陳振新

大慶油田有限責(zé)任公司

紅壓深冷裝置是國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的第一套天然氣低溫分離回收輕烴裝置。裝置采用丙炳-膨脹制冷工藝，日處理天然氣90×104m3，設(shè)計(jì)制冷溫度-106 ℃，日產(chǎn)輕烴160～180 t。裝置原料氣壓縮機(jī)組由意大利新比隆公司引進(jìn)，丙烷制冷機(jī)組和膨脹機(jī)組分別從美國(guó)約克公司和馬菲川崎公司引進(jìn)，共有動(dòng)設(shè)備17 臺(tái)、靜設(shè)備52 臺(tái)，是天然氣公司生產(chǎn)輕烴的主要裝置之一[1]。

1 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

紅壓深冷裝置存在制冷瓶頸：當(dāng)通氣量達(dá)到28 000 m3/h時(shí)，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到26 500 r/min，出口溫度降至-91 ℃，膨脹機(jī)發(fā)生凍堵；為防止凍堵，多余氣量走膨脹機(jī)J-T旁通閥直接進(jìn)入塔頂，降低了制冷負(fù)溫；為保證制冷溫度，只能提高丙烷機(jī)負(fù)荷，使丙烷制冷系統(tǒng)天然氣出口溫度保持在-30 ℃，以降低J-T旁通閥支路氣體溫度，使脫甲烷塔塔頂溫度保持在-83～-85 ℃，由此帶來(lái)以下問題：

（1）膨脹機(jī)制冷負(fù)荷小。為防止機(jī)組凍堵，多余氣量只能走J-T旁通閥，旁通閥開度保持在35%左右，約10 000 m3天然氣未經(jīng)過(guò)制冷直接進(jìn)入塔頂。

（2）丙烷機(jī)負(fù)荷大。為保證塔頂制冷溫度，丙烷機(jī)長(zhǎng)期在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，平均電流在39 A左右（高報(bào)40 A），丙烷機(jī)組能耗偏高。

（3）膨脹機(jī)易凍堵。當(dāng)氣量稍有增加時(shí)，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速升高，極易發(fā)生凍堵。凍堵發(fā)生后員工需立刻降低膨脹機(jī)負(fù)荷，升溫化凍，同時(shí)噴注甲醇。2019年因凍堵導(dǎo)致膨脹機(jī)停機(jī)4次，消耗甲醇12 t，平均每月發(fā)生凍堵1.2 次，增加了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）丙烷機(jī)電動(dòng)機(jī)線圈溫度高。電流大導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)線圈溫度高，尤其在夏季環(huán)境溫度高時(shí)，線圈溫度可達(dá)82 ℃（停機(jī)值85 ℃）。為保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，不得不減少裝置入口氣量，不僅增加員工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且影響裝置產(chǎn)烴和平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

2 優(yōu)化運(yùn)行方案

針對(duì)以上問題，結(jié)合紅壓深冷裝置實(shí)際情況，對(duì)丙烷-膨脹制冷機(jī)組進(jìn)行全面剖析，提出問題、論證并最終確定既能降低成本又能解決問題的最佳優(yōu)化方案。

2.1 基本思路

丙烷-膨脹制冷機(jī)組優(yōu)化分兩步進(jìn)行：第一步是降低塔頂壓力，在CO2分壓不變情況下降低其凝析點(diǎn)，降低裝置發(fā)生凍堵的溫度下限；第二步是降低丙烷機(jī)負(fù)荷，提高膨脹機(jī)入口溫度，減小J-T閥開度，使膨脹機(jī)多進(jìn)氣、多做功，在制冷量相同情況下減少丙烷機(jī)電耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[3]。

2.2 優(yōu)化原則

（1）嚴(yán)格依據(jù)CO2凝析曲線，將膨脹機(jī)出口參數(shù)點(diǎn)控制在CO2固液相平衡等壓線之下，防止凍堵。

（2）提高膨脹機(jī)通氣量，最大程度發(fā)揮膨脹機(jī)做功能力[4]。

（3）降低丙烷機(jī)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)丙烷機(jī)在夏季可正常工作、降低丙烷機(jī)能耗的目的。

