大型轻烃回收工艺的应用与优化

Technology & Testing..

大型轻烃回收工艺的应用与优化 张 勇 武 艳 范冠军 曹振涛 赵景峰 闫晨龙 ( 中原油田天然气处理厂, 河南濮阳457001)

摘 要 采用先进的膨胀机制冷加丙烷辅助制冷的混和制冷工艺, 乙烷收率在85%以上, 丙烷、丁烷收率均在95%以上, 其工艺技术和轻烃收率在国内同行业中处于领先水平。介绍了中原油田天然气处理厂3 气改扩建工程工艺流程, 产品规格及组成, 总结了工艺特点及先进性, 介绍了工艺设计中的合理优化选择, 并对整套装置的经济效益进行了分析。合理应用先进的NGL 工艺技术, 可降低能耗, 减少投资, 提高产品收率。

关键词 天然气处理 NGL 回收 工艺 流程 深冷 收稿日期: 2007- 06- 18

作者简介: 张勇( 1980~ ) , 助理工程师, 从事天然气处理工作.. E- mail: zyszbd@163.. com

Application and Optimization of Big NGL Recovery Technology Zhang Yong Wu Yan Fan Guanjun Cao Zhentao Zhao Jingfen Yan Chenlong ( Zhongyuan Oil Field Natural Gas Process Plant , Henan Puyang 457001) Abstract The technic process and product composing were introduced and the technic characteristics and advance.. ment including dewatered system

optimization, refrigerating system opt imizat ion, enegy recovery system optimization, ad..

vanced LSP process, heat exchanging equipment and control system optimization were summarized.. The economy benefit was analyzed.. Ut ilizing advanced NGL technology reduced energy consumption and increased product recovery efficiency.. It could offer little reference to other natural gas process plant design

Keywords natural gas process NGL recovery technics process cryogenic technology

在油田的勘探开发中存在着丰富的伴生气和凝析气, 轻烃回收处理装置能够充分利用这部分宝贵的资源。中原油田天然气处理厂大型NGL( Natural Gas Liguid) 回收装置, 是在消化、吸收国外先进工艺的基础上, 对工艺流程和自动化控制进行了优化选择后设计完成的。工艺采用先进的膨胀机制冷加丙烷辅助制冷的混和制冷工艺, 制冷温度最低可达- 105 , 原料气为油田伴生气和凝析气田气。产品主要有液态乙烷、气雾剂级丙烷、商品丁烷及作为精细加工原料 的稳定轻烃。乙烷收率在85% 以上, 丙烷、丁烷收率均在95%以上, 其工艺技术和轻烃收率在国内处于领先水平。 1 工艺流程

1.1 原料气压缩和脱水分离

表1 原料气组成表( 体积分数)

组分C1 C2 C3 i C4 nC4 i C5 nC5 nC6

组成0. 791 6 0. 082 9 0. 050 6 0. 010 6 0. 020 6 0. 006 5 0. 003 8 0. 003 3

组分nC7 nC8 nC9 nC10 CO2 H2O N2

组成0. 0026 0. 0012 0. 0002 0. 0001 0. 0125 0. 0069 0. 0065

iC4 为异丁烷, iC5 为异戊烷

nC4 为正丁烷, nC5 为正戊烷, 依次类推

原料气从工厂界区进入分离器1- V1( 原料气入口分离器) , 将可能存在的杂质在此分离器中分离出来后, 进入燃气轮机驱动的一台两级压缩机进行压缩, 并用空冷器对该压缩机压缩的原料气进行冷却, 冷却后的原料气进入膨胀增压机组进行最后的压缩。增压机出口原料气由空冷器和丙烷制冷的冷却器冷却。在每一级压缩冷却后, 均设有一台分离器, 将冷凝液收集在分离器中, 这些冷凝液定时循环至低压分离器, 最终收集在1- V2( 级间分离器) 中。 1.2 NGL 回收

图1 NGL 回收单元流程图

从01 单元来的原料气在板翅式换热器2- E1、2 - E2 和2- E3 中冷却和部分冷凝, 通过将原料气分 成两股物料分别进入2- El 和2- E3, 从而降低脱甲 烷塔重沸器的负荷, 凝液收集在2- V1 中, 并在2- E2 中进一步冷却, 被冷却的凝液进脱甲烷塔2- C1 作 塔顶液相回流。2- V1 中来的气相物流在2- E2 中再

