MAFI-TRENCH frame 2.0型膨脹機不同處理量下的工藝優化

劉海波

(中石化西北油田分公司雅克拉采氣廠，新疆 庫車 842017)

雅克拉集氣處理站(簡稱雅站)位于新疆庫車縣境內，于2005年11月建成投運，設計處理天然氣260×104m3/d，年產凝析油17×104t、液化氣5.2×104t、穩定輕烴4.9×104t，是集油氣計量、天然氣脫水和脫汞、制冷回收輕烴、凝析油穩定、西氣東輸為一體的大型綜合型處理裝置【1】。雅站所采用的2臺美國MAFI-TRENCH frame 2.0型膨脹機于2006年9月投入運行，至今已正常運行超過12年。為保證膨脹機始終具有良好的運行效率，生產中應根據裝置的不同運行狀況，對影響膨脹機高效運行的各相關工藝參數進行相應的調整。

1 膨脹機所在低溫制冷單元概況

在天然氣加工中，為了更有效地分離甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，有效回收丙烷、丁烷，生成更多的液化氣，必須對氣體進行深冷加工處理。普通的冷劑冷卻法只能把氣體冷卻到-42 ℃，即使通過節流閥進行節流制冷，由于使用J-T節流閥是等焓過程，而等焓膨脹沒有對外做功，因此，氣體的總能量不變，焓值也不發生變化，氣體的溫度也只能下降到-60 ℃，回收丙烷、丁烷的效率不高【2】。而膨脹機依據的原理是絕熱等熵膨脹原理，在膨脹過程中氣體的熵值不發生變化，只是焓值發生變化，焓降轉化成氣流的速度能，然后由葉輪轉化成機械能【3】。由于等熵膨脹過程對外做功，消耗了氣體的內能，因此如果采用透平膨脹機對氣體進行膨脹制冷，可以獲得更多的冷量，冷凝更多乙烷以下的組分，且利用透平膨脹機增壓端對外做功，可以對外輸的天然氣進行增壓【4】。

雅站低溫制冷單元的作用就是利用一定的制冷技術將天然氣制冷到所需的溫度，將C2及其以上組分冷凝下來，為后續凝液分餾做好準備?？紤]雅站原料氣組分及用戶需求，采用膨脹機作為低溫制冷單元核心制冷設備比較合適。雅站低溫制冷單元流程見圖1。

雅站低溫制冷單元采用美國MAFI公司生產的MAFI-TRENCH frame 2.0型膨脹機，由加拿大PROPAK公司組裝成功，是中石化西北油田分公司目前投資最大、處理規模最大、自動化程度最高的膨脹機組，其設計參數見表1。

2 膨脹機在不同處理量下的工藝優化

膨脹機的實際焓降(也就是實際制冷量)與理想狀態下的等熵焓降之比稱為膨脹機的等熵效率【5】。透平膨脹機的效率作為其能力轉換過程完善程度的指標，原則上采用等熵效率來分析。已建成的透平膨脹機效率主要取決于下述因素：流量、入口壓力、入口溫度、出口壓力、氣體組分、轉速。生產中氣體組分相對固定，入口壓力、入口溫度、出口壓力的變化會在膨脹機轉速、流量上體現出來。MAFI公司提供的膨脹機效率與轉速、流量關系見圖2。

圖1 低溫制冷單元流程

表1 MAFI膨脹機設計參數值

圖2 膨脹機效率與轉速、流量關系

由圖2可知：當膨脹機轉速或處理量低于正常設計值的70%時，膨脹機效率較低，在實踐中，此時膨脹機防喘振閥會逐漸打開，因此膨脹機運行過程中應盡量保持膨脹機處于較高效率下運行。

2.1 膨脹機單機運行模式

根據圖2和表1，當原料氣氣量低于96×104m3/d時，膨脹機運行效率將大幅下降，因此從西氣東輸外輸管網新建一條干氣補氣①(見圖1)管道(管網壓力6.5 MPa)到低溫制冷單元，以此增加膨脹機進氣量，使膨脹機處理量處于96×104～130×104m3/d之間，此時采取膨脹機單機運行模式。在這個處理量區間要保證膨脹機高效率運行，應使膨脹機保持較高轉速，可通過調整膨脹機噴嘴開度及增壓端出口壓力來實現，并根據干氣、液化氣、輕油產品組分分析報告及時調整各相關參數。具體操作措施如下：

