鄒浪 李寶強(qiáng) 殷珠輝 袁標(biāo)

1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 2.中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司

輕烴回收是具有良好經(jīng)濟(jì)效益的一種天然氣加工工藝，不僅可以降低油氣損耗，提高資源綜合利用程度，獲得液態(tài)烴資源的更大價值，還能保證天然氣在儲藏、運輸過程中的安全性，減少大氣污染，對提高天然氣的整體經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[1]。

輕烴回收的工藝方法基本上可分為吸附法、油吸收法及冷凝分離法[2-4]，其中冷凝分離法是最常用的回收方法。該方法是利用一定壓力下天然氣中各組分的冷凝溫度不同，將天然氣冷卻到露點溫度以下，得到富含較重?zé)N類的凝液，從而使沸點較高的烴類從氣體中分離出來[5-8]。

某終端生產(chǎn)裝置包括段塞流捕集及凝析油穩(wěn)定、分子篩干燥脫水、凝液深冷分離、凝液分餾、凝液儲運等設(shè)施。投產(chǎn)至今，在高負(fù)荷狀態(tài)下，天然氣制冷單元直接換熱(direct heat exchange， DHX)工藝一直存在輕烴回收率與合格率均低的問題，面對液化石油氣廣泛的應(yīng)用前景和顯著的開發(fā)效益，解決該問題迫在眉睫[9-10]。

1 DHX工藝系統(tǒng)概況

某終端天然氣制冷單元DHX工藝采用膨脹機(jī)制冷工藝[11-12]、優(yōu)化重接觸塔及脫乙烷塔換冷工藝，并采用多股流板翅式換熱器，對天然氣及凝液復(fù)熱，并充分回收冷量，降低了裝置運行能耗，C3+設(shè)計收率達(dá)到 99%，為國內(nèi)外同類裝置先進(jìn)水平。原料氣組成如表1所列。

表1 某終端天然氣組成%組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)甲烷85.6戊烷及以上烴類2.5乙烷5.5二氧化碳3.8丙烷1.5氮氣0.6丁烷0.5

一期第一階段建設(shè)2套處理規(guī)模為39×104m3/h、適應(yīng)波動范圍為(24～48)×104m3/h 的天然氣處理裝置，主要包括脫水單元、制冷單元和分餾單元。工作原理主要是利用天然氣各組分在不同壓力下冷凝點的不同來實現(xiàn)分離C1、C2和輕烴組分，利用輕烴冷凝點高于C1和C2的物理特性，采用節(jié)流降溫或者膨脹降溫的方法使天然氣制冷，達(dá)到輕烴的冷凝點，從而分離出氣相的C1、C2和液態(tài)的輕烴[13]。制冷單元工藝流程如圖1所示，脫水后的天然氣進(jìn)冷箱與重接觸塔塔頂氣、塔底液及低溫分離器來液換熱后進(jìn)入低溫分離器。低溫分離器分出的氣相進(jìn)膨脹壓縮機(jī)組的膨脹端，然后進(jìn)入重接觸塔底部；低溫分離器分出的液相節(jié)流后，再經(jīng)冷箱復(fù)熱進(jìn)脫乙烷塔中部。重接觸塔塔頂氣經(jīng)冷箱換熱后進(jìn)膨脹壓縮機(jī)增壓端，增壓后經(jīng)重接觸塔塔底增壓泵提升，在冷箱中換熱后進(jìn)脫乙烷塔頂部。脫乙烷塔塔頂氣進(jìn)冷箱部分冷凝后進(jìn)入脫乙烷塔塔頂回流罐，分出的凝液經(jīng)脫乙烷塔塔頂回流泵提升后作為脫乙烷塔塔頂回流液，未凝氣與重接觸塔塔頂氣換熱后返回重接觸塔上部，脫乙烷塔塔底液節(jié)流后進(jìn)入下游分餾單元。

2 裝置現(xiàn)狀與存在的主要問題

終端投產(chǎn)后，在高負(fù)荷狀態(tài)下，存在C3+回收率低及液烴產(chǎn)品不合格、制冷單元系統(tǒng)易回溫、操作穩(wěn)定性差等問題，裝置天然氣處理能力僅為設(shè)計能力(48×104m3/h)的79%，液烴產(chǎn)品質(zhì)量均沒有達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，裝置處理量超過40×104m3/h后，LPG質(zhì)量合格率降低至95%以下，并且隨著裝置處理量的持續(xù)增加，問題會越發(fā)明顯，集中體現(xiàn)在以下兩個方面。