次加热后进膨胀机2- TK1 膨胀至脱甲烷的压力, 以适 当的温度进入脱甲烷塔, 作为脱甲烷塔的进料。 通过膨胀机制冷、2

- E1 的两级丙烷制冷以及2

- E2 和2- E3 两个侧沸器取走热量, 达到了NGL 分 离所需要的制冷温度。2- C1 的塔底重沸采用从2- E1 热端吸收热量, 2- C2 的塔底产品( NGL) 通过NGL 泵压送至脱乙烷塔的压力等级, 并在进入04 单元前 在2- E1 中局部加热, 2- C1 的塔顶产品是干气。 1..3 .. NGL 分馏

图2.. NGL 分馏工艺流程图

脱乙烷塔( 4- C1) 的塔顶产品通常是液态乙烷, 亦可将气态乙烷通过4- C1 顶部或4- V1( 脱乙烷塔 回流罐) 回注到贫气管线中去。不管生产那种乙烷产 品均能满足需要。因此塔的控制既适于液态产品, 亦 适于生产气态产品。冷凝器4- E2 是一个充满中压 气化丙烷的釜氏换热器。其压力调节可保证塔的压 力稳定。乙烷产品由乙烷外输泵送到低于临界状态 下的乙烷管线。脱乙烷塔的操作压力通过4- E2 的 塔顶冷凝器控制。控制是由4- E2 中的丙烷的流量 来进行, 以保持脱乙烷塔的压力稳定。 从脱乙烷塔底切割出C3+ 的进入脱丙烷塔4-

C2, 4- C2 的塔顶产品经过空冷器冷凝, 4- C2 塔顶 操作压力可通过调节空冷器风机功率或热气旁通进 行控制。塔顶回流泵4- P2A/ B 用于给塔打回流, 又 用于将丙烷送到储罐6- T1。塔底产品( 即C4+ 馏 分) 被送到脱丁烷( 4- C3) 塔作为进料。 塔4- C3 将C4+ 馏分分成丁烷和天然气油。塔 顶冷凝器为空冷器4- EA2, 通过调节空冷器的风机 电机功率和热气旁通来调节塔顶压力, 塔顶回流泵4 - P3A/ B 既用于给塔打回流, 又用于将丁烷送到储罐 6- T2。塔底产品( 即天然气油) 在空冷器4- EA3 冷 却后, 经过液位控制被输送到储罐6- T3。 2 产品规格及组成 表2.. 产品设计规格表 产品规格 乙烷

液态乙烷出界区压力6..0 MPa; 甲烷含量最大 2..2%; 丙烷及以上组分含量最大2..5% 丙烷

液态丙烷出界区压力2..1 MPa; 产品纯度最低 95..0%; 乙烷含量最大1.. 5%; 丁烷及以上组分含量 最大2..5% 丁烷

液态丁烷出界区压力1..2 MPa; 产品纯度最低 95..0%; 丙烷含量最大2.. 5%; 戊烷及以上组分含量 最大2..0%

轻油天然汽油出界区压力0.. 6MPa; 丁烷含量最大1..0% .. 注: 含量单位均为摩尔分数 表3.. 产品组成表( 体积分数) 组分乙烷丙烷丁烷轻油 C1 0..014 5 0 0 0 C2 0..951 6 0..010 1 0 0 C3 0..017 5 0..970 9 0..014 1 0 i C4 0 0..016 0 0..339 1 0..000 3 nC4 0 0..003 0 0..630 4 0..007 8 i C5 0 0 0..015 0 0..322 5 nC5 0 0 0..001 4 0..260 6 nC6 0 0 0 0..229 8 nC7 0 0 0 0..136 1 nC8 0 0 0 0..035 9 nC9 0 0 0 0..006 2 nC10 0 0 0 0..000 8 CO2 0..016 4 0 0 0 .. 25 ..

