新疆某油田天然氣深冷處理工藝研究及優化

＊馮天龍

（新疆油田公司石西油田作業區 新疆 834000）

1.天然氣深冷工藝流程

天然氣深冷處理工藝，主要流程為（如圖1）：脫水后的部分氣體作為脫乙烷塔塔側換熱器和塔底重沸器的熱源，提供熱量后自身得到冷卻，再進一步與低溫干氣換熱，然后進入一級丙烷蒸發器冷卻后，再進入氣體分餾塔上游的低溫分離器[1]；輔助流程為：脫水后的一部分氣體通過回流壓縮機增壓、冷卻，經丙烷二級蒸發器、J-T閥節流后作為氣體分餾塔的回流進入氣分塔的頂部，氣體分餾塔塔底液烴和來自低溫分離器的液烴混合后進入脫乙烷塔，脫乙烷塔的塔底液相經塔底泵、丙烷深冷器進入脫丁烷塔，脫丁烷塔的塔頂產品為液化氣，塔底產品為穩定輕烴。

圖1 深冷回收輕烴工藝流程

2.基于HYSYS的模擬工況工藝參數研究

HYSYS軟件是世界著名油氣加工模擬軟件公司開發的大型專家系統軟件。該軟件分動態和穩態兩大部分，是面向油氣生產、氣體處理和煉油工業的模擬、設計、性能檢測的過程模擬，常用方程為Peng-Robinson狀態方程。其主要的特點包括：非序貫模擬技術、最先進的集成式工程環境、強大的動態模擬功能、內置人工智能，以及功能強大的物性預測系統，國內用戶總數已超過50家，所有的油田設計系統全部采用該軟件進行工藝設計，深受各類設計院、研究院青睞。

(1)理論最高收率模擬計算

氣體分餾塔是最主要的輕烴回收裝置（如圖2），其塔頂溫度則是控制回收工藝最關鍵的因素。據外方提供的氣體分餾塔最低設計溫度為-73℃，因單廠脫水處理量最高為50萬方/天、回流氣壓縮機最大排量20萬方/天，所以按照進氣50萬方、回流氣量20萬方進行配比模擬。

圖2 HYSYS現場工藝模擬示意圖

HYSYS中根據外方提供塔板數為14塊，同時設定了塔頂壓力，根據規定塔頂溫度和已知的低溫分離器氣相溫度可算出J-T閥后溫度，而J-T閥的壓差已知是8MPa到3MPa，利用J-T閥原理可以計算出閥前也就是干氣三級換熱器后的溫度，又因為氣分塔塔頂產出氣相溫度根據氣分塔塔頂溫度已知，其通過干氣三級換熱器后的溫度現場為-30℃，設計換熱器可以得出丙烷二級蒸發器后干氣需要達到的溫度。

同等壓力下，越低的塔頂溫度則代表越高的收率，按照外方提供的氣分塔設計溫度為-73℃時（見表1），氣分塔的產品組分中液相的輕烴含量與進氣中理論的輕烴含量相比，推算出氣站理論最高收率為93.44%。如何降低塔頂溫度則是本文研究的方向，在對氣站深冷工藝流程了解和研究的基礎上提出幾個關鍵因素的影響，即回流氣量、外輸壓力。

表1 塔頂-73℃時氣體分餾塔產品組分表

(2)對氣體分餾塔影響因素的模擬

對裝置主要運行參數進行敏感性分析，分析運行參數對C3及以上組分的影響程度，獲得對裝置C3及以上組分影響最顯著的運行參數[2]，為工藝優化改造提供依據。

①回流氣量的影響

雖然單廠分子篩脫水處理量僅為50萬方/天，但是脫烴工藝的能力不止50萬方/天，況且一廠電驅丙烷壓縮機在排量上有著絕對優勢，所以提出了“分開脫水，集中脫烴”的處理工藝。流程上是將兩廠回流氣壓縮機出口連接起來。這就意味著兩廠合并理論上可以提供40萬方的回流氣量（如圖3），充分利用富余冷量，提高輕烴收率。

由于回流氣量增加，塔頂冷量增大，降低了塔頂溫度，為各組分的精餾提供了低溫條件，C3及以上組分對塔頂溫度較為敏感，HYSYS模擬中當回流氣量達到29萬方時收率逐漸變緩，這是因為這時塔頂溫度達到-70.18℃，乙烷已經逐步析出，C3及以上組分收率已達到較高水平[3]。

