基于輕烴回收油吸收工藝的HYSYS模擬計算

王 勇 李士富

西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018

0 前言

隨著天然氣和油田伴生氣需求量的不斷增長，油田伴生氣的回收及綜合利用具有越來越重要的意義［1-2］。從伴生氣中分離出的乙烷、丙烷、丁烷、穩定輕油等產品，可以應用在國民經濟各個領域， 尤其可作為乙烯原料，具有十分可觀的經濟效益。

目前， 在輕烴回收裝置應用較多的加工工藝有：吸附法、壓縮冷凝法、油吸收法等工藝方法［1］。 若冷凍溫度高于-40 ℃稱為淺冷，冷凍溫度在-40 ～-80 ℃范圍內稱為中冷，低于-80 ℃稱為深冷。 淺冷一般用一種冷劑（如氨或丙烷）就可實現；中冷和深冷有時需要混合冷劑串聯制冷或冷劑制冷與膨脹制冷相結合。 一般輕烴回收中常用的方法有中壓淺冷工藝， 該工藝方法丙烷回收率低，滿足不了工藝生產的需要。 目前長慶油田推廣使用一種新型輕烴回收工藝，即冷油吸收工藝，該工藝方法原理是用裝置自產的穩定輕烴作為吸收劑， 對脫乙烷塔塔頂氣體進行二次吸收，吸收后丙烷收率達80%以上［3～4］。

1 油吸收工藝原理

油吸收工藝是指在一定的溫度及壓力條件下，兩種或多種氣體在某種油品吸收劑里面的溶解過程。 由于各種氣體在液體中都有一定的溶解度，當氣體和液體接觸時，氣體溶于液體中的濃度逐漸增加直到飽和。 吸收劑有烷烴和芳香烴等，輕烴回收裝置自產的穩定輕烴C5和C6亦可作為吸收劑。

輕烴回收裝置中應用冷油吸收的主要目的是回收原油伴生氣中的C3及以上組分的烴類，一般適用于原料氣組成中C3及以上組分含量豐富的情況。

長慶油田采油五廠姬—聯合站位于陜西省定邊縣境內。 該聯合站不僅回收接轉站中的大罐氣，還回收緩沖罐氣和井場套管氣，導致原料氣量不穩定，組分變化大。 由于三種氣體中的C3及以上烴組分潛含量不同，氣量波動大，故要求加工工藝靈活，設備操作彈性大。 在設計中，為使原料氣量和組成變化時C3收率也能達到70%以上，經研究探討，對姬一聯合站的輕烴回收采用簡化的中壓空冷+冷油吸收的輕烴回收工藝。 該工藝方法的主要特點是以裝置自產冷凍后的穩定輕油作為吸收劑，在1.6～2.0 MPa 和8～15 ℃的條件下， 吸收經空冷脫出游離液烴氣相中的C3及其以上重烴組分［5-6］。

2 現場數據

經現場測定，長慶油田姬一聯合站原油穩定來氣和緩沖罐來氣摩爾組分見表1～2。

表1 原油穩定來氣摩爾組分表

表2 緩沖罐來氣摩爾組分表

3 工藝流程HYSYS 模擬計算

圖1 是姬一聯合站輕烴回收HYSYS 計算模型。 原油穩定來氣（40 ℃，0.33 MPa）和緩沖罐來氣（30 ℃，0.35 MPa）混合后，物流1 進入氣液分離器。 從氣液分離器出來的物流4 進入螺桿壓縮機進行壓縮，壓縮后物流6（72.1 ℃，0.8 MPa）進入冷卻器冷卻，冷卻后物流7（40 ℃，0.79 MPa） 再進入氣液分離器進行氣液分離。 分離后物流8（40 ℃，0.79 MPa）二次進入壓縮機壓縮，壓縮后物流10（101 ℃，2.2 MPa）再次進入冷卻器冷卻。 冷卻后物流11（40 ℃，2.19 MPa） 進入板翅式換熱器， 換熱后物流12（34℃，2.18 MPa）進入脫乙烷塔，塔內壓力控制在1.7～1.72 MPa，塔底乙烷含量控制在6%，塔底重沸器溫度控制在79.3 ℃。塔底出口物流15（79.3 ℃，1.72 MPa）進入板翅式換熱器，換熱后物流16（83 ℃，1.71 MPa）進入液化氣塔。 液化氣塔壓力控制在1.3～1.32 MPa， 塔板數設定26 層， 塔底溫度控制在150 ℃。 出來的液化氣物流18（55.4 ℃，1.3 MPa）進入液化氣空冷器進行空冷，最后出來液化氣產品在37.8 ℃時的飽和蒸汽壓為1.31 MPa，達到了合格外輸的要求。