（4）提高裝置輕烴收率（不低于優(yōu)化前的1.40 t/104m3）。

（5）膨脹機(jī)出口溫度不低于-97.8 ℃，防止甲醇凍堵。

（6）膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速控制在360 00 r/min 以下，防止機(jī)組本體振動(dòng)過(guò)大[4]。

2.3 優(yōu)化步驟

（1）根據(jù)CO2凝析曲線設(shè)定塔頂壓力及對(duì)應(yīng)膨脹機(jī)出口臨界凍堵溫度[5]。

（2）協(xié)調(diào)氣源，裝置入口氣穩(wěn)定在35 000 m3左右。

（3）調(diào)整塔壓到設(shè)定值。

（4）丙烷機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，使膨脹機(jī)出口溫度保持在臨界凍堵溫度左右。

（5）保持膨脹機(jī)出口溫度不變，緩慢降低丙烷機(jī)負(fù)荷，同時(shí)慢慢提高膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，減小J-T旁通閥開度[6]。

（6）當(dāng)持續(xù)減載丙烷機(jī)、加載膨脹機(jī)無(wú)法使膨脹機(jī)出口溫度維持在臨界溫度，或膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到36 000 r/min時(shí)，停止調(diào)整，維持現(xiàn)有工況[7]。

（7）在上述工況下運(yùn)行48 h，記錄設(shè)定工況下的膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力、丙烷機(jī)系統(tǒng)天然氣出口溫度、丙烷機(jī)電流、輕烴收率等參數(shù)。

（8）調(diào)整設(shè)定參數(shù)，開始新一組實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取7組數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）。由表1可知，在塔壓0.92 MPa時(shí)膨脹機(jī)做功不足，出口溫度偏高；在塔壓0.80 MPa 時(shí)膨脹機(jī)做功較大，但需增加丙烷機(jī)負(fù)荷來(lái)保證塔頂溫度，且輕烴收率低；當(dāng)塔壓控制在0.84～0.86 MPa 時(shí)，膨脹機(jī)出口溫度較低，丙烷機(jī)負(fù)荷小，裝置輕烴收率最大。因此，確定塔壓0.84～0.86 MPa，膨脹機(jī)出口溫度-92.5～-94.0 ℃為最佳操作區(qū)間，確定裝置操作點(diǎn)塔壓0.85 MPa，膨脹機(jī)出口溫度-93.5 ℃，與裝置優(yōu)化前工況（0.90 MPa，-90.1 ℃）進(jìn)行比較。優(yōu)化前、優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見表2。

表1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Optimization experiment data record

表2 優(yōu)化前、優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.2 Operation parameters comparison of propane and expander refrigeration unit before and after optimization

3.1 制冷量對(duì)比

裝置入口氣壓力0.65～0.7 MPa，溫度15 ℃。由理想氣體的狀態(tài)方程可近似求得在裝置設(shè)計(jì)工況下天然氣摩爾體積3.38 L/mol，裝置瞬時(shí)摩爾流量1.03×107mol/h。

紅壓深冷裝置入口氣相對(duì)密度γg在0.70 左右，天然氣臨界參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[8]為