张.. 勇等.. 大型轻烃回工艺应用优

收的与化.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 2007..Vol..21, No. 9.. 化工时刊

.. .. 根据中原油田原料气的工况及产品规格, 通过 ASPEN PLUS 软件对工艺方案进行模拟优化, 最终确 定产品组成见表3。 3 工艺的优化及先进性 3..1 .. 脱水系统的优化

此工艺系统属深冷型回收工艺, 深冷温度在- 100 .. 以下, 为防止低温状态下出现天然气水合物冻 堵, 脱水系统采用高压低温分子筛脱水, 双塔流程切 换操作, 操作压力4..35MPa, 温度27 .. , 脱水后天然 气露点在- 100 .. 以下, 与常规的3 塔脱水相比减少 了干燥器的结构尺寸, 减少了分子筛的填充量, 减少 了操作程序。另外由于吸附、再生操作压差较大, 切 换过程中设计了升、降压程序, 避免了高压气流对床 层的冲击和突然降压而造成分子筛颗粒的碎裂。从 近六年来的运行效果看, 脱水达到了设计指标, 操作 简便, 运行可靠。 3..2 .. 制冷系统优化

制冷系统采用膨胀机制冷加丙烷辅助制冷, 由于 丙烷是装置自身的产品, 不需外购, 可降低生产成本。 外部丙烷辅助制冷工艺根据工艺所需制冷介质品位 的不同, 采用了3 级压缩、3 级截流的制冷工艺技术,

在两个压力等级上的气相丙烷分别进入压缩机, 此工 艺与传统的一级压缩相比节能249 kW, 与2 级压缩 相比节能42 kW, 节能效果明显。为最大限度的得到 低温, 深冷的轻烃回收工艺要求膨胀机在较高的等熵 效率下运行, 膨胀比一般为3~ 6, 高效区的膨胀比一 般为3~ 4。中原油田天然气处理厂3 气改扩建工程 中, 膨胀机进口压力4..5 MPa, 进口温度- 36 .. , 出口 温度- 85 .. , 膨胀机的等熵效率约80%, 膨胀比约3 左右, 膨胀机完全处于高效区运行。 3..3 .. 能量回收系统优化

(1) 膨胀机是能量回收利用的主要设备, 通过膨 胀机不但可以取得良好的制冷效果, 而且可以回收大 量的动能而输给同轴增压机。膨胀机等熵效率越高, 制冷效果越好, 输出功率越大。

(2) 优化换热流程充分回收物料中的冷量, 是提 高制冷效果和轻烃收率的重要途径。主要包括回收 外输干气的冷量和脱甲烷塔顶的冷量.. 在中原油田 天然气处理厂3 气改扩建工程的设计中通过对换热 流程的优选, 利用两台多物流板翅式换热器, 充分回 收了脱甲烷塔顶干气、塔底物流的冷量, 使原料气温 度从- 27 .. 降到- 60 .. , 干气温度从- 99 .. 升到 23 .. , 制冷单元的冷量得到了充分利用回收, 达到了

良好的制冷效果。

( 3) 采用了燃气轮机余热锅炉回收热量给导热油 加热技术, 利用燃气轮机的尾气热能为整套装置提供 热量, 从烟气余热中回收5 500 kW能量, 节省了加热 炉和燃料, 燃气轮机单机效率从23..4% 提高到综合 热效率56..7%, 能量回收非常明显。同时避免了本 地因水质硬度高造成的锅炉供热系统的结垢和腐蚀, 以及水处理和维护费用高、热效率低、燃气消耗大、系 统供热稳定性差等问题。中原油田天然气处理厂在 所有轻烃深加工装置中推广导热油密闭循环加热技 术。导热油供热系统具有热效率高且供热稳定, 密闭 循环泄漏损失小, 可实现无人监控自动操作等优点, 热效率高达85% 以上, 长期运行经济性较好。 3..4.. 先进的液体过冷法(LSP) 工艺

