轻烃回收不同制冷工艺的技术分析

2014-08-10张东华郭亚冰

石油化工应用 2014年5期

张东华，汤颖，郭亚冰，范峥

（西安石油大学石油炼化工程技术研究中心，陕西西安 710065）

利用轻烃回收将天然气中相对甲烷或乙烷更重的组分以液态形式回收，既满足了外输天然气烃露点要求，又回收了高价值的液态烃作为燃料和化工原料，保障了安全生产且提高了装置经济效益。轻烃收率高、工艺简单、运行成本低的低温分离工艺在轻烃回收生产中广泛应用。制冷工艺是低温分离法的核心单元，直接影响装置的投资、能耗、收率等经济技术指标，科学、经济的制冷工艺的选择、应用、运行，对维持安全稳定生产、降低生产能耗、提高装置效益意义重大[1]。

通过介绍膨胀制冷法（节流膨胀法、透平膨胀法等）、冷剂制冷法（单一冷剂制冷、混合冷剂制冷、阶式制冷等）等简单制冷、复合制冷法的工艺特点，分析天然气组成、压力、温度、产量等条件对制冷工艺设计、操作的影响，以减少因天然气组成、压力波动对制冷过程长周期稳定运行的消极作用，延长装置安全高效生产周期。

1 简单制冷

1.1 膨胀制冷

膨胀制冷法即自制冷法，直接利用高压天然气经节流阀、透平膨胀机等设备实现绝热膨胀、降温使天然气部分冷凝，满足气液分离要求。该循环流程简单、设备紧凑、投资少、调节灵活、工作可靠。制冷能力取决于气体压力、组成、膨胀比及膨胀设备的热力学效率等。

1.1.1 节流阀制冷对于有较大可利用压力能且不需要很低制冷温度时，直接采用节流阀制冷是一种比较简单的制冷方法[2]。实际流体的焓是温度、压力的函数，节流前后温度发生变化的现象称为节流效应。节流过程J-T 系数的正、负值赋予了流体节流后的制冷、制热现象，任何流体均存在μh=0 即节流等温现象。流体的节流效应随流体状态的变化而不同，流体在不同压力下的转化点各异。同一压力下的气相转化点和液相转化点对应于气相转化温度及液相转化温度。流体在低于气相转化温度并高于液相转化温度之间发生节流膨胀时制冷效应，在高于气相转化温度或低于液相转化温度下发生节流膨胀制热效应。实际流体节流效应曲线（见图1），曲线以外节流膨胀过程升温，曲线以内节流膨胀过程降温。实际流体节流前后温度变化情况取决于流体的组成和状态，依流体组成调节合适的节流前温度和压力，可达到要求的节流效应。调整节流前富甲烷气体的温度和压力，采用节流阀制冷可实现气体降压、降温，冷凝分离的目的。

图1 实际流体节流效应曲线

节流前温度、压力的调整应根据流体组成的不同而变化，从而达到最优节流制冷效果。由于天然气中甲烷等小分子的PV-P 曲线斜率随压力、温度的不同而不同，甲烷在节流时随甲烷压力的增加，μh由正、零转变为负，导致天然气的J-T 系数随组成、压力的变化而变化，可出现制热、制冷作用且温度变化效果不同的节流效应，作用效果随甲烷含量的增加而加剧。苏欣等[3]通过对不同组成天然气节流制冷流程的模拟计算亦验证了理论分析的合理性，天然气降压、降温对冷凝量的影响与甲烷含量密切关联，甲烷含量的变化导致温度、压力对冷凝量的作用不同：（1）甲烷含量较大（≥80ψ%），天然气的节流效应主要受甲烷PV-P 变化的影响，节流后压力和温度变化对冷凝量的影响不同。压降较小即压力降低幅度小时气化作用的趋势弱，节流降温效果明显，温度降低是影响冷凝量的主要因素，冷凝量随节流温度的降低而增加；压降增大即压力降低幅度大，低于某值时,节流降温效果减弱，压力降低发生气化的趋势较温度降低发生冷凝的趋势强，高压降下的压力降低是影响冷凝量的主要因素，冷凝量随温度的降低不增反降；（2）当天然气较富，甲烷含量低（＜80ψ%）时，甲烷对混合气的影响减弱，天然气中乙烷、丙烷等气体对混合气体节流效应的影响作用增强，而乙烷、丙烷等烃类的J-T 系数远小于甲烷的J-T 系数，即富气的节流制冷效果远低于甲烷的节流制冷效果，降压导致的气化作用远大于降温引起的冷凝作用，节流降温后冷凝量减小。

