直接换热凝液回收工艺高级火用分析

蒋洪 杨铜林 喻靖 王缤蕊 崔永兴 杨冬磊

1.西南石油大学石油与天然气工程学院 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 3.中国石油塔里木油田克拉油气开发部克深8采气作业区 4.中国石油塔里木油田安全环保与工程监督中心 5.中国石油塔里木油田分公司油气运销部

天然气凝液回收是指从天然气中回收丙烷及以上组分，回收的天然气液体可以显著提高油气田的经济效益[1]。近年来，天然气得到了广泛的应用[2-3]，提高天然气的利用率成为目前研究的热点。国内大部分油气田凝液回收均采用了直接换热流程工艺，在实际运行过程中存在能耗较高、效率较低的问题，故分析回收工艺的用能情况变得尤为重要。

目前，有许多方法可用于评估直接换热(direct heat exchange,DHX)丙烷回收流程。陈波等[4]以丙烷回收率及系统能耗为目标函数，通过改变关键参数，研究轻烃回收运行模式的可行性；周刚等[5]对DHX回收工艺进行单因素分析来简化工艺流程，提高经济效益；卫浪等[6]在对系统关键参数分析的基础上，利用BP神经网络进行多目标优化，为实际工艺流程设计提供理论依据；肖乐等[7]对凝液回收过程的制冷工艺进行优化，推荐采用丙烷制冷+膨胀机制冷+脱乙烷塔塔顶气冷凝回流的制冷工艺，新工艺显著提高了丙烷回收率；张继东等[8]在工艺运行关键参数的研究基础上，提出了3种提高丙烷回收率的措施，为实际运行提供了可行方案；张世坚等[9]通过增设脱乙烷塔塔顶回流罐，针对不同工艺条件对丙烷回收流程进行改进，为实际运行工况提供理论基础。

火用分析是一种全新的比较方法，可以找出回收工艺中火用损的大小及位置，但国内鲜有针对DHX工艺的火用分析报道。基于常规火用分析的高级火用分析可以研究火用损的原因，高级火用分析将常规火用的火用损分解为可避免、不可避免、内源及外源4个部分，该方法为过程比较和改进提供了独特的评估方法。2016年，M. Mehrpooya等[10]对南帕斯气田乙烷回收装置进行高级火用分析，发现压缩机的火用损占总火用损的25.47%，同时，这部分火用损的63.38%是可以避免的；2019年，M. Mehdizadeh-Fard等[11]对南帕斯气田的一个复杂的天然气精炼厂进行了换热网络的高级火用分析，结果表明换热网络火用效率可从62.8%提高到84.2%，且仅有的18个低效换热器造成了换热网络中超61%的火用损，改进潜力很大；2016年，J. Galindo等[12]对内燃机底部的有机朗肯循环进行常规及高级火用分析，火用损可降低36.5%；2018年，李雅娴等[13]对LNG冷能空分工艺进行高级火用分析，基于分析结果提出改进方案，优化方案的有效能利用率提高了28.891%。

本研究基于国内某气田气质，利用直接换热流程进行凝液回收模拟，在常规火用分析的基础上，对各个设备及整个系统进行高级火用分析，以明确系统的优化潜力。

1 研究方法

1.1 模拟说明

天然气凝液回收常用PR状态方程进行工艺计算和热力学计算[14]。压缩机绝热效率75%，膨胀机绝热效率85%，换热器最小换热温差大于3.0 ℃，原料气压力5.0 MPa，温度30 ℃，流量800×104m3/d，外输压力6.13 MPa。原料气组成见表1。集成过程所有设备处于稳定状态，动能和势能的变化忽略不计，同时凝液回收过程未发生化学反应，不考虑化学火用，故对设备的火用计算仅考虑物理火用。

表1 原料气气质工况%组分摩尔分数组分摩尔分数N2CO2C1C2C3i-C4n-C40.560.3785.888.382.760.640.58i-C5n-C5C6C7C8C9C100.280.120.140.150.090.040.01