脫乙烷塔頂出來的氣相物流14（3.25 ℃，1.7 MPa）進入板翅式換熱器，換熱后物流25（-25 ℃，1.69 MPa）進入吸收塔底部。 液化氣塔底部出來的冷凍輕油物流20（150℃，1.32MPa）進入液化氣換熱器，換熱后物流21（133.5 ℃，1.31 MPa）進入輕油空冷器進行冷卻。 冷卻輕油物流22（40 ℃，1.29 MPa）分出兩部分，物流配比為4∶1，即用作回收劑回收原料氣中C3組分的輕油摩爾百分數為80%，外輸的輕油摩爾百分數為20%。

作為吸收劑的輕油經過輕油換熱器換熱后進一步冷凍，冷凍后物流26（-25 ℃，1.28 MPa）進入吸收塔頂部。 吸收塔壓力控制在1.2～1.25 MPa，塔板數控制在10層，經過充分吸收從脫乙烷塔頂過來的貧氣后，干氣物流27（-6.1 ℃，1.2 MPa）經節流閥節流，物流28（-12.5 ℃，0.4 MPa） 最后經原料氣-貧氣換熱器換熱， 換熱后物流29（34.3 ℃，0.39 MPa）外輸至下游。

吸收塔底部出來攜帶有少量丙烷的輕油物流30（-13.5℃，1.25 MPa）經輕油泵增壓至1.9 MPa，打循環進入脫乙烷塔中， 在塔中輕油所攜帶的氣體分離。 姬—聯合站輕烴回收裝置見圖2［7～8］。

圖1 姬一聯合站輕烴回收HYSYS 工藝計算模型圖

圖2 姬一聯合站輕烴回收現場裝置圖

4 計算結果

HYSYS 模擬計算結果見表3～5，其中表3 為外輸干氣摩爾組分表，表4 為液化氣摩爾組分表，表5 為外輸輕油摩爾組分表。

通過表3～5 計算分析得出：外輸干氣CH4和C2H6x 為94.9%，基本達到外輸指標要求。 液化氣收率達到89.3%，而只用中壓淺冷的方式液化氣收率僅為72%， 運用該方法使液化氣收率提高17.3%。 在外輸輕油組分中丙烷含量為0，而丙烷以上組分作為穩定輕烴得到充分回收［6-7］。另外用HYSYS 軟件還模擬了系統壓力從1.7 MPa 增加到2.5 MPa 時系統液化氣收率和所需負荷， 計算對比結果見表6［9-10］。

表3 外輸干氣摩爾組分表

表4 液化氣摩爾組分表

表5 外輸輕油摩爾組分表

表7～8 分別為液化氣和穩定輕烴的質量指標，其中液化石油氣執行標準GB 9052.1-1998 《油田液化石油氣》，試驗方法穩定輕烴執行標準GB 9053-1998《穩定輕烴》，試驗方法按照GB/T 8017-87《石油產品蒸汽壓測定法》執行。 經模擬計算得出：液化氣在37.8 ℃時的飽和蒸汽壓為1.31 MPa， 穩定輕烴的飽和蒸汽壓為0.095 MPa，完全符合產品質量要求。 長慶油田姬一聯合站輕烴回收裝置開車投產順利，生產出合格的液化氣和穩定輕烴產品。 實際生產液化氣15 t/d，穩定輕烴17 t/d［11-12］。

