低溫冷凝油氣回收工藝模擬分析與能耗優化

葉超 劉祿 張彥華 劉洪清 代學金

（1.中聯煤層氣有限責任公司晉西分公司；2.長慶油田第九采油廠；3.中國石油管道局工程有限公司管道投產運行分公司；4.中國石油華北油田公司第二采油廠；5.中國石油集團公司青海油田分公司采油五廠）

在石油儲、運、銷的過程中，受環境溫度、壓力、油品物性、周轉次數等因素的影響，從呼吸閥或其他非密閉容器內揮發出輕烴組分是不可避免的[1]。據統計數據表明，從原油開采到成品油煉制的過程中，油氣平均損耗可達產量的3%，按照2022 年底國內原油產量2.05×108t/a 核算，損耗量高達6.15×106t/a[2-3]。油氣揮發不僅造成經濟損失和環境污染，還存在一定的安全隱患。站場內油氣揮發量最大的設備為儲罐，可通過負壓閃蒸、微正壓閃蒸等穩定工藝降低原油飽和蒸氣壓，減少輕組分含量，最后產生的不凝氣和其余設備揮發的氣態輕烴與空氣混合后形成油氣混合物。對于油氣混合物回收工藝，有膜分離法、吸收法、吸附法和冷凝法等四種，冷凝法的應用最為廣泛[4]。目前，大多學者對回收工藝的研究集中在常壓處理上[5-7]，對于不同工況下處理效果的研究還有不足。基于此，利用HYSYS 軟件建立冷凝油氣回收工藝簡化模型，考察不同冷凝壓力和冷凝溫度對油氣回收率、尾氣濃度的影響，針對出口尾氣溫度低的特點，充分利用剩余冷量對工藝流程進行改進，并從能耗和?的角度對比改進前后工藝流程。

1 狀態方程

HYSYS 軟件提供的狀態方程可以準確預測油氣混合物的物性，對于油氣回收工藝，需采用立方型狀態方程[8]。其中PR 狀態方程在處理低溫深冷和高溫高壓體系上具有較強的相平衡計算能力，公式見式（1）：

式中：p為壓力，Pa；R為氣體常數，J/(mol·K)；T為溫度，K；a、b均為Van der Waals 常數；V為摩爾體積，m3/mol；a(T)為關于氣體溫度的函數。

2 不同工況對油氣冷凝特性的影響

2.1 簡化模擬流程

依據SY/T 5267—2009《油田原油損耗測試方法》[9]、GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》[10]中的相關規定，對某站場內的儲油罐、沉降罐進行油氣損耗測試。樣品組成見表1。

表1 樣品組成Tab.1 Sample composition 體積分數/%

根據烴類組分在不同冷凝壓力下的沸點，采用逐級冷卻的方式進行油氣回收。油氣混合物先通過壓縮機增壓，再進入冷箱換熱，隨后流入分離器進行第一溫度梯度的氣液分離，然后再次進入冷箱換熱降溫，進行第二溫度梯度的氣液分離，直到處理深度滿足GB 20590—2020《儲油庫大氣污染物排放標準》中的要求（排放濃度小于或等于25 g/m3，油氣回收率大于或等于95%）。回收率η的計算方法見式（2）：

式中：Gin和Gout分別為進、出氣液分離器的非甲烷總烴含量，kg/h。

依據上述工藝，在HYSYS 軟件中建立簡易模擬流程，簡化模擬流程見圖1。壓縮機絕熱效率為75%，冷凝器壓降為20 kPa，100 和101 均為能量流股。

圖1 簡化模擬流程Fig.1 Simplified simulation flow

2.2 模擬結果分析

2.2.1 不同工況對處理效果的影響

在原料氣質量流量為10.79 kg/h 的條件下，模擬分析不同冷凝壓力和冷凝溫度對回收率、尾氣濃度的影響，不同工況對處理效果的影響見圖2。隨著冷凝溫度的降低和冷凝壓力的上升，油氣回收率逐漸上升，尾氣濃度逐漸下降；在壓力為0.1～0.6 MPa時，兩項評價指標的變化速率梯度較大，在壓力大于0.6 MPa 時， 指標的變化速率變小； 溫度在-40～20 ℃區間內，兩項評價指標的變化速率較快，溫度在-80～-40 ℃區間內，指標的變化速率變緩，溫度在-120～-80 ℃區間內，壓力高低對于指標幾乎不構成影響。由此可見，適當增壓可以提高冷凝回收所需的溫度，降低冷箱制冷量，提高COP（能效比），但增壓只對高溫區間有效，對于低溫區間的影響有限。

圖2 不同工況對處理效果的影響Fig.2 Influence of different working conditions on treatment effect

