摘 " " "要：針對(duì)低壓天然氣乙烷回收時(shí)存在能耗高及流程熱集成度低等問(wèn)題，通過(guò)能耗分析和?分析方法對(duì)比不同制冷方式的RSV、SRC、SRX工藝，優(yōu)選出膨脹機(jī)+丙烷制冷的SRC工藝。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在貧氣和富氣兩種條件下，SRC工藝能耗均最低，與SRX工藝相比能耗和?損最大降幅分別為15%、7.6%。3種乙烷回收工藝主要設(shè)備的?損失規(guī)律相同，以脫甲烷塔?損失最大，其次為壓縮機(jī)與主冷箱，這3類設(shè)備總?損占總損失的84%。

關(guān) "鍵 "詞：低壓貧氣；精餾原理；能耗；?分析；乙烷回收

中圖分類號(hào)：TE89 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）04-0589-04

天然氣乙烷回收是指回收天然氣中的乙烷及更重組分，為提高油氣田開發(fā)效益，國(guó)內(nèi)油氣田已重視回收天然氣中的乙烷[1-2]。

乙烷回收工藝方案與原料氣壓力高低密切相關(guān)，根據(jù)原料氣壓力的不同將壓力分為低壓、中高壓、高壓3類，低于4 MPa的原料氣稱為低壓天然氣，壓力介于4～7 MPa的原料氣稱為中高壓天然氣，壓力高于7 MPa的原料氣稱為高壓天然氣。對(duì)于低壓天然氣，由于冷凝溫度低，采用何種制冷方式、是否選擇增壓對(duì)能耗有很大的影響，但是國(guó)內(nèi)外并未報(bào)道過(guò)對(duì)制冷方式以及是否增壓的研究。目前，國(guó)外的深冷凝液回收裝置主要采用膨脹機(jī)制冷、丙烷制冷與膨脹機(jī)制冷聯(lián)合制冷的低溫分離工藝，對(duì)天然氣乙烷回收技術(shù)的研究側(cè)重于天然氣氣質(zhì)以及能耗方面，如YOON[3]通過(guò)模擬不同原料氣氣質(zhì)（乙烷摩爾分?jǐn)?shù)為5%～15%）對(duì)乙烷回收裝置能耗的影響，發(fā)現(xiàn)隨著天然氣中乙烷含量的增加，所需的外部冷量增加。

1 "乙烷回收工藝流程

1.1 "RSV工藝

RSV流程的主要特征是把部分外輸干氣節(jié)流閃蒸后回流進(jìn)入脫甲烷塔頂部，構(gòu)成一個(gè)以甲烷為主的制冷循環(huán)，調(diào)節(jié)其流量可控制乙烷回收率[4]。RSV工藝乙烷回收流程如圖1所示。RSV流程采用外輸氣回流、多股進(jìn)料的設(shè)計(jì)，乙烷回收率可達(dá)到超高的水平（大于96%）。

1.2 "SRC工藝

SRC流程在GSP流程的基礎(chǔ)上增加了脫甲烷塔側(cè)線氣相壓縮機(jī)，用脫甲烷塔上部側(cè)線抽出氣相取代部分外輸干氣，通過(guò)脫甲烷塔側(cè)線壓縮機(jī)增壓、與脫甲烷塔頂外輸氣換熱并節(jié)流過(guò)冷后進(jìn)入脫甲烷塔塔頂提供冷凝回流。脫甲烷塔塔底低溫凝液去脫乙烷塔分餾得到乙烷產(chǎn)品。典型SRC乙烷流程如圖2所示。

1.3 "SRX工藝

SRX流程在RSV流程基礎(chǔ)上，保留部分外輸氣回流至脫甲烷塔頂?shù)奶厣瑢⒚摷淄樗胁砍槌霾糠謿庀嘧鳛槊摷淄樗诙蛇M(jìn)料。典型SRX乙烷流程如圖3所示。