1) 保證越站調節閥PV1203完全關閉；

2) 保證J-T節流閥PV1301完全關閉；

3) 通過調整低溫制冷單元進氣調節閥PV1201開度保持膨脹機入口壓力不變；

4) 保持膨脹機噴嘴開度處于80%以上；

5) 保持PV1302設定壓力處于較低值。

膨脹機單機運行模式時的詳細工藝參數見表2。

表2 膨脹機單機運行模式時的參數

2.2 膨脹機單機與J-T閥混合制冷模式

當膨脹機進氣量處于130×104～180×104m3/d時，宜采取膨脹機單機與J-T閥PV1301混合制冷模式。采取此種模式生產時，為保證裝置安全平穩運行，提高裝置收率，應讓盡可能多的原料氣通過膨脹機制冷，以期達到更高的制冷效率。在膨脹機單機與J-T閥混合制冷模式下，由于膨脹增壓機組增壓端的負荷為所有進入低溫分離單元的原料氣(膨脹機進氣量與J-T 閥進氣量之和)，因此會導致膨脹端進氣量與增壓端進氣量不匹配，使得膨脹端無法為增壓端提供足夠的能量用于增壓端增壓，易造成膨脹機轉速較低的現象。此時，為提高膨脹機運行效率，應降低PV1302閥前壓力和增壓端的出口壓力，從而達到提高膨脹機轉速以及提高收率的目的。具體操作措施如下:

1) 調整膨脹機噴嘴開度處于85%以上；

2) 調整J-T閥PV1301開度使越站調節閥PV1203完全關閉；

3) 調整PV1302閥前壓力，保證膨脹機轉速處于30 000 r/min以上。

膨脹機與J-T閥混合制冷模式時的詳細工藝參數見表3。

表3 混合制冷模式時的參數

2.3 膨脹機雙機運行模式

當膨脹機處理量超過180×104m3/d時，應采取膨脹機雙機運行模式。雅站低溫制冷單元運行初期為2臺膨脹機雙機并聯運行，噴嘴控制模式均為氣控閥自動控制，但2臺膨脹機噴嘴開度互相影響，機組噴嘴自身調節較為頻繁，造成機組參數頻繁變動，進而導致低溫制冷單元參數波動大。針對這種情況，對膨脹機噴嘴的控制模式進行了調整，將噴嘴由自動控制改為手動控制，避免了膨脹機噴嘴在自動控制模式下低溫制冷單元參數波動大的現象，同時調整2臺膨脹機機組的進氣量，使其膨脹機處理量持平。

可通過調整膨脹機噴嘴開度及增壓端出口壓力來實現膨脹機處于高效率運行狀態，具體操作措施如下:

1) 保證越站調節閥PV1203完全關閉；

2) 保證J-T節流閥PV1301完全關閉；

3) 調整膨脹機噴嘴開度，使2臺膨脹機進氣量持平；

4) 調整低溫制冷單元進氣調節閥PV1201開度，使膨脹機入口壓力保持不變；

5) 調整PV1302閥前壓力，保證膨脹機轉速處于30 000 r/min以上。

膨脹機雙機運行模式時的詳細工藝參數見表4。

表4 膨脹機雙機運行模式時的參數

3 結論與建議

總體來說，在膨脹機入口壓力受裝置設計工作壓力所限、調節余地不大的情況下，要提高膨脹機機組的運行效率，應保持膨脹機轉速及流量在較高范圍內運行；同時，根據膨脹機處理氣量的變化采用不同的運行模式，在考慮用戶對干氣外輸壓力、產品質量需求的前提下，將工藝參數調整至滿足機組運行的最佳狀態。通過膨脹機不同運行模式下的參數調整，可保持膨脹機在較高效率區間運行，使低溫制冷單元溫度及制冷量明顯增加、重接觸塔塔底產液量增大、裝置丙烷及丙烷以上重組分收率明顯增加，既可確保機組長期安全、平穩、高效運行，又可滿足工藝生產的負荷需求，使裝置整體發揮最大潛能。