2.1 DHX工藝處理量接近設(shè)計值時輕烴合格率低

逐漸提高單套制冷單元處理量，增大膨脹機(jī)噴嘴開度，減小J-T閥開度，調(diào)整膨脹機(jī)膨脹比，調(diào)整F流道溫度，控制重接觸塔壓力、溫度及干氣壓縮機(jī)入口壓力趨近至設(shè)計值，觀察到重接觸塔液相流量、脫乙烷塔塔頂液相回流量逐漸增加，脫乙烷塔塔底液相溫度逐漸降低，脫乙烷塔塔底重沸器導(dǎo)熱油溫控閥開度逐漸增大。

隨著脫乙烷塔塔底溫度的波動，制冷單元熱平衡被打破，制冷單元開始回溫，制冷單元輕烴至分餾單元C2組分含量超高，導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品不合格，系統(tǒng)不能正常運行，發(fā)現(xiàn)DHX工藝系統(tǒng)處理量接近設(shè)計值時，輕烴產(chǎn)品合格率低。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性差

通過凝液回收，從中得到高附加值產(chǎn)品，不僅可減少損失，并且還可以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[14]。在裝置處理量接近設(shè)計值的情況下，為保證輕烴產(chǎn)品合格率，須升高制冷單元的溫度，調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)才能實現(xiàn)。操作實踐表明，隨著制冷溫度的升高，輕烴產(chǎn)品回收率開始降低。

此外，重接觸塔、脫乙烷塔對壓力溫度的變化十分敏感，正常的分子篩切換、負(fù)荷調(diào)整等外部條件的變化，容易引起制冷單元的波動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)回溫、輕烴產(chǎn)品不合格，系統(tǒng)操作穩(wěn)定性差，如圖2所示。

3 原因分析

通過總結(jié)制冷單元DHX工藝的運行情況，對比分析國內(nèi)同類輕烴回收裝置的工藝流程及操作要點，對導(dǎo)致某終端制冷單元DHX工藝出現(xiàn)輕烴產(chǎn)品回收率與合格率低的原因作如下分析。

3.1 冷箱A流道出口溫度波動大且冷量吸收不足

原料氣溫度會隨著環(huán)境溫度的改變而波動，表2是2020年8月中某一天內(nèi)環(huán)境溫度變化對C3+C4回收率的影響，發(fā)現(xiàn)C3+C4回收率隨原料氣溫度的降低而增加[15]。制冷單元A流道出口溫度直接影響J-T閥或膨脹機(jī)入口溫度，這個溫度也決定了制冷單元的制冷深度，隨著環(huán)境溫度升高和F流道負(fù)荷影響，A流道會表現(xiàn)出冷量吸收不足，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)整體溫度升高，從而直接影響制冷單元DHX工藝的輕烴產(chǎn)品的合格率。制冷深度越低，輕烴產(chǎn)品的合格率越高，反之亦然。

表2 環(huán)境溫度對C3+C4回收率的影響時間環(huán)境溫度/℃A流道出口溫度/℃C3+C4回收率/%8:0020-329610:0024-319512:0030-289214:0032-269016:0029-299318:0026-309520:0024-319522:0022-32960:0020-33952:0019-32974:0020-32966:0020-3396

3.2 制冷單元處理量波動大

某終端在上游配產(chǎn)變化與下游調(diào)峰時(尤其是節(jié)假日與夜間)，制冷單元入口流量會發(fā)生瞬時變化，最大調(diào)峰變化量超過5×104m3/h，影響系統(tǒng)平穩(wěn)。在系統(tǒng)波動過程中，制冷單元DHX系統(tǒng)的溫度會發(fā)生較為明顯的變化，系統(tǒng)通過量有較大增加時，系統(tǒng)溫度會升高，其中最為關(guān)鍵是導(dǎo)致脫乙烷塔的操作溫度發(fā)生擾動，從而導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品合格率降低。而系統(tǒng)溫度降低趨于穩(wěn)定的過程大概需要2～3 h。

3.3 制冷單元各液位、溫度變送器可靠性差，造成冷箱各物料波動

低溫分離器、重接觸塔、脫乙烷塔塔頂回流罐液位變送器的可靠性差，造成液位控制閥波動，進(jìn)入冷箱換熱的物料流量時大時小，影響各流道之間的正常換熱，由于脫乙烷塔進(jìn)料來自3個流道，每個流道的微小波動都會影響脫乙烷塔塔底重沸器的液位，造成脫乙烷塔塔底重沸器溫度控制波動，脫乙烷塔塔底溫度決定輕烴產(chǎn)品的質(zhì)量，但并非越高越好，而是存在一個極限值。當(dāng)塔底溫度超過此極值時，不僅不能提高丙烷回收率，相反還會使能耗大大增加。因此，需要綜合考慮對丙烷收率和塔底熱負(fù)荷的影響，確定合適的脫乙烷塔塔底溫度[16]，過高時液烴產(chǎn)品質(zhì)量好，但回收率低；如果溫度低，會影響液烴產(chǎn)品的質(zhì)量。在決定塔底溫度時，從塔底液體出口取樣分析液體C2的摩爾分?jǐn)?shù)，保證其不超過3%。