式中：γg為裝置入口氣相對(duì)密度，無(wú)量綱；pcr為裝置入口氣臨界壓力，MPa；Tcr為裝置入口氣臨界溫度，K。

由式（1）、（2）可得：紅壓深冷裝置入口氣臨界壓力為4.61 MPa，臨界溫度為215.89 K。

3.1.1 優(yōu)化前天然氣焓變

（1）膨脹機(jī)氣體焓變。膨脹機(jī)入口對(duì)比壓力pr1為

式中：pr1為膨脹機(jī)入口對(duì)比壓力，無(wú)量綱；p1為優(yōu)化前膨脹機(jī)入口壓力，MPa。

膨脹機(jī)入口對(duì)比溫度Tr1為

式中：Tr1為膨脹機(jī)入口對(duì)比溫度，無(wú)量綱；T1為優(yōu)化前膨脹機(jī)入口溫度，℃。

膨脹機(jī)出口對(duì)比壓力pr2為

式中：pr2為膨脹機(jī)出口對(duì)比壓力，無(wú)量綱；p2為優(yōu)化前膨脹機(jī)出口壓力，MPa。

膨脹機(jī)出口對(duì)比溫度Tr2為

式中：Tr2為膨脹機(jī)出口對(duì)比溫度，無(wú)量綱；T2為優(yōu)化前膨脹機(jī)出口溫度，℃。

查閱氣體通用焓圖[9]可知，當(dāng)pr1=0.87、Tr1=1.05和pr2=0.19、Tr2=0.84時(shí)，

從氣體熱力學(xué)性質(zhì)表查閱可知，天然氣近似摩爾焓[10]為

式中：ΔHE為氣體經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)后焓變，J/mol；為氣體摩爾定壓熱容，J/(mol·K)；dT為溫度的微分量，無(wú)量綱。

（2）丙烷機(jī)組氣體焓變。同理可求，即

氣體經(jīng)過(guò)丙烷機(jī)組焓變?yōu)?/p>

（3）優(yōu)化前丙烷-膨脹制冷機(jī)組瞬時(shí)制冷量。已知設(shè)計(jì)工況下裝置入口瞬時(shí)摩爾流量F為1.03×107mol，可得：

式中：FE為優(yōu)化前膨脹機(jī)摩爾流量，mol/h；FP為優(yōu)化前丙烷機(jī)摩爾流量，mol/h；KE為優(yōu)化前膨脹機(jī)J-T閥開度，%。

優(yōu)化前制冷機(jī)組整體制冷量E為

3.1.2 優(yōu)化后丙烷-膨脹機(jī)組制冷量

式中：ΔH′E為優(yōu)化后膨脹機(jī)焓變，J/mol。

式中：ΔH′P為優(yōu)化后丙烷機(jī)焓變，J/mol。

式中：F′E為優(yōu)化后膨脹機(jī)摩爾流量，mol/h；F′P為優(yōu)化后丙烷機(jī)摩爾流量，mol/h；K′E為優(yōu)化前膨脹機(jī)J-T閥開度，%。

優(yōu)化后丙烷-膨脹制冷機(jī)組瞬時(shí)制冷量E′為

由計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后膨脹機(jī)制冷能力提高，丙烷機(jī)制冷能力下降，丙烷-膨脹制冷機(jī)組整體制冷能力提高18.5%。

3.2 耗電量對(duì)比

通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，優(yōu)化后丙烷-膨脹機(jī)組月度能耗較優(yōu)化前大幅下降，月均節(jié)電3.4×104kWh。2020 年4—9 月丙烷機(jī)組能耗與2018、2019 年同期對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。

表3 2020年4—9月丙烷機(jī)組能耗與2018、2019年同期對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.3 Comparison of propane unit energy consumption from April to September 2020 with the same period in 2018 and 2019 104 kWh

3.3 輕烴收率對(duì)比

優(yōu)化后塔頂溫度由-83.6 ℃降至-86.5 ℃，裝置輕烴收率可穩(wěn)定在1.42～1.44 t/104m3，較優(yōu)化前的1.40 t/104m3有明顯提升，年可增產(chǎn)輕烴725 t。

4 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，確定丙烷-膨脹制冷機(jī)組最佳操作參數(shù)區(qū)間為：塔壓0.84～0.86MPa，膨脹機(jī)出口溫度-92.5～-94.0 ℃；膨脹機(jī)J-T 旁通閥開度由35%降至21%，制冷負(fù)荷提高；丙烷機(jī)運(yùn)行電流由35 A降至21 A，制冷負(fù)荷降低。此時(shí)丙烷-膨脹制冷機(jī)組整體制冷能力提高18.5%，裝置輕烴收率由1.40 t/104m3提高至1.42 t/104m3以上；裝置運(yùn)行更趨平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期效果。該優(yōu)化操作無(wú)需成本，實(shí)際應(yīng)用成效明顯，對(duì)天然氣公司存在類似問題的其他裝置具有一定借鑒意義，有良好應(yīng)用前景。