裝置中因原料氣氣量下降、氣質變貧造成C2+輕烴收率下降、裝置運行難度大等導致裝置乙烷收率降低的問題進行了研究,有效提高了乙烷收率,取得了一定的經濟效益。
截至2020年,國內在大慶油田、中原油田、長慶油田和塔里木油田建有天然氣乙烷回收裝置,其中,大慶油田和中原油田的天然氣處理裝置均采用LSP工藝,輕烴回收工藝比較單一且原料氣處理負荷偏??;而塔里木油田和長慶油田的天然氣深冷處理裝置均采用改進的RSV工藝,乙烷回收工藝先進,且原料氣處理負荷較大,其中長慶油田天然氣處理裝置負荷高達200×108m3/a[6]?,F(xiàn)將國內天然氣乙烷回收裝置進行統(tǒng)計,如表1所列[6-14]。
表1 國內天然氣乙烷回收裝置統(tǒng)計序號天然氣處理裝置輕烴回收工藝乙烷設計回收率/%建設時間/年1大慶薩南深冷裝置改進LSP工藝(雙極膨脹制冷)83.319842中原第三氣體處理廠LSP工藝85.020003中原第四氣體處理廠改進LSP工藝(丙烷制冷+膨脹機)85.020014大慶紅壓深冷裝置改進LSP工藝(丙烷制冷+膨脹機)80.020035大慶南壓深冷裝置改進LSP工藝75.020066塔里木油田輪南乙烷回收深冷裝置改進RSV工藝92.020197長慶油田上古天然氣處理總廠深冷裝置改進RSV工藝92.02019
中原油田天然氣深冷工藝裝置屬于中壓深冷輕烴回收裝置,以油田伴生氣為原料,采用“丙烷制冷+膨脹機制冷”聯(lián)合制冷工藝,單套裝置設計處理能力為(80~120)×104m3/d,其產品主要有干氣(甲烷)、液態(tài)乙烷、高純丙烷、丁烷以及穩(wěn)定輕烴產品,其中,液態(tài)乙烷作為產品輸送至中原乙烯裝置。裝置原料氣經壓縮單元壓縮至4.5 MPa并進行脫水處理后,先后經丙烷制冷、膨脹機制冷冷卻至-80 ℃進入NGL回收單元,干燥冷卻后的原料氣進入分餾塔進行輕烴回收。其中,乙烷產品收率為75%,輕烴收率在95%以上,輕烴產量可達260 t/d以上,其主要工藝流程如圖1所示。
天然氣深冷輕烴回收裝置自2010 年運行以來,伴隨原料氣處理氣量大幅遞減和氣質變貧,造成裝置運行出現(xiàn)以下問題:
(1)輕烴收率下降。伴生氣氣量大幅下降且原料氣氣質變貧,導致脫甲烷塔氣液比等操作參數(shù)偏離原設計值,而脫甲烷塔在現(xiàn)有的工作參數(shù)范圍內不能有效地分離甲烷和乙烷,使得乙烷產量和收率下降,直接影響了企業(yè)的經濟效益。據統(tǒng)計,2015年,脫甲烷塔最低控制溫度較2010年升高近6 ℃,致使輕烴收率變小,產量大幅下降,日產輕烴已降至約130 t。2016年1-9月處理的伴生氣總量為15 962.37×104m3,乙烷總產量為8 697.86 t,其中,1×104m3伴生氣生產的乙烷只有0.54 t。
(2)裝置運行難度大。伴生氣氣量和氣質的變化造成深冷裝置操作難度增大。氣質變貧,會造成節(jié)流閥的節(jié)流降溫效果增強,閥后溫度降低,導致節(jié)流閥凍堵現(xiàn)象發(fā)生。凍堵現(xiàn)象會導致原料氣壓縮機與膨脹增壓機停機,裝置難以安全平穩(wěn)運行,甚至引發(fā)全廠停機。作為伴生氣商品化鏈條中的重要一環(huán),裝置擔負著伴生氣中液烴的回收任務,長時間停機會嚴重影響下游企業(yè)的生產及民用燃氣的供應。
針對上述問題,對低氣量下深冷裝置運行進行優(yōu)化,以提高輕烴收率,保持裝置運行的安全性和穩(wěn)定性。