随富气中甲烷含量的降低，节流降温后冷凝量减小的现象愈发明显，限制了节流制冷在提高富气轻烃收率中的应用，只有进一步降温才可在更低温位下实现乙烷的冷凝[4]。

1.1.2 透平膨胀机制冷具有一定静压能的气体经透平膨胀机的制冷过程对外做功其比熵不变（即等熵膨胀），膨胀后气体温度降低并产生冷量。此过程中气体本身的内能转化为机械能且回收了膨胀功，用于压缩气体或驱动电机，同时膨胀获得的更低温位的能量满足了增加轻烃收率的要求，有效提高了制冷循环的经济效益。

透平膨胀机的制冷量全部通过膨胀机获得，膨胀机制冷量的大小是影响收率最关键的因素[5]。低损失、低能耗下获得尽可能高的制冷能力以满足低温冷凝分离需求是透平膨胀机的发展目标。为适应原料气气量、压力、温度及组成变化的工况，应适时调节膨胀机的制冷能力以维持装置的冷量平衡，制冷能力的调节包括制冷量、制冷温位的调节。膨胀过程中转化为外功的焓降即制冷量Q 受通过膨胀机的流体质量流率G、等熵焓降Δh 及等熵效率η 影响（Q=GΔhη）。调节G的大小可以改变制冷量，但会引起装置能耗增加，经济效益差，不推荐采用。而借助调整喷嘴叶片角度、喷嘴高度等措施降低了喷嘴流道喉部截面面积，单位流通截面积的气体质量流率提高，制冷量提高，此方法不改变膨胀机进出口的状态参数，在实际生产中广泛应用[6]，但制冷量的增加有限。流体经透平膨胀后的温降决定于膨胀前后流体压力差，即可利用的压力能越多，流体的更多内能转化为机械能，温降愈明显[7]。提高膨胀比即增加入口压力、降低出口压力可产生更低温位的冷量。但过高的膨胀比会增加装置的能耗，影响经济效益，同时转速过高的工作轮影响机器运行的稳定性，流道损失加剧，甚至出现卡机事故。随井口气压力的不断降低，通过降低出口压力来提高膨胀比的方式受外输压力的限制。透平膨胀前增压、膨胀后增压投资有所增加。

等熵效率η 即实际焓降与等熵焓降之比是衡量透平膨胀机性能好坏最重要的参数，等熵效率越高，所获得的实际制冷量越大。透平膨胀机在变工况时的等熵效率η 取决于膨胀机的转速u1与之商，并非单调关系，随比值的变化存在最大值。调节膨胀机进气量、流道截面积和透平膨胀机的进出口参数可以改变转速u1和实际焓降的大小，应参照效率特性曲线选择调节，保证透平膨胀机在最大效率下工作，实现既降低装置能耗又提高的收率的目的。随着天然气进入透平膨胀机中膨胀制冷，天然气中较重的烃类率先冷凝产生液滴，液滴对气流的阻滞作用、冷凝激波及自身的潜热效果等会造成一系列的不可逆损失。天然气中重烃含量越多，膨胀过程中的产液速度越快，带液引起的损失就越大，膨胀机的等熵效率降低。同时液体的存在对膨胀机内构件存在一定的腐蚀作用，威胁装置的安全稳定生产[8]。天然气中含的重烃组分越多，冷凝、带液对膨胀机效率影响越显著，透平膨胀机制冷效率降低，能耗增加。若膨胀机入口的天然气温度过高，膨胀制冷后的温位达不到深冷分离的要求，而提高膨胀比的能耗较高、经济效益差，可采用提前预冷的方法[9]；当天然气的压力较低时，应选择性的对原料气进行增压，保证膨胀机在最佳工况下运行。

透平膨胀机制冷法适应原料气较贫且处理量很大的工况，具有制冷效果好，制冷系统设备数少，操作方便，装置能耗低，且制冷过程的最低温位易调节等优点。但随着气田开发的延续，天然气压力逐年降低，供膨胀制冷利用的压力能减少，轻烃收率大幅降低，稳定生产受到威胁。

1.2 冷剂制冷

利用沸点低于环境温度的工艺流体通过压缩、冷凝、膨胀及蒸发组成的压缩制冷循环可实现制冷的目的。借助外界机械能，通过选择不同冷剂、压缩制冷循环方式可不断降低温度直至深冷。冷剂制冷法由独立设置的冷剂压缩制冷循环向天然气提供冷量。制冷能力与原料气的温度、压力及组成无关，通过调节制冷循环的工作压力来控制制冷温度以满足生产的需求，调节操作过程安全稳定。