考慮到甲烷也是一種溫室氣體，其溫室效應是CO2的20 倍以上，因此在壓力為200 kPa 的條件下，分析不同組分回收率隨冷凝溫度的變化規律，結果見圖3。

圖3 不同組分回收率隨冷凝溫度的變化Fig.3 Change of recovery rate of different components with condensation temperature

隨著溫度的降低，各組分的回收率逐漸升高，與圖2 的結果相符；甲烷、乙烷和丙烷從20 ℃時開始液化，但液化速度和完全液化溫度有所不同；常壓狀態下丙烷在-42 ℃時開始液化，受混合氣體組分和壓力的影響，輕烴組分分壓有所增加，對應的露點也增加，使烴類氣體在達到標況冷凝溫度之前就實現液化。由此進一步說明增壓對于提高制冷效率和系統穩定性具有重要意義。滿足標準排放指標的要求下，冷凝壓力為0.5 MPa 下的冷凝溫度為-70 ℃，此時的油氣回收率為98.69%，尾氣濃度為23.51 g/m3。

2.2.2 不同工況對除水率的影響

考慮到樣品中含有部分水蒸氣，水蒸氣的存在會增加換熱面的水膜厚度，降低換熱器的效率和制冷量[11-12]，因此應在前端通過預冷作用將水蒸氣冷凝去除，降低對后續工藝的影響。考察了不同冷凝壓力和冷凝溫度對除水率的影響，結果見圖4。

圖4 不同工況對除水率的影響Fig.4 Influence of different working conditions on water removal rate

隨著冷凝溫度的降低和冷凝壓力的上升，除水率逐漸上升， 溫度在-120～-60 ℃、 壓力在0.6～1.0 MPa 的范圍內，工況參數變化對于除水率的影響不大；在常壓下，達到98%的除水率需要的冷凝溫度為-20 ℃；壓力為500 kPa 時，達到同樣除水率需要的冷凝溫度為-10 ℃，說明增壓有利于冷凝溫度降低。

3 系統的構建與優化

3.1 增壓冷凝油氣回收系統

依據上述分析，在HYSYS 軟件中建立增壓冷凝油氣回收流程（圖5）。原料氣（物流1-2）依次進入預冷冷箱、中冷冷箱和深冷冷箱，通過3 個氣液分離器對不同溫位的凝液進行回收，尾氣復熱至20 ℃后外排。

圖5 增壓冷凝油氣回收流程Fig.5 Oil and gas recovery process of supercharging condensation

冷凝過程由丙烷膨脹制冷和兩級自復疊制冷工藝組成，丙烷工質為原料氣預冷提供冷量，R23 制冷劑工質為中冷冷箱和深冷冷箱提供冷量。主要物流節點參數見表2，在油氣混合物降溫的過程中，形成了4 ℃、-35 ℃、-70 ℃的溫度梯度。

表2 主要物流節點參數Tab.2 Main logistics node parameters

3.2 尾氣冷量利用油氣回收系統

常規流程中尾氣溫度較低，雖然直接外排不會對大氣環境造成影響，但要求放空管材具有抗低溫性能，因此一般是復熱至常溫后再外排，這就造成冷量浪費。在此，將尾氣冷量先后用于深冷冷箱、中冷冷箱和預冷冷箱前的物流預冷，通過尾氣與油氣混合物的換熱，減少因使用加熱器而增加的電能。尾氣冷量利用的油氣回收流程見圖6，改進流程的主要物流節點參數見表3。增加了換熱器1～3，油氣混合物與尾氣換熱從124 ℃先降低至89 ℃，進入預冷冷箱預冷至4 ℃；繼續與尾氣換熱至0 ℃，進入中冷冷箱過冷至-35 ℃；最后與分離器出口尾氣換熱至-50 ℃，再進入深冷冷箱過冷至-70 ℃。

表3 改進流程的主要物流節點參數Tab.3 Main logistics node parameters of the improved process

圖6 尾氣冷量利用的油氣回收流程Fig.6 Oil and gas recovery process of exhaust gas cooling utilization

3.3 流程能耗分析

丙烷制冷和自復疊制冷工藝中的耗能設備均為1 臺壓縮機和1 臺冷凝器，工藝改進前后的能耗對比見表4。

表4 工藝改進前后的能耗對比Tab.4 Comparison of energy consumption before and after process improvement

改進前后的工藝總能耗分別為53 544 kJ/h、48 333 kJ/h，工藝改進后節約能耗5 211 kJ/h，總能耗降幅為9.73%；且壓縮機1 和壓縮機2 的能耗降幅明顯，說明尾氣冷量利用的方法合理有效。改進前丙烷膨脹制冷和兩級自復疊制冷工藝的制冷劑流量分別為24 kg/h、140 kg/h，改進后制冷劑流量分別為 10 kg/h、 76 kg/h， 流量降幅為 58.33% 和45.71%。改進前后的總制冷量分別為55 803 kJ/h、51 274 kJ/h，較改進前制冷量降幅分別為8.11%。最后根據制冷量和能耗計算COP，改進前后的COP 分別為1.04 和1.08，COP 提升了3.85%，能量的降低幅度大于制冷劑的降低幅度，系統效率得到有效提升。

