天然气低温提氦工艺优化研究

李元涛

摘  要：天然气低温提氦工艺在工业中应用越来越广泛。该文首先对两种低温提氦的工艺进行了介绍，分析了主要的检测及控制措施，进一步阐述了优化低温提氦工艺的相关技术研究，最后诠释了后膨胀+氮循环制冷两塔分离提氦工艺实现的可能性，通过分析得出结论，在天然气提氦工艺中，上述的分离工艺方法普适性更强，应该得到纵深程度的大力推广和应用。

关键词：天然气低温提氦工艺   主要特点   控制措施   优化研究

中图分类号：TE8                            文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（b）-0042-03

Optimization of Helium Extraction from Natural Gas at Low Temperature

LI Yuantao

（Shaanxi Yanchang Petroleum（Group） Co.， Ltd.， Yanchang， Shaanxi Province， 717100 China）

Abstract： Low temperature helium extraction from natural gas is more and more widely used in industry. Firstly， this paper introduces two low-temperature helium extraction processes， analyzes the main detection and control measures， further expounds the relevant technical research on optimizing the low-temperature helium extraction process， and finally explains the possibility of realizing the separation and helium extraction process of two towers of post expansion + nitrogen cycle refrigeration. Through the analysis， it is concluded that in the helium extraction

process of natural gas， The above separation process is more universal and should be vigorously promoted and applied in depth.

Key Words： Natural gas low temperature helium extraction process; Main features; Control measures; Optimization research

現如今，工业领域中一般使用两种低温提氦工艺：克劳特循环工艺、膨胀制冷+氮气循环制冷分离工艺。

1  关于克劳特循环工艺

使用克劳特循环制冷工艺提取氦气会经过以下流程。首先，将含氦天然气运输到原料气冷却器中，原料气冷却器会让氦气温度在最短的时间内完成冷却，累积到一定数量后，有序进入到膨胀机增压端，随后膨胀机再进一步完成膨胀制冷，冷却后的原料气经管道运输至一级提浓塔;然后，将冷却后的原料气移动到一级提浓塔的顶部，与顶部一定比例的粗氮气体混合，混合好的原料气将被运送到二级提浓塔中，不被利用的液体甲烷会从一级提浓塔底流出;最后，二级提浓塔按照提前设定好的程序分离出粗氮，经过再次增压后，再传送到商品天然气外输管线。利用这种节流方式，可以改变另一种液体烷烃，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功效，原料气冷却器会让其温度在最短的时间内完成冷却，累积到一定数量后，低压尾气压缩机将派上用场，经过增压后，再传送到商品天然气外输管线[1]。二级提浓塔塔顶的冷源一定要保持充足，氮循环来进行制冷也要同步进行。

2  膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离工艺

2.1 前膨胀工艺

前膨胀+氮循环制冷工艺的流程是：含氦天然气会按照提前准备好的管道进入到原料气冷却器中，冷却器在最短的时间内将原料气完成冷却。通过膨胀制冷后，二次传送到原料气冷却器，以同样的模式再进行一次冷却，冷却后再次传送到一级提浓塔，一级提浓塔的顶部将出现一定量的粗氮气体，原料气和粗氮气体将同时被转入到二级提浓塔中，在塔顶位置会按照提前设定好的程序分离出粗氮[2]。一级提浓塔的塔底将会有很多液甲烷传送出来，而后原料气冷却器会发挥功能将其冷却，完成回收冷量后，有序进入到膨胀机增压端，经增压后，原料气被传送到商品天然气外输管线。利用节流方式，将其他的液甲烷进行转化，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功效，原料气冷却器会让其温度在最短的时间内达到标准。当原料气累积到一定数量后，低压尾气压缩机就会派上用场，经过增压程序后，原料气会被再传送到商品天然气外输管线。为了确保氮循环制冷同步进行，一定要确保二级提浓塔的塔顶的冷源充足供应。

2.2 后膨胀工艺

后膨胀+氮循环制冷工艺提取氦气的具体步骤和流程是：原料气冷却器通过换冷功能将含氦天然气传送到一级提浓塔，它与一级提浓塔的顶部的粗氮气体一同转入到二级提浓塔中。二级提浓塔塔顶会按照固有的设定程序分离出部分粗氮，与此同时，一级提浓塔的塔底将会有很多液甲烷传送出来。原料气转入到原料气冷却器后，经冷完成回收冷量和膨胀制冷过程后，一部分中压尾气会被传送出来，剩余天热料再进入到膨胀机的增压端，最后处理好的天热料会被传送至天然气产品外输管线。在此过程中，利用节流方式将其他的液甲烷进行转化，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功能[3]。经原料气冷却器回收冷却后，低压尾气压缩机将天热料再次增压，最后传送到商品天然气外输管线。在氮循环进行制冷的整个过程中，一定要确保二级提浓塔的塔顶的冷源充足。