3.4 冷箱流道凍堵、臟堵，影響各流道換熱

冷箱各流道在上游分子篩失效情況下，易出現(xiàn)流道凍堵。系統(tǒng)內(nèi)長期運行產(chǎn)生的雜質(zhì)有可能在冷箱流道中聚集，將流道堵塞，造成冷箱流道差壓增大，影響換熱效果，最終導(dǎo)致脫乙烷塔及重接觸塔的塔壓和塔底溫度升高，表3是冷箱流道換熱效率核算表。而脫乙烷塔的操作壓力決定輕烴產(chǎn)品的質(zhì)量，操作壓力偏低時，液烴產(chǎn)品質(zhì)量好，但回收率低；壓力過高，輕組分不易蒸出去，將會導(dǎo)致液態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

表3 冷箱流道換熱效率核算表設(shè)計參數(shù)臟堵后實際運行參數(shù)冷箱流道進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW進(jìn)出口差壓/MPa進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW進(jìn)出口差壓/MPa換熱效率降低幅度/%A29-4021 6050.0629-3620 3530.105.80B-56108940.03-5257740.0513.47C-73-108 8910.06-71-167 7450.0912.89D-752222 7240.06-731620 8500.098.25E-39-705 5830.03-38-675 3000.075.07F-25-395 0580.03-25-374 2330.0516.32

4 解決方案

通過以上原因分析，采取優(yōu)化原設(shè)計操作、對關(guān)鍵儀器儀表重新校核選型、制定新的運行制度等方式，對制冷單元DHX工藝處理能力及相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析測試，最終解決了制冷單元DHX工藝輕烴產(chǎn)品合格率低的問題，具體措施如下。

4.1 調(diào)高冷箱F流道出口溫度設(shè)定值，保證冷箱A流道吸收充足冷量

圖3是冷箱內(nèi)部換熱流程圖。由圖3可以看出，A流道的出口換熱主要由B、C、D流道提供冷量，F(xiàn)流道通過影響C流道間接影響A流道。

脫乙烷塔塔底重沸器溫度升高導(dǎo)致脫乙烷塔塔頂溫度升高，脫乙烷塔塔頂溫度升高導(dǎo)致F流道溫度升高，從而導(dǎo)致C流道溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致A流道溫度升高，最終促使低溫分離器和重接觸塔溫度升高，影響制冷單元DHX工藝系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化。

設(shè)計要求冷箱F流道出口溫度控制在-39 ℃，自動控制下F流道物料全部進(jìn)入冷箱吸收C流道冷量，導(dǎo)致C流道進(jìn)入A流道時溫度較高，促使A流道吸收冷量不足，溫度上升，造成了制冷單元DHX工藝系統(tǒng)出現(xiàn)回溫，進(jìn)而導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品不合格和回收率偏低。

因此，穩(wěn)定控制A流道溫度，使A流道溫度足夠低，才能維持制冷單元冷量。

故當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)回溫時，提高F流道溫度控制閥設(shè)定值，即讓F流道更多物料走旁通而不經(jīng)過冷箱，盡可能將C流道的冷量提供給A流道換熱，保證A流道有足夠的冷量，當(dāng)A流道吸收足夠的冷量后，其溫度將會慢慢降低，由于A流道為整個制冷單元DHX工藝系統(tǒng)的起點，當(dāng)其溫度降低后，整個系統(tǒng)的溫度將會慢慢趨于穩(wěn)定。

為了驗證該方案是否有效，調(diào)高冷箱F流道出口溫度設(shè)定值，冷箱A流道出口溫度是否能夠達(dá)到設(shè)計值，多次對制冷A單元DHX工藝系統(tǒng)出現(xiàn)回溫時的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行追蹤，實驗結(jié)果如表4所列。實驗結(jié)果表明，調(diào)整后A流道出口溫度明顯降低，可以達(dá)到設(shè)計要求。