1.2 流程描述及模拟

利用HYSYS软件对直接换热流程进行模拟分析，工艺流程图如图1所示，流程基础模拟工况如表2所列。

表2 流程模拟基本情况项目膨胀机出口压力/kPaDHX塔塔压/kPaDHX塔理论塔板数/块脱乙烷塔塔压/kPa脱乙烷塔理论塔板数/块脱丁烷塔塔压/kPaDHX工艺2 3502 30082 500261 600项目脱丁烷塔理论塔板数/块丙烷回收率/%总压缩功耗/kW重沸器负荷/kW综合能耗/(104 MJ·d-1)DHX工艺3095.5610 8407 489391.76

原料气经主冷箱LNG-101 预冷到-35.5 ℃进入低温分离器V-101进行气液分离，气相经膨胀机组K-101降压至2 350 kPa进入DHX塔底部，液相节流降压经LNG-101换热至22 ℃进入脱乙烷塔T-102中部。DHX塔底部液相与原料气换热到1 ℃进入T-102顶部。T-102塔顶气相与DHX塔顶部气相换热冷凝到-25 ℃进入回流罐V-102，V-102气相经过冷冷箱LNG-102降温至-70 ℃进入DHX塔顶部，与膨胀机气相进行逆流接触，吸收原料气中的重烃，提高凝液回收率。脱乙烷塔塔底物流进入脱丁烷塔进行液化石油气及稳定轻烃的分离。

1.3 高级火用分析

已有文献对轻烃回收工艺进行了常规火用分析[15]，故在此基础上对凝液回收工艺进行高级火用分析，并以此对工艺流程进行用能评价及分析。常规火用分析的结果如图2所示。

常规火用分析仅仅能对工艺流程中的各个设备进行火用损及火用效率的定量分析，不能揭示系统的改进潜力[16]，而高级火用分析正好能够弥补上述缺陷。

1.3.1内源火用损及外源火用损

内源火用损及外源火用损可用于分析设备本身的改进潜力及减小其他设备火用损用于该设备的潜力改进。设备所产生的总火用损分为内源及外源火用损，具体分解形式如式(1)所示：

(1)

运用工程法，系统的总火用损可按照式(2)进行细分：

(2)

1.3.2可避免及不可避免火用损

由于技术及经济发展的限制，即使使用最先进的技术也不能消除的火用损称为不可避免火用损，通过技术发展可以减少甚至消除的火用损称为可避免火用损[20]。将设备所产生的火用损分为可避免及不可避免火用损，其表现形式如式(3)所示：

(3)

式中：上标AV为设备K的可避免火用损，kW；UN为不可避免火用损，kW。

计算不可避免火用损时，需要使设备处在最高效率情况下，计算出设备在不可避免情况下所产生的火用损以及有效火用，得到计算设备在实际运行工况下的不可避免火用损的系数(ED,K/EP,K)UN[21]。将实际运行工况下设备的产品火用乘以系数(ED,K/EP,K)UN得到设备不可避免火用损，计算公式如式(4)所示。有效火用的计算公式见式(5)，将设备的总火用损减去不可避免火用损得到设备的可避免火用损，计算公式见式(6)。计算不可避免火用损的假设见表3。

(4)

(5)

(6)

表3 计算不可避免火用损的假设[22]设备运行情况不可避免状态①理想状态LNG-101夹点温度3.11 ℃LNG-102夹点温度3.52 ℃夹点温度0.5 ℃[23]对数平均温差2 ℃压降0②夹点温度0 ℃对数平均温差0 ℃压降0K-102K-103 绝热效率75%绝热效率95%[24]绝热效率100%K-101等熵效率85%等熵效率99%等熵效率100%T-101压降20 kPa理论塔板8块热绝缘压降0最大理论塔板20块热绝缘T-102压降50 kPa理论塔板26块热绝缘压降0最大理论塔板30块热绝缘热绝缘压降0理论塔板趋近无穷T-103压降50 kPa理论塔板30块热绝缘回流比为0.67压降0最大理论塔板30块热绝缘回流比0.10热绝缘压降0回流比趋于最小值理论塔板趋近无穷AC-101AC-102夹点温度20～30 ℃压降50 kPa夹点温度5 ℃压降0夹点温度0 ℃压降0 注:①不可避免状态:设备及工艺在未来达到极高水平仍会存在的能量损失;②制造水平到一定高度可以忽略换热管程的压降损失。

