气体处理装置在低负荷条件下操作的应用研究
2021-05-14郭明志张险峰魏旭
郭明志 张险峰 魏旭
摘要：随着石油伴生气储量的递减，装置供气量时常在设计下限80万方一下。原料气气质变贫：C3+含量由230克/立方米降至180克/立方米。在原设计参数控制下，装置无法达到预期的制冷深度，即影响C2+（NGL）收率的关键控制参数脱甲烷塔顶温度TI-0209有所升高。为解决这一技术难题，我们开展了相关研究。
关键词：气体;研究;挖潜
一、项目来源：
为解决这一技术难题，首先对工厂工艺流程进行分析，工厂来气经原料气压缩机和增压机三级压缩，干燥脱水后，进入冷箱2-E1、2-E2换热，在2-V1中进行分离，液相通过焦耳-汤姆逊阀节流后进入脱甲烷塔2-C1顶部，气相经膨胀机降温后作为2-C1的进料，塔顶产品甲烷经冷箱换热后外输，C2+产品由NGL泵送入分馏单元。在整个过程中，为原料气提供冷量的主要有在2-E1中与其换热的丙烷介质，通过等熵膨胀使气相降温的膨胀机，对2-V1底部介质进行节流膨胀的焦耳-汤姆逊阀。要实现降低装置的制冷深度，提高C2+（NGL）产品收率的目标，就需要在这三个环节上进行操作和控制参数的优化，以提高其制冷效果。
二、项目主要内容：
由于老油区开发力度的放缓，伴生气的气量和气质下降无法控制，我们主要靠提高装置的效率来提高工厂的处理量，同时靠优化工艺参数以提高轻烃产品的收率。
1、增大膨胀机喷嘴开度，提高伴生气处理量
我厂的原料气压缩机采用的是以燃气透平驱动的离心式压缩机，为提高工厂的处理量，机组已在额定转速下工作，但效果仍不十分理想。为进一步增加工厂的处理量，我们将压缩机的性能曲线和工艺管路的特性曲线联合分析;
Pe=Pb+ρe（∑hf）
式中：Pe为压缩机出口压力;Pb为工艺管路中某处的压力;ρe（∑hf）为流量损失能头。
在一定的管路中流量损失能头是容积流量的函数，从式中看出降低Pb，可达到增加容积流量的目的。对于我厂来说影响管路压力的关键控制点是膨胀机入口（喷嘴）开度，为此，在确保膨胀机转速在操作范围内，我们将膨胀机喷嘴由20%开大到35%，这样，膨胀机入口压力Pb由原来的38Bar降至34Bar。由此，我厂伴生气处理量每天提高了5万方左右，C2+（NGL）产品可增产13吨/日左右。
2、降低脱甲烷塔的热负荷，减少冷量消耗
针对目前工厂处理量降低，气质变贫的状况。技术人员对脱甲烷塔重新进行了热量衡算，发现应减少塔的热负荷。为此，我们对脱甲烷塔的控制参数重新进行了调整，将脱甲烷塔灵敏板温度TICA0220由原来的2℃降低到-8℃，将脱甲烷塔塔顶压力（即甲烷外输压力）PICA0201由12.5Bar降至11.5Bar。这样即保证了产品的纯度，同时也减少了NGL单元所需的冷量，降低了脱甲烷塔顶TI0209的温度。
3、解决3-V6不制冷问题，增加丙烷制冷单元冷量
我厂的丙烷辅助制冷单元采用的三级压缩制冷流程，3-V6为一级制冷蒸发器，靠温度差作为蒸发动力，制冷深度为-35℃。一段时间，3-V6不制冷，只能靠3-V7提供冷量，造成脱甲烷塔顶温度偏高。分析发现在冷箱2-E1中与3-V6、3-V7同时给原料气提供冷量的脱甲烷塔侧沸线7、8层温度偏低，8层进料温度TI0215为-60℃，7层出料温度TI0214为-40℃，低于丙烷在3-V6中的制冷深度，造成丙烷不能蒸发，影响了3-V6的制冷。经停机调整后，7、8层侧沸线温度恢复正常，8层进料温度TI0215恢复为-30℃，7层出料温度TI0214恢复为-15℃， 3-V6开始制冷，调整后全投3-V6、3-V7冷量，降低了2-E1出口原料气温度。
4、降低甲烷外输压力，提高膨胀比
为了提高伴生气处理量，我们将膨胀机喷嘴由20%开大至35%，但是膨胀机的膨胀比却由39（绝压）/13.5（绝压）=2.89下降到35（绝压）/13.5（绝压）=2.59，根据膨胀机经验公式：
（T2/T1）=（P2/P1）k-1/k
式中：k为常数（对于天然气k值在1.35-1.4左右）;T1为膨胀机入口温度;T2为膨胀机出口温度;P1为入口压力;P2为出口压力。
由上式可以看出膨胀机的出口温度T2会升高，不利于降低脱甲烷塔顶温。为此，我们将干气外输压力（出口压力P2）由12.5bar降低至11.5bar， 降外输压力后，膨胀比为2.8。同时又全投3-V6、3-V7的冷量，以此來降低膨胀机入口温度T1，最终在提高伴生气处理量的情况下，达到了降低膨胀机出口温度T2的目的。
5、减小2-V1开度，提高节流效应
在增大膨胀机喷嘴开度，提高处理量的同时，技术人员根据节流膨胀公式：
△TH=C△P（273/T1）2
式中：C为气体的特性常数;△TH为温度降;△P为节流逊阀前后压差;T1为节流前绝对温度（TI0212）。
有上式可以看出，节流膨胀所获得的温度降与压力降成正比，与节流前温度T1成反比，因此我们应采取增大压力降和降低节流前温度的方法来增大温度降。为此，在全投3-V6、3-V7冷量，以降低节流前绝对温度T1（TI0212）的同时，关小2-V1开度（LICA0202），以增大△P值，这样△TH值也相应增大，即降低了节流后温度TI0210。
通过2、3、4、5步的调整，我们降低了脱甲烷塔的热负荷，并且降低了两股进料温度（膨胀机出口进料温度T2和焦耳-汤姆逊阀后进料温度TI0210），调整后脱甲烷塔塔顶温度降低了4℃左右，稳定在-99℃左右。甲烷中C3+含量由3.0克/M3左右降低到2.3克/M3左右，平均每天多生产C3+产品0.7吨。
6、采用科学分析方法，降低天然气损耗
为了充分发挥引进装置的性能，实施了“六清一衡算”的科学计算方法。作到每天处理气量清、外输甲烷气量清、再生气量清、转换气量清、损耗气量清、轻烃产量清，达到物料衡算的目的，每周总结和月度生产分析。正是运用了科学的分析方法，我们发现丙烷的实际产量低于理论计算出的产量。
排除了由于计量误差和操作不平稳造成产量偏低的原因，逐条排查可疑管线，避免工艺阀门间存在内漏可能性。
四、经济效益分析
通过以上提高产量和收率措施，处理气量日均提高了5万方。甲烷中乙烷含量由29克/M3降至25克/M3，乙烷收率由81%提高到85%。C3+产品收率由94%提高到95%。创造可观经济效益。
参考文献
[1]王遇东：《天然气处理与加工工艺》