3  主要的检测及控制措施

（1）对裝置的安全性能和安全指数提出更高的要求。原料气的进口管线部位和截断球阀要按照规定要求提前准备完毕，如进装置的压力和温度出现较大变化，管线要早早进行截断处理，进而最大化确保人身和设备的安全性[4]。

（2）由于一级提浓塔的液态甲烷过程中可能会溶解一定数量的氦气，这样就会让氦气出现一定的损失。为了减少这些损失，二级提浓塔底部维持原有的液位水平，这就会给二级提浓塔塔底中的液态甲烷和液氮在热交换过程中争取更多的时间和空间。

（3）为保证一级提浓塔的工作符合换热器的规定温度，就要对一级提浓塔底部的甲烷要做好调压工作，在此期间，一级提浓塔会得到很多的冷量，进而确保其换热器发挥功能。

（4）二级提浓塔的温度符合规定的基本前提条件是，对其塔底的温度进行科学合理的检测。为了确保按照温度条件，一次粗氦气传送至二级提浓塔的具体流量要控制在一定的范围内，二级提浓塔的温度没有达到预期的标准，就需要其塔底一次粗氦气给予更多的流量，反之亦然。

（5）有必要避免二级提浓塔的液体甲烷和液氮对氦气溶解，导致氦气出现损失，如果二者溶解了一部分的氮气，那么需要将这部分的氮气全部传送至二级提浓塔，在此期间千万不能忘记加热一次粗氦气，同时还不能耽误二级提浓塔底部维持原有的液位水平，这就会给二级提浓塔塔底中的液态甲烷和液氮在热交换过程中争取更多的时间和空间。

4  优化低温提氦工艺的相关技术研究

在二十世纪六七十年代，人们使用的工艺仍旧是克劳特循环制冷。此工艺耗能高，投入也高。随着科学技术的不断进步，膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离工艺被广泛地应用到企业生产中[5]，该文主要详细分析后两个工艺技术。为了符合低温法提氦工艺的规定，原料气天然气中要保持一点的含量。因此，原料要在传送到低温提氦装置过程中，醇胺溶液在脱硫脱碳中发挥重要作用，同样分子筛也要进行有序合理的深度脱水。该文使用脱硫脱碳以及脱水后的干气，使用HYSYS软件计算前后膨胀工艺的模拟数值，具体的分析结果如表1所示。

5  后膨胀+氮循环制冷两塔分离提氦工艺的主要特点

一是双塔提氦工艺技术需要与板翅式换热的通力合作，在整个过程中通过透平膨胀进行制冷，将冷量回收到可以控制的范围之内，将预冷原料天然气摆在突出重要的位置上，这样可以有效减少装置的耗能。二是该工艺是后膨胀制冷，其压力更高，同时可以根据膨胀机规定的要求，将膨胀比进行改进，进而及时调控好原料气的预冷温度[6]。三是此工艺是独立氮循环制冷，可以提供大约零下190 ℃的低温，其制冷系统可以独立完成作业环节，可以将适应作业条件的优势发挥得淋漓尽致。

6  结语

在科技高速发展的今天，低温提氦工艺在工业中应用越来越广泛。该文着重分析了几种低温提氦工艺流程，经分析比较后发现，创建后膨胀+冷冻的氮循环的制冷两塔分离，以增加延伸，不断降低能耗，增强其适应性，创造更好的经济效益。

参考文献

[1] 郭子江，尹晨阳，马国光，等.基于BP神经网络的低温提氦工艺优化[J].天然气化工（C1化学与化工），2020，45（1）：51-56.

[2] 周璇，周泽乾，黄勇，等.天然气粗氦分离系统分析与工艺参数优化[J].天然气与石油，2019，37（4）：38-45.

[3] 吴建修.FLNG膨胀制冷天然气液化工艺研究[D].成都：西南石油大学，2018.

[4] 荣杨佳，王成雄，赵云昆，等.天然气轻烃回收与提氦联产工艺[J].天然气工业，2021，41（5）：127-135.

[5] 丁天.膜分离与变压吸附组合工艺在天然气提氦中的应用初探[J].科学技术创新，2021（15）：7-8.

[6] 李长俊，张财功，贾文龙，等.天然气提氦技术开发进展[J].天然气化工（C1化学与化工），2020，45（4）：108-116.