1.3.34种火用组合的细分

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2 结果与讨论

2.1 高级火用分析结果

从图6可知，直接换热流程内源火用损远远大于外源火用损，即凝液回收过程中各设备产生的火用损主要来源于自身的不可逆性，其他设备对于所研究设备的火用损影响较小。直接换热流程内源火用损占系统总火用损的68.89%，是外源火用损的2.2倍。系统可避免火用损占总火用损的比例较大，与不可避免火用损相比，高出10.38%。从上述结果分析可知，凝液回收系统具有很大的火用损改进潜力。

表4 火用损细分类型kW设备火用损类型EEND,KEEXD,KEP,KEDEP()UNEUND,KEAVD,KEENP,KEUN,END,KEUN,EXD,KEAV,END,KEAV,EXD,KLNG-101465.28256.401 658.280.221 8367.86353.821 069.28237.20130.66228.08125.74LNG-102772.55164.241 451.440.395 4573.85364.941 196.73473.15100.70299.4065.54K-1011 250.2261.512 703.280.083 3225.271 086.462 576.59214.7110.561 035.5150.95K-102280.69351.842 070.750.047 899.04533.50918.8443.9455.09236.75296.75K-1031 373.39691.678 771.230.040 3353.831 711.235 832.22235.27118.561 138.12573.11T-101525.58139.3134 388.060.014 9512.77152.1227 136.53404.64108.13120.9431.18T-102860.66341.855 372.120.219 31 178.2024.303 844.97843.27334.9317.386.92T-103574.22101.201 852.010.310 7575.34100.091 574.00488.9786.3685.2514.84AC-101143.48422.68556.340.182 6101.58464.58140.9825.7475.84117.74346.84AC-102199.7221.74217.670.903 7196.7124.75196.31177.4119.3022.312.44

由表4可知，几乎所有设备的火用损都是由于自身不可逆性产生的，且其占总火用损的比例较高。但对于透平膨胀机组的压缩端K-102及空冷器AC-101而言，外源火用损大于其内源火用损。压缩端K-102火用损与膨胀段K-101的绝热效率联系密切，轴功率变化对压缩端的火用损影响较大；空冷器AC-101安装位置在外输气处，受外输气温度波动影响。

压缩机、透平膨胀机组、空冷器AC-101不可避免状态与实际火用效率相比差异明显。这些设备的可避免火用损占总火用损的比例很高，可通过改善系统工艺结构及设备工艺技术来消除这些火用损。由于冷箱的热利用率高，导致火用效率很高，故不可避免火用损与实际工况的火用损差异不明显，不可避免火用损与总火用损的比率较小。进料物流的物性对吸收塔及精馏塔的火用损影响明显，不可避免状态与实际工况相近，因此，改善塔器的有效能利用率较困难。

图7显示了直接换热流程中4类火用损组合的分布。在4类组合火用损分布中，可避免内源火用损占比最高，接着是不可避免内源火用损、可避免外源火用损、不可避免外源火用损。图8揭示了各个设备总火用损及其4类细分火用损，系统中大多数设备火用损主要是可避免内源火用损，表明可以通过提高设备自身的效率来减少系统总火用损。

直接换热流程的火用损主要集中在压缩机及透平膨胀机组，且可避免内源火用损的比例较高，故通过提高压缩机的效率来减少系统的总火用损是比较明显的改进措施。膨胀机K-101、压缩机K-102、压缩机K-103的可避免内源火用损分别为1 035.51 kW、236.75 kW、1 138.12 kW，消除这些设备的火用损可以明显提高系统有效能利用率，压缩机K-103可避免火用损占系统总火用损的比率最高，改善流程的有效能利用率，应优先提高K-103的设备效率。