蒸餾是氣液兩相間的傳質過程,因此以常用組分在兩相中的濃度(組成)偏離平衡濃度的程度來衡量傳質推動力的大小。傳質過程是以氣液兩相達到相平衡為極限的,根據亨利定律相平衡原理,在一定的溫度和壓力下,系統(tǒng)的相平衡常數(shù)K不變[15-16],如圖2所示?;诒?所列原料氣組成數(shù)據和亨利定律相平衡原理,若要增大乙烷的液化率,則需通過減小乙烷的液相摩爾分數(shù)來增加乙烷的液化推動力。
表2 原料氣組成y/%組分原設計參數(shù)重組分輕組分2016年9月伴生氣組成2016年10月伴生氣組成H2O0.6850.688飽和飽和N20.4260.6460.7570.863CO20.3401.2522.8812.661CH475.30079.16685.29486.477C2H610.7108.2905.9735.942C3H86.1755.0652.2471.854i-C41.4541.1400.4720.383n-C42.5522.0620.9970.755i-C50.9780.7550.4610.310n-C50.7480.3760.2970.235n-C60.4150.3340.3740.356n-C70.2170.2260.2470.164乙烷在C2+中的百分數(shù)45.2645.8954.3960.14
yi=Kxi
(1)
式中:K為相平衡常數(shù);yi為溶質的氣相摩爾分數(shù),%;xi為溶質的液相摩爾分數(shù),%。
3.2.1建立工藝計算模型
可在原料氣中增加比乙烷更容易液化的組分,使脫乙烷塔的進料中乙烷的液相分數(shù)減小,增大其液化推動力,提高塔頂乙烷采出率,增加裝置乙烷產量和收率[17-20]。因此,基于裝置上述原料氣基礎數(shù)據、裝置工藝流程(見圖1)及運行參數(shù)建立裝置工藝計算模型,考查不同條件下分別向原料氣中加注比乙烷更易液化的組分(丙烷、丁烷)對裝置乙烷收率的影響。
3.2.2向原料氣中補充丙烷
(1)在裝置恒定脫甲烷塔塔頂溫度為-92 ℃的條件下(裝置其他工藝和機組參數(shù)運行正常,下同),考查丙烷加注量與乙烷收率的關系。由建立的工藝計算模型核算可知,乙烷產量和乙烷收率隨丙烷加注量的增加而增加,如圖3所示。當丙烷加注量由0 kg/h增至4 000 kg/h時,乙烷產量由1 107 kg/h提高至1 634 kg/h,乙烷收率由43%提升至64%,乙烷增收量為527 kg/h,乙烷收率增加21%。由此說明,在恒定脫甲烷塔塔頂溫度為-92 ℃時,即在脫乙烷塔進料中甲烷組分含量不變時,向原料氣中加注丙烷相當于使原料氣氣質變富,從而提高乙烷產量和收率。隨著原料氣中丙烷加注量的變化,乙烷的增收量和1×104m3伴生氣所得的乙烷產量的變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出,隨著丙烷加注量的增大,乙烷增收量及1×104m3伴生氣乙烷產量均呈上升趨勢,但上升幅度均逐漸減小。
(2)在裝置恒定脫甲烷塔塔底溫度為0 ℃的條件下,考查丙烷加注量與脫甲烷塔塔頂溫度的關系。由建立的工藝計算模型核算可知,脫甲烷塔塔頂溫度隨丙烷加注量的增加而降低,乙烷收率則隨丙烷加注量的增加而增加,如圖5所示。當丙烷加注量由0 kg/h增至3 000 kg/h時,脫甲烷塔塔頂溫度由-93.0 ℃降至-94.8 ℃,乙烷收率由51%提高至80%,脫甲烷塔塔頂溫度降低了1.8 ℃,乙烷收率增加30%。由此說明,脫甲烷塔塔頂溫度降低,塔頂甲烷分離更加徹底,塔底采出液中C1組分減小,使脫乙烷塔進料變富,有利于提高乙烷收率。加注丙烷使脫乙烷塔進料進一步變富,促使乙烷收率有更大的提高。