②外輸壓力的影響

工藝上通過調節外輸壓力來改變氣體分餾塔的塔頂壓力，通過降低外輸壓力來獲得更多的壓降同時借助焦耳湯姆遜效應獲取更大的冷量，從而更加降低了天然氣的溫度，拉低分餾的溫度以獲得更高的輕烴收率，但是外輸壓力要受油儲天然氣環網壓力的限制，必須高于其環網壓力才能外輸，所以可調范圍非常有限，常規調節范圍為3.5～2.8MPa（如圖4）。

圖4 外輸壓力對塔頂溫度及J-T閥溫降的影響

3.不同氣量現場工況的工藝參數優化

(1)回流氣量的優化

通過回流氣量的影響分析可知，更多的回流氣通過J-T閥意味著對工藝注入了更多的冷量，但是回流氣量不可以一味地增加[4]。觀察圖3現場工藝模擬示意圖可以看出，該工藝在早期設計時為減少能耗，實現能量的梯級利用，設計者將粉塵過濾器后走低溫分離器分支的熱氣作為脫乙烷塔的熱源，而脫乙烷塔需要足夠的熱源將進料中沸點較低的甲烷和乙烷完全蒸出，以免乙烷影響后端處理工藝。所以需要算出通過該分支的最少氣量，對應的回流氣量則最高。在HYSYS中通過定義脫乙烷塔塔底液相中乙烷的含量是0，可以核算出脫乙烷塔底重沸器需要多少熱量，再設計冷卻器固定前后端溫差可以核算出氣量。

模擬時需要規定氣體分餾塔塔頂溫度最低設計為-73℃，否則改變回流氣量會導致塔頂溫度的變化，進而導致脫乙烷塔進料溫度的變化，對重沸器需要的熱值會有影響，故規定脫乙烷塔塔頂壓力為400kPa和350kPa。

表2為理論上的最大回流量，這時既可以滿足脫乙烷塔將乙烷完全蒸出，對應的回流氣量提供的冷量也最大，為最優。

表2 不同進氣量理論最大回流量計算表

(2)外輸壓力與丙烷蒸發量的結合調整

回流氣量按塔頂壓力400kPa時理論最大回流量計算，以氣分塔塔頂溫度-73℃為標準。

通過模擬發現確實可以通過升高外輸壓力的方式來提高物質沸點，使其更容易液化[5]，進而提高采收率，甚至超過上文中3MPa時理論最大收率，不過觀察表3，可以看出當外輸壓力增加時，J-T閥前后壓差變小，節流提供的冷量減小，對應丙烷制冷需求增大，丙烷蒸發量增加。當進氣60萬方、外輸壓力達到3.3MPa時，丙烷蒸發量為16.08，超過了丙烷壓縮機的最大排量。所以建議進氣50萬方時外輸壓力可以調到3.5MPa，而進氣60萬方時，只可以調到3.3MPa，同時冬季丙烷壓縮機工況良好時，可通過升高外輸壓力的方式提高極限收率，夏季丙烷壓縮機工況不好時，外輸壓力不宜過高，同時還應考慮不同氣量丙烷壓縮機排量是否滿足要求。

表3 不同進氣量的外輸壓力對應丙烷蒸發量計算表

4.結論

（1）對于氣體分餾塔，提高回流氣量、增加丙烷蒸發量均能對降低溫度產生積極效果。

（2）對于脫乙烷塔，升高塔頂壓力會提高收率，塔底重沸器的溫度要適宜，過高會導致部分丙烷蒸發，過低會導致乙烷無法完全汽化，塔頂壓力400kPa時塔底溫度在28℃左右，350kPa時塔底溫度在23℃左右。

（3）升高脫乙烷塔塔頂壓力，主流程需要氣量增加，最大回流氣量變小。

（4）J-T閥前后溫降只與壓力有關，與氣量無關。但是通過的氣量越大意味著對工藝輸入的冷量越大，能有效降低氣分塔溫度。

（5）增大外輸壓力，對應的丙烷蒸發量需求也會增加（建議冬季使用），當處理60萬方氣時壓力不能高于3.3MPa。

（6）調節回流氣量時，應滿足脫乙烷塔將乙烷完全蒸出，對應的回流氣量最大，詳見表2。