3.4 物流?分析

考慮到能耗無法反映能量的量大小和質高低，無法表征能量傳遞過程中能質退化過程，在此采用?分析法，全面分析工藝流程的耗能結構、?損分布和?流去向。?分析的模型有黑箱、灰箱和白箱模型，其中灰箱模型可將物理模型和經驗公式結合在一起，具有較高的精度。在計算物流?時，不考慮動能?和勢能?，只考慮物理?和化學?[13-14]。同時作出以下假設：各設備均處于穩態或穩定流動狀態；部件節流過程為等熵過程；部件內的熱損失和壓降變化忽略不計[15]。

?模型的計算公式如下：

式中：exm為單位質量的物流?，kJ/kg；h為物流在當前系統下的焓值，kJ/kg；h0為物流在基準狀態下的焓值，kJ/kg；t0為環境溫度，℃；s為物流在當前系統下的熵值，kJ/(kg·℃)；s0為物流在基準狀態下的熵值，kJ/(kg·℃)；Exm為物流?，kJ/h；m為物流質量流量，kg/h；E+和E-分別為流入?和流出?，kJ/h；Dx為?損，kJ/h；ηE為?效率，%。

工藝改進前后的?損見圖7。改進前預冷冷箱、冷凝器1 和冷凝器2 的?損最大，占比分別為32.43%、16.85%和13.75%，總占比超過總?損的一半以上，是主要的耗能設備。改進后各設備的?損均有不同幅度的下降，預冷冷箱、冷凝器1 和冷凝器2 的?損依然較大，但占比有所減少。改進前的總?損為90 413 kJ/h， 改進后的總?損為60 706 kJ/h，減少了29 707 kJ/h，系統?效率從82.18%提升至87.24%。工藝改進前后的?效率見圖8。

圖7 工藝改進前后的?損Fig.7 Exergic damage before and after process improvement

圖8 工藝改進前后的?效率Fig.8 Exergic efficiency before and after process improvement

除壓縮機1 和壓縮機2 外，其余設備的?效率均較高，改進前換熱器的?效率為90.76%，改進后空壓機的?效率為94.54%。對于壓縮機，可通過提高絕熱效率、增加壓比來提高?效率。對于預冷冷箱，?效率變化不大，且?損占比較大，故需要對其進行持續優化。

3.5 工藝參數及能耗優化

以系統總能耗最小為目標函數，以油氣回收率、尾氣濃度、冷箱夾點溫度為約束條件，設置預冷溫度、中冷溫度、深冷溫度、丙烷循環量、制冷劑循環量為決策變量，變化范圍根據實際工況調整，進行工藝參數及能耗優化。優化方法有混合法、黑盒子法、共軛梯度法、擬牛頓法和貫序二次規劃法（SQP），其中SQP 方法的適用范圍最為廣泛，故采用該方法優化。經過20 次迭代后的優化結果對比見表5。在滿足處理深度的要求下，通過優化換熱網絡，使系統具有最小的冷卻和加熱公用工程量，總能耗和?損進一步降低，?效率提升至92.56%。優化后預冷冷箱的冷熱物流復合曲線較為接近，最小換熱溫差為3.25 ℃，對數平均溫差為10.21 ℃，說明優化后的熱集成效果較好，換熱過程的?損和熱損失更小。

表5 優化結果對比Tab.5 Comparison of optimization results

4 結論

1）利用HYSYS 軟件搭建了冷凝油氣回收簡化模擬流程，通過敏感性分析，得到在溫度20～-40 ℃的區間內，油氣回收率和尾氣濃度的變化速率較快，在溫度-40～-80 ℃的區間內，變化速率變緩，在溫度-80～-120 ℃的區間內，壓力變化對于指標幾乎不構成影響，增壓對高溫區間有效，對低溫區間的影響較小。

2）通過對尾氣余冷進行回收，減少了水浴加熱器的使用，降低了冷箱制冷量，節約能耗5 211 kJ/h，較改進前的總能耗降幅為9.73%，制冷量降幅為8.11%，COP 從1.04 增加至1.08。

3） 通過物流?分析，預冷冷箱、冷凝器1 和冷凝2 的?損較大，且預冷冷箱的?效率較低，利用SQP 優化方法對工藝參數持續優化，?效率提升至92.56%，總能耗進一步降低，冷箱的熱集成度更好。