冷箱的火用效率较高，从常规火用分析角度可知，其火用损占系统总火用损的比例较高，通过改善冷箱能量利用率，也可大幅提高系统有效能利用率。从图8可知，冷箱LNG-101、LNG-102的可避免内源火用损的占比均大于30%，改进换热器的结构形式可以有效消除这部分火用损。

吸收塔T-101、脱乙烷塔T-102、脱丙丁烷塔T-103，3个设备的总火用损较高，但其可避免内源火用损的占比分别为18.19%、1.45%、12.62%，此外由于其内部复杂的分馏反应，改善这些设备的成本较高，不推荐对其进行内部结构改进。

空冷器AC-101的可避免火用损及可避免内源火用损的占比分别为82.06%、20.8%，通过改进其内部结构以及改善其他设备的工作状况，可以有效消除这部分火用损。由于其总火用损相对于其他设备较小，因此可以考虑对其进行工艺改进。

2.2 灵敏度分析

利用灵敏度分析方法，可以了解操作参数对过程中主要设备不同类型火用损的影响。DHX塔、脱乙烷塔、脱丙丁烷塔是凝液回收过程中的关键设备和结构，对系统的火用损有重要的影响。本节主要研究关键参数对主要设备不同类型火用损的影响，以了解3种设备在不同参数下的火用损变化趋势。

膨胀机K-101通过膨胀制冷为DHX塔提供大量制冷量来吸收原料气中丙烷及以上组分，提高凝液回收率，K-101的等熵效率直接影响进入DHX塔物流的温度和压力，故其对DHX塔的火用损有显著影响；脱乙烷塔塔顶回流温度对内部汽提反应产生一定程度影响，进而造成脱乙烷塔的4种火用损变化；脱丙丁烷塔塔顶回流比直接影响重沸器的负荷，重沸器负荷对分馏反应的难易程度影响极大，造成内部塔板温差波动变化，故其对火用损产生显著影响。

图9显示了K-101等熵效率对DHX塔4种类型火用损的影响。可避免内源火用损及不可避免内源火用损随着等熵效率的增加，几乎不会发生变化，再一次验证了计算内源火用损的精确性。而外源火用损随着等熵效率的增加产生了小幅度的上升。从图10可知，随着塔顶回流温度的降低，脱乙烷塔不可避免外源火用损及可避免外源火用损呈现相同的减小趋势，且不可避免外源火用损的下降幅度明显。不可避免内源火用损及可避免内源火用损与温度变化呈现相反的变化趋势，综合4类火用损变化情况可知，当温度降到-26 ℃时，各类火用损达到一个临界值，继续降低温度，火用损将发生显著变化，故塔顶回流温度推荐保持在-26 ℃左右。图11是塔顶回流比变化对各类火用损的影响情况。从图11可以发现，伴随回流比的增加，内源火用损及外源火用损均发生了显著性的变化，内源火用损与回流比的变化情况相同，外源火用损与回流比变化趋势恰好相反，为了保证塔器的有效能利用率较高，塔顶回流比宜保持在0.1左右。

3 结论

本研究基于直接换热流程的凝液回收工艺及国内某凝析气田气质，比较了凝液回收过程中不同高级火用类别。主要结论如下：

(2) 压缩机及膨胀机机组的可避免内源火用损的比例较高，提高这些设备的效率是减少系统火用损的有效措施。改变冷箱的结构形式能够降低设备的火用损，提高系统有效能利用率。空冷器的可避免内源火用损及可避免外源火用损均较大，故改善空冷器的冷量利用率可通过提高设备性能以及改善其他设备的工艺性能来减少空冷器的火用损。

(3) 灵敏度分析显示：提高K-101的等熵效率仅增加DHX塔外源火用损；脱乙烷塔4类火用损对塔顶回流温度敏感性较大，当温度低于-26 ℃，4类火用损将发生显著变化；减小脱丙丁烷塔塔顶回流比，内源火用损大幅降低，设备总火用损主要来源于其他设备的不可逆性。利用敏感性分析，确定了不同参数对DHX塔、脱乙烷塔、脱丙丁烷塔4种类型火用损的影响，表明通过进一步改进凝液回收流程可减少设备的火用损。