表6 兩種壓力工況下C3 收率和負荷比較

表7 我國油氣田液化石油氣質量指標

表8 我國穩定輕烴質量指標

5 結論

本文對中壓淺冷技術中的冷油回收技術進行HYSYS 模擬分析，研究發現：裝置用自產穩定輕烴作吸收劑，對脫乙烷塔頂氣體進行二次吸收，使得丙烷和液化氣收率得到顯著提高。 該工藝及其裝置已成功應用在姬一聯合站。 通過理論計算與現場實際操作對比發現：該工藝流程應用效果良好，丙烷收率達到了規范要求的60%～90%的技術指標。 在生產過程中可通過原料氣量的變化調節吸收劑循環量， 通過溫度控制提高C3收率，實現生產操作最優化，效益最大化。 研究模擬還發現：隨著吸收劑量增加，液化氣收率增加較快，這是因為在整個系統中冷凍溫度已經確定， 溫度在模擬中調節范圍有限。 在吸收劑量不變的情況下，吸收壓力的提高對液化氣收率影響并不敏感， 壓力從1.7 MPa 增加到2.5 MPa時， 液化氣收率只提高了2.34%， 雖然冷凍負荷降低了43.6 kW，但重沸器熱負荷增加149.7 kW，加之壓縮機的動力消耗，得不償失。 因此，在冷油回收工藝中一般將吸收壓力控制在1.7 MPa 內，既可與系統壓力相匹配，又能滿足吸收要求。

［1］ 王 健. 輕烴回收工藝的發展方向及新技術探討［J］. 天然氣與石油，2003,21（2）：20-22.Wang Jian.The Development Direction and New Technology of Light Hydrolarbon Recovery Process［J］. Natural Gas and Oil,2003,21（2）：20-22.

［2］ 蘇 欣，張 琳，池翠薇，等. 油田氣冷凝分離法中壓力和溫度的確定［J］. 天然氣與石油，2008，26（1）：12－15.Su Xin, Zhang Lin, Chi Cuiwei, et al. Determination of Pressure and Temperature in the Oil Field Gas Condensation Separation Process［J］.Natural Gas and Oil,2008,26（1）：12-15.

［3］ 王遇冬. 天然氣處理與加工工藝（第二版）［M］. 北京：中國石化出版社，2011.70-75.Wang Yudong. Natural Gas Treatment and Processing Technology（The Second Edition）［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2011.70-75.

［4］ 徐文淵，蔣長安.天然氣利用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2006.35-40.Xu Wenyuan，Jiang Chang'an.Natural Gas Utilization Manual［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2006.35-40.

［5］ 顧安忠.液化天然氣技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.50-60.Gu Anzhong.Liquefied Natural Gas（LNG） Technology［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2004.50-60.

［6］ 郭揆常.礦場油氣集輸與處理［M］. 北京：中國石化出版社，2009.65-100.Guo Kuichang.Oil and Gas Gathering and Transportation and Processing in Mine Field ［M］. Beijing：Mechanical Industry Press，2009.65-100.

［7］ 博布洛夫斯基C A. 天然氣管道輸送［M］.北京：石油工業出版社，1985.120-140.Bobbrovesky C A. Natural Gas Pipeline Transportation［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1985.120-140.

［8］ 王 勇， 王文武， 呼延念超， 等. 油田伴生氣乙烷回收HYSYS 計算模型研究［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：236-239.Wang Yong，Wang Wenwu，Huyan Nianchao, et al. Study on HYSYS Computation Model for Oilfield Associated Gas Ethane Recovery ［J］. Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2011，40（3）：236-239.

［9］ 王 勇，張玉璽，白劍鋒.LNG 制冷HYSYS 計算模型研究［J］. 天然氣與石油，2012，30（4）：30-32.Wang Yong，Zhang Yuxi，Bai Jianfeng. LNG Refrigeration HYSYS Computation Model［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：30-32.

［10］ 李武廣，楊勝來，殷丹丹，等.頁巖氣開發技術與策略綜述［J］. 天然氣與石油，2011，29（1）：37-39.Li Wuguang，Yang Shenglai，Yin Dandan，et al. Shale Gas Development Technology and Strategy Review［J］. Natural Gas and Oil，2011，29（1）：37-39.

［11］ 諸 林. 天然氣加工過程［M］. 北京： 石油工業出版社，2008.240-260.Zhu Lin.Natural Gas Processing［M］. Beijing： Petroleum Industry，2008.240-260.

［12］ 楊小龍，李戰平，李富生. 長北氣田地面工程技術［J］. 天然氣工業，2007，27（10）：110-120.Yang Xiaolong， Li Zhanping， Li Fusheng. Technology of Changbei Gasfield Surface Engieering［J］. Natural Gas Industry，2007，27（10）：110-120.