丙烷制冷壓縮功耗分析

費 翔

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 概 述

為滿足天然氣長輸管線的烴露點要求,回收天然氣中有價值的乙烷、丙烷、丁烷及輕油，油氣田輕烴回收作為各氣田新的經(jīng)濟增長點,一直以來受到人們的重視，輕烴回收工藝也得到了長足發(fā)展。在眾多的輕烴回收方法中,低溫回收工藝是當前主要采用的方法。低溫回收工藝過程中最主要、最關鍵的步驟就是制冷工藝，它直接影響裝置的投資、能耗和回收率三大指標。制冷的方法有多種，如壓縮制冷、吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷等[1]。由于壓縮制冷具有流程簡單、工藝成熟等特點，被廣泛應用。丙烷壓縮循環(huán)制冷常用于-60～0℃的制冷領域中。本文通過對某處理量200x104Nm3/d天然氣處理廠輕烴回收中三種不同丙烷壓縮制冷工藝的壓縮功耗進行比較和分析。

2 丙烷壓縮制冷工藝

2.1 丙烷性質(zhì)

制冷劑是制冷循環(huán)的基礎，影響制冷機的工作特性。了解制冷劑的熱力學性質(zhì)對模擬計算參數(shù)的選擇有著重要的影響。表1為丙烷的熱力學性質(zhì)參數(shù)[2]。

表1 丙烷的熱力學性質(zhì)

表1(續(xù))

從丙烷的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，在天然氣處理裝置中，利用丙烷作為制冷工質(zhì)具有較多有利條件。

(1)丙烷具有較低的沸點溫度，可使原料氣達到較低的制冷溫度，從而提高裝置的輕烴收率。

(2)丙烷對環(huán)境友好，泄漏危害小；

(3)獲取丙烷非常便利，節(jié)省投資。

2.2 丙烷制冷工藝

目前，在輕烴回收丙烷制冷工藝上主要分為一級制冷、二級制冷及三級制冷三種工藝。本文通過對某處理量為200×104Nm3/d天然氣處理廠的丙烷制冷系統(tǒng)進行分析研究,分析這三種制冷工藝的區(qū)別，選出適合本項目的丙烷壓縮制冷工藝。利用Aspen Hysys軟件對該廠輕烴回收裝置進行模擬計算，要達到該廠的C3收率要求，丙烷系統(tǒng)低溫冷卻溫度為-35℃ ,原料氣冷卻溫度為-30℃，冷箱冷卻負荷為5989kW。

2.2.1 丙烷一級制冷

丙烷壓縮機一級制冷工藝流程如圖1所示，丙烷儲罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 KPa)經(jīng)過節(jié)流,壓力降至137.4KPa,溫度降為-35℃ ,經(jīng)冷箱換冷后,進入壓縮機入口一級分離器, 再經(jīng)丙烷壓縮機增壓至1270KPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲罐，完成循環(huán)。

圖1 丙烷壓縮機一級制冷工藝流程

2.2.2 丙烷二級制冷

丙烷壓縮機二級制冷工藝流程如圖2所示, 丙烷儲罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 kPa)經(jīng)過一級節(jié)流,壓力降至635.7kPa,溫度為10℃，進入二級分離器,氣相去二級壓縮機入口，液相經(jīng)過二級節(jié)流,壓力降至137.4kPa,溫度為-35℃,經(jīng)冷箱換冷后, 進入壓縮機入口一級分離器, 經(jīng)丙烷一級壓縮機增壓至730.8kPa 與二級分離器氣相丙烷匯合,經(jīng)丙烷二級壓縮機增壓至1270kPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲罐，完成循環(huán)。

圖2 丙烷壓縮機二級制冷工藝流程

2.2.3 丙烷三級制冷

丙烷壓縮機三級制冷工藝流程如圖3所示, 丙烷儲罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 kPa)經(jīng)過一級節(jié)流,壓力降至730.8kPa,溫度為15℃，進入三級分離器,氣相去三級壓縮機入口，液相經(jīng)過二級節(jié)流,壓力降至344.6kPa,溫度為-10℃，進入二級分離器,氣相去二級壓縮機入口，液相經(jīng)過一級節(jié)流,壓力降至137.4kPa,溫度為-35℃,經(jīng)冷箱換冷后, 進入壓縮機入口一級分離器, 經(jīng)丙烷一級壓縮機增壓至344.6kPa,與二級分離器氣相丙烷匯合,經(jīng)丙烷二級壓縮機增壓至730.8kPa,與二級分離器氣相丙烷匯合，經(jīng)丙烷三級壓縮機增壓至1270kPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲罐，完成循環(huán)。

圖3 丙烷壓縮機三級制冷工藝流程

3 計算結(jié)果

利用Aspen Hysys模擬軟件對這三種流程進行計算，計算對比如表2所示。

表2 三種工藝計算對比表

由上表的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同制冷負荷下，一級丙烷制冷壓縮機總功耗為3630kW，二級丙烷制冷壓縮機總功耗為3075kW，三級丙烷制冷壓縮機總功耗為2900.8kW。從壓縮機的功耗上看三級丙烷制冷壓縮機總功耗最少,且一次丙烷循環(huán)量為1894 kmol/h，也是最少的。

4 小結(jié)

三種丙烷壓縮制冷工藝的壓縮機功耗分析：

(1)丙烷制冷的原理主要是利用低溫液相丙烷氣化潛熱作為冷源,通過換熱方式冷卻熱介質(zhì)的溫度。本項目的液相丙烷在137.4kPa時,其飽和溫度為-35℃ ,釋放出來的潛熱可以將天然氣冷卻至-30℃。

(2)丙烷壓縮制冷過程中,節(jié)流后的液態(tài)丙烷氣化率是丙烷冷量高低的關鍵因素,氣化率越高,丙烷冷量低；反之氣化率越低,丙烷中冷量越高。本項目，一級制冷工藝中,節(jié)流后的氣化率0.43；二級制冷工藝中,分為兩次節(jié)流, 兩次節(jié)流的綜合氣化率為0.4；三級制冷工藝中,分為三次節(jié)流, 兩次節(jié)流的綜合氣化率為0.39。

(3)通過比較，在相同的換熱負荷下，三級制冷工藝制冷的壓縮功耗和丙烷循環(huán)量最小，結(jié)合本項目實際情況，建議采用三級丙烷壓縮制冷工藝。

[1] 肖敦峰，李 舒，夏 吳.制冷裝置節(jié)能降耗影響因素及設計方案優(yōu)化[J].化肥設計，2011:49(3)：19-21.

[2] 陳睿謙，武麗娜．氨、丙烯、丙烷壓縮制冷能耗分析[J]．化工設計，2015,25(4):3-8．