表4 F流道溫度控制閥設(shè)定值調(diào)整實施情況對比實施目標(biāo)實施情況采取將F流道溫度控制閥設(shè)定值提高,即讓F流道更多物料走旁通而不經(jīng)過冷箱,盡可能將C流道的冷量提供給A流道換熱實施前A流道經(jīng)換熱后溫度變化/℃實施后A流道經(jīng)換熱后溫度變化/℃換熱前換熱后換熱前換熱后30-2630-40

4.2 分子篩切換過程中增加兩塔吸附環(huán)節(jié)，保證制冷單元入口溫度穩(wěn)定

脫水單元分子篩干燥器在由再生冷吹流程切換為兩塔吸附流程時，由中控與現(xiàn)場人員配合，在兩塔吸附流程停留一段時間，直至分子篩干燥器出口溫度開始降低，現(xiàn)場人員再繼續(xù)按時序切換分子篩至正常吸附流程。確保分子篩切換時制冷單元入口溫度變化不超過5 ℃,保證制冷單元入口溫度穩(wěn)定。

為了驗證該方案是否有效，在分子篩切換過程能否有效將制冷單元入口溫度控制在5 ℃之內(nèi)，多次對分子篩切換過程進(jìn)行跟蹤記錄，實驗結(jié)果如表5所列。由表5可知，增加兩塔吸附環(huán)節(jié)后，制冷單元入口溫度變化幅度明顯降低，為DHX工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)運行創(chuàng)造了有利條件。

表5 控制分子篩切換過程實施情況對比實施目標(biāo)實施情況在分子篩切換過程將制冷單元入口溫度控制在5 ℃之內(nèi)實施前分子篩切換時制冷單元入口溫度變化/℃實施后分子篩切換時制冷單元入口溫度變化/℃切換前切換后切換前切換后24362427

4.3 控制下游調(diào)峰幅度，保證制冷單元流程平穩(wěn)

結(jié)合制冷單元運行情況，制定出某終端調(diào)峰能力表，與下游用戶溝通，提前做出調(diào)峰計劃，確保某終端配合下游調(diào)峰時，最大變化量不超過2×104m3/h。

4.4 優(yōu)化液位控制，確保DHX工藝系統(tǒng)平穩(wěn)運行

分析制冷單元DHX工藝系統(tǒng)液位出現(xiàn)較大波動的原因為液位控制系統(tǒng)時常出現(xiàn)跳變。經(jīng)技術(shù)分析得出，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因為液位變送器選型不當(dāng)，此液位計不適用于當(dāng)前工況。

針對制冷單元低溫特點, 重新計算介質(zhì)密度，對低溫分離器、重接觸塔液位變送器進(jìn)行選型，更換穩(wěn)定性高的液位變送器。經(jīng)過長時間觀察，更換液位變送器后，低溫分離器、重接觸塔液位控制平穩(wěn)，調(diào)節(jié)閥開度穩(wěn)定，冷箱各流道充分換熱。

4.5 冷箱流道爆破吹掃

針對冷箱流道因凍堵、臟堵而影響各流道換熱的情況，對冷箱各流道進(jìn)行爆破吹掃，為驗證爆破結(jié)果的有效性，記錄了爆破后不同通過量下冷箱A流道的差壓，并與爆破前的差壓對比，圖4為爆破前后差壓對比圖。由圖4可知，爆破后A流道差壓明顯降低。本次爆破效果顯著，爆破后冷箱各流道通過性明顯好轉(zhuǎn)，A流道出口溫度由-36 ℃下降至-39 ℃，熱負(fù)荷增加939 kW，換熱效率提升4.62%。

5 取得成果分析

對采取上述措施后的實施效果進(jìn)行驗證，并跟蹤了輕烴產(chǎn)品中C3+C4回收率變化情況，如圖5所示。由圖5可知，單套制冷滿負(fù)荷連續(xù)運行90天，輕烴產(chǎn)品中C3+C4回收率始終大于95%，解決了制冷單元最大負(fù)荷運行工況下輕烴產(chǎn)品不合格的問題。

6 結(jié)語

通過優(yōu)化設(shè)計操作、對關(guān)鍵儀器儀表重新校核選型、制定新的工作制度等方式，成功解決了制冷單元輕烴產(chǎn)品不合格問題，輕烴產(chǎn)品回收率由87%提升至94%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時，還解決了制冷單元處理能力達(dá)不到設(shè)計值的問題，實施改進(jìn)措施后，在滿負(fù)荷運行工況下，制冷單元DHX工藝輕烴產(chǎn)品合格率始終達(dá)標(biāo)。本研究所運用的分析思路和解決措施，可為類似輕烴產(chǎn)品回收裝置的故障處理提供經(jīng)驗借鑒。