(3)在裝置恒定脫甲烷塔塔底溫度為0 ℃的條件下,考查丙烷加注量與乙烷收率和乙烷產量的關系。由建立的工藝計算模型核算可知,乙烷產量和乙烷收率隨丙烷加注量的增加而增加,如圖6所示。當丙烷加注量由0 kg/h增至4 000 kg/h時,乙烷產量由1 317 kg/h提高至2 242 kg/h,乙烷收率由51%提升至87%,乙烷增收量為925 kg/h,乙烷收率增加36%。
3.2.3向原料氣中補充丁烷
在裝置恒定脫甲烷塔塔底溫度為0 ℃的條件下,考查丁烷加入量與乙烷收率和乙烷產量的關系。由建立的工藝計算模型核算可知,乙烷產量和乙烷收率隨丁烷加注量的增加而增加,如圖7所示。當丁烷加注量由0 kg/h增加至4 000 kg/h時,乙烷產量由1 317 kg/h提高至2 200 kg/h,乙烷收率由50%提升至85%。同理,恒定脫甲烷塔塔底溫度,向原料氣中補充丁烷同樣可以降低脫甲烷塔塔頂溫度,從而對比相同條件下分別向原料氣中加注相同量的丙烷和丁烷,加注丙烷時的乙烷收率更高。
綜上所述,現(xiàn)擬采取原料氣中并入較富原料氣氣源和向原料氣中補充丙烷的措施,驗證對裝置乙烷產量和收率的影響,從而解決裝置乙烷平均收率下降的問題。
經現(xiàn)場調研,調配較富原料氣氣源可以采用調配榆濟線原料氣氣源方式。由于裝置脫丙烷塔塔頂生產丙烷產品,因此采用脫丙烷塔塔頂不凝氣管線向原料氣中補充丙烷組分,可實現(xiàn)向原料氣補充丙烷的措施,如圖8所示。
經現(xiàn)場技術改造,采取有效措施前后裝置生產乙烷產品的產量統(tǒng)計如表3所列。補充榆濟線較富原料氣后,裝置乙烷增收量為4.26 t/d;同時補充榆濟線天然氣和丙烷氣后,乙烷增收量為9.00 t/d(>理論計算乙烷增收量8.60 t/d)。由此可見,向原料氣中補充丙烷氣可以有效增加乙烷產量,提高裝置乙烷收率。
表3 采取有效措施前后裝置生產乙烷產品統(tǒng)計日期乙烷平均產量/(t·d-1)乙烷增收量/(t·d-1)備注2017-08-17-2017-08-3136.160.00補充干氣2017-09-02-2017-09-1140.424.26補充榆濟線氣2017-10-02-2017-10-0845.169.00補充榆濟線氣+丙烷氣
經實踐證明,通過向原料氣中補充丙烷可提高乙烷產量,2017 年與2016 年同期數(shù)據相比較,1×104m3伴生氣回收乙烷產量由0.54 t增至0.65 t,乙烷產品年產量提高了1 438.54 t,并獲得經濟效益256.88 萬元/年,見表4。
表4 2016-2017年1-9月伴生氣及乙烷情況時間伴生氣產量/104m3乙烷產量/t乙烷平均收率/%1×104m3伴生氣乙烷回收量/t2016年1-9月15962.378697.86620.542017年1-9月13488.358722.25700.65同期對比-2474.0224.3980.11
通過理論模型分析提高乙烷收率的有效措施,并將其投入現(xiàn)場實施,可實現(xiàn)乙烷產品年產量增產1 438.54 t,裝置乙烷收率由62%提高至70%,獲得經濟效益256.88 萬元/年,并可得出以下結論:
(1)采用向原料氣中補充丙烷或丁烷的方法,可降低乙烷在液相組分中的摩爾分數(shù),有效提高乙烷產量和收率,且乙烷收率隨著原料氣中丙烷(或丁烷)加注量的增加而提高。
(2)在恒定脫甲烷塔塔底溫度時,通過向原料氣中補充丙烷或丁烷,均可降低脫甲烷塔塔頂?shù)牟僮鳒囟?,進一步提高裝置乙烷產品的產量。
(3)對比向原料氣中補充丙烷與補充丁烷的結果發(fā)現(xiàn),采用向原料氣中補充丙烷的方式,裝置乙烷產品增產效果更好,乙烷收率提高更大。