在深冷型轻烃回收工艺中, 如果制冷温度过低, 原料气中CO2 超过一定含量, 塔顶气体中的CO2 就会 出现过饱和状态而形成固体析出, 造成管线和塔盘冻 堵。因此对原料气中的CO2 含量应有一定的, 当 CO2 含量过高时, 就要增加脱CO2 装置, 但当CO2 含 量不是很高时, 要达到尽可能低的制冷温度, 若增加 脱CO2 装置, 投资就会增大。中原油田天然气处理厂 改扩建工程采用奥尔特洛夫( Ortloff) 公司提出的液体

过冷法(LSP) 工艺流程, 既能有效地防止CO2 冻堵又 能保证轻烃的收率。从工艺优化模拟还可看出, LSP 工艺比常规的膨胀制冷工艺还可减少20% 的能耗。 如图3, 采用常规的工艺流程进行模拟, 压力为 1..40MPa, 制冷温度达到- 94 .. 时, 塔顶就发生了 CO2 冻堵, 乙烷收率仅为70% 左右; 采用了LSP 工艺 流程( 见图4) , 即采用过冷液体作为脱甲烷塔的塔顶 回流, 为脱甲烷塔顶提供冷源, 控制压力1..40 MPa, 制冷温度- 101 .. , 没有发生CO2 冻堵, 同时乙烷收率 在85%以上, 节省了投资, 减少了能耗, 经济效益明 显提高。 .. 26 .. 化

工

时

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2007..Vol..21,

9.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 试验..Technology& Testing..

No.

工艺..

图3.. 常规膨胀制冷原则工艺流程图 图4.. 中原油田采用的LSP 工艺流程图 3..5 .. 换热设备的优选

采用了两台高效的板翅式换热器, 其中一台多达 7 股换热物流, 铝合金的板翅式换热器具有纯逆流换 热, 热端换热温差小( 4~ 6 .. ) , 单位体积和单位质量 传热面积大, 换热效率高, 性价比高等特点, 确保了能 量的充分回收, 减少了操作环节, 降低了工程投资, 另 外根据本地地下水资源紧缺, 易结垢的情况, 设计中 在压缩单元及丙烷、丁烷塔均选用了空冷器作为冷凝 器, 驱动电机变频调速控制, 节约电能。空冷技术不 仅保护了水源, 节省了水处理和维修费用, 同时也是 装置运行更可靠, 操作更加方便。 3..6 .. 控制系统优化

控制系统采用国内外成熟的分布控制系统

(DCS) , 通过DCS 控制系统对工艺过程进行集中控 制、显示、记录和报警。通过紧急停车系统( ESD) 对 装置进行连锁保护。自动控制系统的整体水平在国 内同类装置中处于领先地位。几年来运行证明, 自动 控制系统安全可靠, 能保证装置安全平稳运行。 4 经济效益分析

.. .. 根据装置标定结果, 主要经济指标见下表。 表4.. 主要经济指标对照表 项目设计指标实际达到指标 处理能力/ ( 104 m3 / d) 上限120 123..46 额定100 100 下限80 78.. 67

乙烷回收率/ ( %) 85 86.. 26 丙烷纯度/ (%) 95 98.. 30 丁烷纯度/ (%) 95 97.. 90 燃料气/ ( m3/ h) 1 650 1 537 电/ kW 1 913.. 15 1 900 水/ ( t/ d) 20 20 噪声/ dB .. 85 84

.. .. 从中可明显看出, 实际指标均优于设计指标, 达 到了国内同类装置的领先水平, 取得了良好的经济效 益, 年均利润总额由可研的7 250 万元达到实际的 1..2617 亿元, 年均税后利润由可研的8 699万元达到 实际的1..537 8亿元, 投资回收期由可研的4..29 a 缩 短为实际的3..35 a, 项目的盈利能力和抗风险能力相 当强。

生产实践证明, 中原油田天然气处理厂3 气改扩

建工程的中压深冷处理工艺是非常成熟、先进的。装 置工艺水平在国内同行业中处于领先地位, 装置运行 状况良好。设计中根据物料的不同工况, 采用先进的 工艺技术不断优化工艺方案, 可以明显提高轻烃收 率, 降低能耗, 减少工程投资, 从而获得良好的经济效 益。 参考文献

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张.. 勇等.. 大型轻烃回收工艺的应用与优化.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 2007..Vol..21, No. 9.. 化工时刊