氣體處理裝置在低負荷條件下操作的應用研究

郭明志 張險峰 魏旭

摘要：隨著石油伴生氣儲量的遞減，裝置供氣量時常在設計下限80萬方一下。原料氣氣質變貧：C₃⁺含量由230克/立方米降至180克/立方米。在原設計參數控制下，裝置無法達到預期的制冷深度，即影響C₂⁺（NGL）收率的關鍵控制參數脫甲烷塔頂溫度TI-0209有所升高。為解決這一技術難題，我們開展了相關研究。

關鍵詞：氣體;研究;挖潛

一、項目來源：

為解決這一技術難題，首先對工廠工藝流程進行分析，工廠來氣經原料氣壓縮機和增壓機三級壓縮，干燥脫水后，進入冷箱2-E1、2-E2換熱，在2-V1中進行分離，液相通過焦耳-湯姆遜閥節流后進入脫甲烷塔2-C1頂部，氣相經膨脹機降溫后作為2-C1的進料，塔頂產品甲烷經冷箱換熱后外輸，C₂⁺產品由NGL泵送入分餾單元。在整個過程中，為原料氣提供冷量的主要有在2-E1中與其換熱的丙烷介質，通過等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機，對2-V1底部介質進行節流膨脹的焦耳-湯姆遜閥。要實現降低裝置的制冷深度，提高C₂⁺（NGL）產品收率的目標，就需要在這三個環節上進行操作和控制參數的優化，以提高其制冷效果。

二、項目主要內容：

由于老油區開發力度的放緩，伴生氣的氣量和氣質下降無法控制，我們主要靠提高裝置的效率來提高工廠的處理量，同時靠優化工藝參數以提高輕烴產品的收率。

1、增大膨脹機噴嘴開度，提高伴生氣處理量

我廠的原料氣壓縮機采用的是以燃氣透平驅動的離心式壓縮機，為提高工廠的處理量，機組已在額定轉速下工作，但效果仍不十分理想。為進一步增加工廠的處理量，我們將壓縮機的性能曲線和工藝管路的特性曲線聯合分析;

P_e=P_b+ρ_e（∑h_f）

式中：P_e為壓縮機出口壓力;P_b為工藝管路中某處的壓力;ρ_e（∑h_f）為流量損失能頭。

在一定的管路中流量損失能頭是容積流量的函數，從式中看出降低P_b，可達到增加容積流量的目的。對于我廠來說影響管路壓力的關鍵控制點是膨脹機入口（噴嘴）開度，為此，在確保膨脹機轉速在操作范圍內，我們將膨脹機噴嘴由20%開大到35%，這樣，膨脹機入口壓力P_b由原來的38Bar降至34Bar。由此，我廠伴生氣處理量每天提高了5萬方左右，C₂⁺（NGL）產品可增產13噸/日左右。

2、降低脫甲烷塔的熱負荷，減少冷量消耗

針對目前工廠處理量降低，氣質變貧的狀況。技術人員對脫甲烷塔重新進行了熱量衡算，發現應減少塔的熱負荷。為此，我們對脫甲烷塔的控制參數重新進行了調整，將脫甲烷塔靈敏板溫度TICA0220由原來的2℃降低到-8℃，將脫甲烷塔塔頂壓力（即甲烷外輸壓力）PICA0201由12.5Bar降至11.5Bar。這樣即保證了產品的純度，同時也減少了NGL單元所需的冷量，降低了脫甲烷塔頂TI0209的溫度。

3、解決3-V6不制冷問題，增加丙烷制冷單元冷量

我廠的丙烷輔助制冷單元采用的三級壓縮制冷流程，3-V6為一級制冷蒸發器，靠溫度差作為蒸發動力，制冷深度為-35℃。一段時間，3-V6不制冷，只能靠3-V7提供冷量，造成脫甲烷塔頂溫度偏高。分析發現在冷箱2-E1中與3-V6、3-V7同時給原料氣提供冷量的脫甲烷塔側沸線7、8層溫度偏低，8層進料溫度TI0215為-60℃，7層出料溫度TI0214為-40℃，低于丙烷在3-V6中的制冷深度，造成丙烷不能蒸發，影響了3-V6的制冷。經停機調整后，7、8層側沸線溫度恢復正常，8層進料溫度TI0215恢復為-30℃，7層出料溫度TI0214恢復為-15℃， 3-V6開始制冷，調整后全投3-V6、3-V7冷量，降低了2-E1出口原料氣溫度。

4、降低甲烷外輸壓力，提高膨脹比

為了提高伴生氣處理量，我們將膨脹機噴嘴由20%開大至35%，但是膨脹機的膨脹比卻由39（絕壓）/13.5（絕壓）=2.89下降到35（絕壓）/13.5（絕壓）=2.59，根據膨脹機經驗公式：

（T2/T1）=（P2/P1）^k-1/k

式中：k為常數（對于天然氣k值在1.35-1.4左右）;T1為膨脹機入口溫度;T2為膨脹機出口溫度;P1為入口壓力;P2為出口壓力。

由上式可以看出膨脹機的出口溫度T2會升高，不利于降低脫甲烷塔頂溫。為此，我們將干氣外輸壓力（出口壓力P2）由12.5bar降低至11.5bar， 降外輸壓力后，膨脹比為2.8。同時又全投3-V6、3-V7的冷量，以此來降低膨脹機入口溫度T1，最終在提高伴生氣處理量的情況下，達到了降低膨脹機出口溫度T2的目的。

5、減小2-V1開度，提高節流效應

在增大膨脹機噴嘴開度，提高處理量的同時，技術人員根據節流膨脹公式：

△T_H=C△P（273/T1）²

式中：C為氣體的特性常數;△T_H為溫度降;△P為節流遜閥前后壓差;T1為節流前絕對溫度（TI0212）。

有上式可以看出，節流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比，與節流前溫度T1成反比，因此我們應采取增大壓力降和降低節流前溫度的方法來增大溫度降。為此，在全投3-V6、3-V7冷量，以降低節流前絕對溫度T1（TI0212）的同時，關小2-V1開度（LICA0202），以增大△P值，這樣△T_H值也相應增大，即降低了節流后溫度TI0210。

通過2、3、4、5步的調整，我們降低了脫甲烷塔的熱負荷，并且降低了兩股進料溫度（膨脹機出口進料溫度T2和焦耳-湯姆遜閥后進料溫度TI0210），調整后脫甲烷塔塔頂溫度降低了4℃左右，穩定在-99℃左右。甲烷中C3⁺含量由3.0克/M³左右降低到2.3克/M³左右，平均每天多生產C3⁺產品0.7噸。

6、采用科學分析方法，降低天然氣損耗

為了充分發揮引進裝置的性能，實施了“六清一衡算”的科學計算方法。作到每天處理氣量清、外輸甲烷氣量清、再生氣量清、轉換氣量清、損耗氣量清、輕烴產量清，達到物料衡算的目的，每周總結和月度生產分析。正是運用了科學的分析方法，我們發現丙烷的實際產量低于理論計算出的產量。

排除了由于計量誤差和操作不平穩造成產量偏低的原因，逐條排查可疑管線，避免工藝閥門間存在內漏可能性。

四、經濟效益分析

通過以上提高產量和收率措施，處理氣量日均提高了5萬方。甲烷中乙烷含量由29克/M³降至25克/M³，乙烷收率由81%提高到85%。C3⁺產品收率由94%提高到95%。創造可觀經濟效益。

參考文獻

[1]王遇東：《天然氣處理與加工工藝》