2 "能耗分析與?分析

2.1 "?分析模型

乙烷回收系統(tǒng)不僅是乙烷產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)，也是多個(gè)工藝單元能量消耗系統(tǒng)[5-6]。為了對(duì)實(shí)際用能系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行?分析而建立分析模型和?平衡方程以及確定用?評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的方法稱為?分析方 " 法[7-9]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與完善，目前已形成了多種?分析方法，而項(xiàng)新耀教授在黑箱法基礎(chǔ)上提出的“三箱”法在石油工程領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。其中灰箱模型將系統(tǒng)中所有設(shè)備均視為黑箱模型，而黑箱與黑箱之間用主?流線連接起來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)，然后可以對(duì)系統(tǒng)整體用能狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)及對(duì)系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)或設(shè)備的判別。本文對(duì)乙烷回收工藝的用能以及能量損失采用灰箱法。熱力學(xué)模型中由于并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此忽略化學(xué)?，并假設(shè)熱力學(xué)模型處于穩(wěn)態(tài)忽略熱力學(xué)模型中物流的動(dòng)能?。對(duì)于熱力學(xué)模型中每股物流的?均可按照式（1）表示。

E_X=〖（H-T_0 S）〗_（T，p）-〖（H-T_0 S）〗_（T_0，p_0 ） 。 "（1）

其中環(huán)境溫度T0為198 K，環(huán)境壓力為 "101.325 kPa。

式中：Ex—?，kJ·h-1；Exi—輸入?，kJ·h-1；Exo—輸出?，kJ·h-1； " " " I—?損失，kJ·h-1；QR—重沸器熱負(fù)荷，kJ·h-1；Wi—輸入功，kJ·h-1；Wo—輸出功，kJ·h-1；T0—環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下溫度，K；TUTY—重沸器溫度，K；m（·）—物流流量，kg·h-1；ex—比?，kJ·kg-1；h—質(zhì)量焓，kJ·kg-1； " " "h0—環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下質(zhì)量焓，kJ·kg-1；s—質(zhì)量熵，kJ·（kg·K） -1。

2.2 "基礎(chǔ)條件

能耗分析主要對(duì)3種乙烷回收流程的能耗進(jìn)行對(duì)比，能耗以壓縮機(jī)功耗為主。采用HYSYS軟件分別對(duì)3種乙烷回收流程進(jìn)行模擬并參數(shù)優(yōu)化。模擬計(jì)算時(shí)，通過(guò)合理控制流程的關(guān)鍵操作參數(shù)（包括外輸干氣回流比、低溫分離器溫度、物流分流比等），在保持乙烷回收率較高且相同條件下，對(duì)比這3種工藝的壓縮功。本文采用Aspen HYSYS對(duì)RSV、SRC、SRX 3種流程進(jìn)行程模擬并從熱力學(xué)的角度進(jìn)行分析。氣液平衡模型選用Peng-Rob1son方程，熵焓模型采用Lee-Kesler方程。模擬條件主要控制參數(shù)包括：脫甲烷塔壓降50 kPa 、壓縮機(jī)絕熱效率75% 、脫甲烷塔塔板數(shù)23塊、乙烷產(chǎn)品中C1質(zhì)量分?jǐn)?shù)lt;1.0 %、空冷器出口溫度50 ℃ 、乙烷產(chǎn)品中C3質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜2.5%、膨脹機(jī)絕熱效率85%、乙烷回收率94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、冷箱夾點(diǎn)溫度3.5 ℃。

本文原料氣為低壓氣，并按照氣質(zhì)貧富選用了貧氣與富氣兩種氣質(zhì)，其組成如表2所示。其中貧氣GPM為2.31，處理規(guī)模為1.5×107 m3·d-1，壓力為3.98 MPa，溫度為28 ℃，干氣外輸壓力大于 " 4.5 MPa。富氣GPM為3.97，處理規(guī)模1.0×107 m3·d-1，壓力為2 MPa，溫度為25 ℃，干氣外輸壓力大于4.5 MPa。

2.3 "乙烷回收工藝對(duì)比

乙烷回收工藝流程選用了RSV，SRX與SRC " 3種乙烷回收工藝，在保證回收率、二氧化碳凍堵裕量以及冷箱最小夾點(diǎn)溫差的前提下，選擇最節(jié)能工藝流程。其中制冷方式采用膨脹機(jī)與丙烷聯(lián)合 "制冷。

