紅壓深冷裝置優化運行分析

劉剛(大慶油田天然氣開發部，黑龍江 大慶 163000)

紅壓深冷裝置優化運行分析

劉剛(大慶油田天然氣開發部，黑龍江 大慶 163000)

根據紅壓深冷裝置運行現狀，分析存在問題，提出優化方案，實現機組整體制冷能力增加、能耗降低、輕烴收率增加的目標。通過對比優化前、后裝置制冷量、能耗、收率等關鍵參數，確定最佳操作點，將優化結果應用到實際生產中，取得增產、降耗的效果。

制冷;優化;丙烷機;膨脹機;能耗;收率

1 紅壓深冷裝置運行現狀

紅壓深冷裝置采用單級膨脹+丙烷輔助制冷工藝，日處理天然氣為90萬立方米。裝置原料氣經離心壓縮機增壓后，一路由冷箱換熱，一路經丙烷機換熱獲取冷量，兩路氣體匯合后進入膨脹機入口或經J-T旁通閥直接進入塔頂，冷凝產生輕烴。在目前工況下，深冷裝置來氣二氧化碳含量高（3.5%），在操作壓力下（膨脹機入口4.10MPa，塔壓0.9MPa），膨脹機通氣量達到27000m3/h時，膨脹機轉速達到26500rpm，出口溫度降至-92.5℃，膨脹機發生凍堵，為防止凍堵，多余氣量走J-T旁通閥，直接進入塔頂，降低了制冷負溫；為保證塔頂制冷溫度，只能提高丙烷機負荷，使脫甲烷塔塔頂溫度保持在-83～-85℃。

2 運行中存在問題分析[1]

2.1 膨脹機制冷負荷小

為防止機組凍堵，多余氣量只能走J-T旁通閥，旁通閥開度保持在45%左右，約10000m3/h天然氣未經過制冷直接進入塔頂，降低裝置制冷負溫，影響裝置產烴（圖1）。

2.2 膨脹機易凍堵

當氣量波動時，膨脹機轉速升高，易發生凍堵，凍堵發生后員工需立刻降低膨脹機負荷，升溫化凍，同時噴注甲醇。

2.3 丙烷機負荷大

為保證塔頂制冷溫度，丙烷機長期在高負荷狀態下運行，平均電流在38A左右（高報40A），能耗偏高。

2.4 丙烷機電機線圈溫度高

電流大導致電機線圈溫度高，在臨界報警溫度下運行，尤其在夏季環境溫度高時，溫度可達82℃（停機值85℃），為保證裝置安全平穩運行，需減少裝置入口氣量，不僅增加員工勞動強度，而且影響裝置產烴和平穩運行。

圖1 紅壓深冷裝置工藝示意圖

3 優化運行方案

3.1 優化原理

根據膨脹機做功原理，通過調節J-T旁通閥，來降低膨脹機入口壓力，減小膨脹機的的膨脹比，降低膨脹機出口負溫；然后增大膨脹機入口導向葉片開度，提高膨脹機通氣量，最大限度利用氣體自身內能獲取冷量，直到膨脹機出口溫度達到臨界值，當膨脹機導向葉片全開或機組轉速達到額定值后，仍不能滿足制冷需要，通過增加丙烷機負荷來提供額外冷量。

3.2 優化步驟

（1）根據C02凝析曲線及裝置塔頂壓力核算膨脹機出口臨界溫度；

（2）丙烷機空載，調整膨脹機入口壓力到設定值；

（3）慢慢增加膨脹機入口導流葉片開度，直到膨脹機出口溫度達到臨界值，當膨脹機導向葉片全開或機組轉速達到額定值后，仍不能滿足制冷需要，通過增加丙烷機負荷來提供額外冷量；

（4）在上述工況下運行48小時，記錄相關參數；

（5）調整設定參數，開始新一組實驗，一個壓力梯度為0.05MPa。

表1 優化實驗數據表

4 生產優化結果

在膨脹機入口壓力較高時，膨脹機通氣量小，做功不足，丙烷機負荷大，塔頂溫度偏高；入口壓力過低時，膨脹機通氣量大，但制冷量小，需增加丙烷機負荷來保證塔頂溫度；當入口壓力控制在3.90~3.95之間時，膨脹機制冷量較大，丙烷機負荷小，裝置輕烴收率較大，因此確定制冷單元操作點為膨脹機入口壓力3.95 MPa，出口溫度-92℃，與裝置優化前工況（4.10 MPa，-92℃）進行比較。

圖2 丙烷機電流及裝置收率隨試驗壓力變化趨勢圖

4.1 制冷量對比[2]

應用天然氣臨界參數經驗公式、查閱氣體通用焓熵圖和天然氣熱力學性質可計算優化前后丙烷機、膨脹機及制冷機組整體的制冷量。

圖3 氣體通用焓熵圖圖

4.2 耗電量對比

由數據看出，優化后丙烷機負荷降低，丙烷機組耗電量大幅下降；同時由于膨脹機入口壓力降低，壓縮機出口背壓減小，壓縮比下降，壓縮機耗電量也有所減小。其中丙烷機單耗由94.3kwh/104m3下降到78.7kwh/104m3，壓縮機單耗由1060kwh/ 104m3下降到1010kwh/104m3，裝置綜合能耗由17.61千克標煤/噸產品下降到16.72千克標煤/噸產品。

表2 耗電對比表

4.3 輕烴收率

優化后，裝置制冷深度由-83.6℃降至-87.0℃，輕烴收率可穩定在1.41~1.43之間，較優化前的1.40有小幅提升。

4.4 參數調整

優化后，機組整體制冷能力增加，丙烷機及壓縮機能耗降低，裝置制冷深度增加，輕烴收率增加，優化操作達到了預期目標。裝置點調整為：膨脹機入口壓力3.95MPa，塔頂溫度-87℃。

5 結語

自2014年4月份開始，將紅壓深冷優化成果應用在實際生產中，取得了良好效果。

（1）兩套制冷機組整體制冷能力增加，提高了裝置制冷深度，塔頂溫度由-83.6℃降至-86.5℃，輕烴收率由1.40上升到1.42，年可增產輕625噸；

（2）丙烷機和壓縮機負荷降低，年可節電185萬千瓦時;

（3）膨脹機工況穩定，4～10月份未發生凍堵，年可節約甲醇10噸；

（4）丙烷機線圈溫度降低，可滿足夏季環境溫度高、負荷率大的工況要求，提高了裝置運行穩定性。

[1]蘇建華許可方天然氣礦場集輸與處理，2004,12.

[2]李杰訓田一華油氣礦場加工，2013,8.

圖8 蝶閥磨損對比圖

參考文獻：

[1]王學義，工業汽輪機技術.2011，11.

[2]王福利、田吉新、戴有恒.壓縮機組，2012，04.

[3]陳允中.工業汽輪機.煉油設備工程師手冊，2010，01.

劉剛，工程師，2005年畢業于中國石油學大學（北京）油氣儲運工程專業，現工作于大慶油田天然氣開發部生產管理科，主要從事天然氣管道和站場的生產管理。