表3、表4為3種乙烷回收工藝的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及能耗。在保證回收率均為94%的前提下，貧氣乙烷回收工藝中SRC乙烷回收工藝能耗最低，與RSV以及SRX乙烷回收工藝相比能耗分別降低4.1%、15%。在富氣乙烷回收工藝中SRC乙烷回收工藝能耗最低，與RSV以及SRX乙烷回收工藝相比能耗分別降低5%、14.7%。

表5為3種乙烷回收工藝的?分析結(jié)果。3種乙烷回收工藝在?損失方面規(guī)律一致，在各項(xiàng)?損失比例中以脫甲烷塔所占比例最大，為總?損失的45%左右。其次為壓縮機(jī)與主冷箱，分別占總?損失的24.7%、12.41%。在貧氣與富氣的乙烷回收工藝中，以SRC?損失最小，分別為18 341.9 kW和16 875.8 kW。

3 "結(jié) 論

1）在貧氣和富氣兩種氣質(zhì)條件下，SRC工藝能耗均最低，與SRX工藝相比能耗分別降低15%、14.7%。

2）以丙烷制冷與膨脹機(jī)制冷聯(lián)合制冷工藝為基礎(chǔ)，對(duì)SRC、SRX、RSV 3種乙烷回收工藝進(jìn)行熱力學(xué)分析。以SRC?損失最小，為18 341.9 kW，與RSV與SRX乙烷回收工藝相比?損失分別降低6.1%、13.23%。3種乙烷回收工藝主要設(shè)備的?損失規(guī)律相同，以脫甲烷塔?損失最大，其次為壓縮機(jī)與主冷箱。這3類設(shè)備總?損占總損失的84%。3種乙烷回收工藝的能耗相比SRC的能耗最低，為19 853 kW。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣洪，朱聰，練章華. 提高輕烴回收裝置液烴收率[J]. 油氣田地面工程，2001，20（2）：26-27.

[2] 蔣洪. 高壓天然氣乙烷回收高效流程[J]. 石油與天然氣化工，2017，46（2）：7.

[3] YOON S， BINNS M， PARK S， et al. Development of energy-efficient processes for natural gas liquids recovery[J].Energy，2017，128：768-775.

[4] 王宇，陳小榆，蔣洪，等. RSV乙烷回收工藝技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代化工， 2018，38（2）：181-184.

[5] JIANG H， ZHANG S J， JING J Q， et al. The improvement and analysis of the high-pressure propane recovery process[J]. Asia-Pacific Journal Of Chemical Engineering， 2022，13（5）： 2246-1-2246-20.

[6] KELLY S，TSATSARONIS G，MOROSUK T. Advanced exergetic analysis： approaches for splitting the exergy destruction into endogenous and exogenous parts[J]. Energy， 2009， 34（3）：384-391.

[7] 紀(jì)國(guó)文. 天然氣礦場(chǎng)集輸系統(tǒng)用能評(píng)價(jià)技術(shù)研究及軟件開發(fā)[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2015.

[8] 劉武，紀(jì)國(guó)文，羅召錢，等. 天然氣礦場(chǎng)集輸系統(tǒng)用能分析及評(píng)價(jià)方法研究[J]. 石油與天然氣化工，2016，45（3）：8.

[9] HU H L， JIANG H， JING J Q， et al. Optimization and exergy analysis of natural gas liquid recovery processes for the maximization of plant profits[J]. Chemical Engineering undefinedamp; Technology，2019，42：182-195.

Optimization of Low Pressure Gas Ethane Recovery Process

LI Fei

（Shaanxi National Defense Industry Vocational and Technical College， Xi'an Shaanxi 710000， China）

Abstract：" Aiming at the problems of high energy consumption and low thermal integration in ethane recovery from low-pressure natural gas， the SRC process of expander+propane refrigeration was screened out by comparing RSV， SRC and SRX processes with different refrigeration modes through energy consumption analysis and analysis methods. The results showed that the energy consumption of SRC process was the lowest under both lean and rich gas conditions， and the maximum reduction of energy consumption and exergy loss was 15% and 7.6% respectively compared with SRX process. The exergy loss law of the main equipment of the three ethane recovery processes was the same， the exergy loss of demethanizer was the biggest， followed by the compressor and the main cold box， and the total exergy loss of these three types of equipment accounted for 84% of the total loss.

Key words：" Low pressure lean gas; Rectification principle; Energy consumption; Exergy analysis; Ethane recovery