冷剂制冷的最低制冷温度受工质蒸发温度的限制，最低为冷剂在蒸发压力下的蒸发温度。单一冷剂制冷中常用冷剂有氨、丙烷等，丙烷的蒸发温度较低（-42 ℃）与氨相当（-33 ℃），可利用环境介质进行压缩后的冷凝，蒸发相变焓虽然低于氨的蒸发相变焓，但由于易得，毒性小，安全且与被冷却流体同类，在制冷工艺中广泛应用。受冷剂制冷温度的限制，轻烃收率难以继续提高。提高天然气分离压力使气液两相相分离温度升高，可在一定程度上提高天然气凝液的收率，但增压提高收率的作用有限。-30 ℃下不同原料气丙烷收率与分离压力的模拟结果（见图2），低压时丙烷收率随着分离压力的提高而快速增加，但增加的幅度不断降低。分离压力的进一步增加对提高凝液收率的作用减弱，压力的增加导致能耗变大，同时工艺设备的压力等级要求和造价也会大大提高，提高收率的经济性变差。天然气中甲烷含量愈高，加压提高凝液收率的作用愈弱，最优分离压力愈高。不同组成天然气的最优分离压力各异，可通过模拟计算得出以指导生产。

图2 甲烷含量不同与丙烷收率、分离压力的关系

改变单一制冷工艺中冷剂的组成，添加更轻且蒸发温度更低的组分，通过降低混合冷剂的蒸发温度，仍借助环境介质进行压缩后介质的冷凝，利用原有压缩制冷循环的混合冷剂制冷可在一定程度上获得较单一冷剂更低的制冷温度[10]。通过选择蒸发温度更低的单一冷剂如乙烷、甲烷进行制冷循环可实现更低的制冷温度，但受冷剂临界温度（32.1 ℃、-82.6 ℃）的限制，环境介质已远远不能满足要求，必须采用阶式制冷循环才能得到更低温位（-88.6 ℃、-161 ℃）的冷量，达到提高轻烃收率的目的[11]。

1.3 简单制冷方法工艺分析比较

不同制冷工艺的特点各异，根据原料气的压力、组成、液烃收率等因素选择、调整操作是保障装置安全、平稳运行的基础。

节流阀制冷适合较低的原料气量，能够适应大的气量波动且操作简单，在节流阀出口允许有很大的带液量，当气体有可供利用的压力能，而且不需要很低的制冷温度时，采用等焓膨胀特性的节流阀制冷是一种简单有效的制冷方法。与透平膨胀机制冷相比，节流阀的制冷量要小的多，难以满足在较低温度下高轻烃收率的要求。在同样的初始状态和膨胀比条件下，气体透平膨胀对外做功引起温降，冷量损失较少，所以无论从制冷温位还是从制冷量上来讲，具有等熵膨胀特性的透平膨胀的效率更高，二者的差值与温度、压力有关。当压力较低而温度较高时，差值较大，随着压力的增加，二者的差值逐渐减小，最终接近于零，当原料气的压力很高时，简单节流阀制冷更具优势。

原料气较富时制冷量的需求过大，若采用透平膨胀机对其进行制冷则原料气的压缩功会太大，能耗较高，并由于较高的原料气压力使操作稳定性降低，同时透平膨胀机允许的带液量有一定限度，而节流阀出口允许有很大的带液量，故较富的原料气不适合采用透平膨胀机制冷。

冷剂制冷的制冷量与原料气的贫富程度及压力无关，加压、降温均能实现气相混合物冷凝，对于含C4、C5及更轻的烃类混合物，降温冷凝的功耗低于加压冷凝的功耗，降温成为提高轻烃收率的首选技术。利用混合冷剂在一定压力下蒸发，可产生较单一冷剂更低且为一定温度范围的低温冷量，通过改变冷剂的组成还可以方便调节蒸发温度以适应不同组成天然气的冷凝分离要求。混合冷剂制冷工艺与单一制冷工艺的流程完全相同，不需要增加设备投资。但是混合冷剂中呈气态、气液平衡态、液态的物质组成不断变化，对冷凝器、蒸发器、压缩机的设计尤其是操作、管理带来很大的难题，工程实际应用价值受限[12]。通过选择蒸发温度更低的单一冷剂也可实现较低的制冷温度，比如采用乙烷可获得最低为-88.6 ℃的低温冷量，但是受乙烷临界温度（32.1 ℃）的限制，不能利用环境作为冷凝介质，必须采用阶式制冷循环。阶式制冷循环中天然气与冷剂梯级降温，冷热流体的温差小，制冷效率高，能耗较低，但流程复杂，难以平稳操作，投资较大，轻烃回收装置中也极少采用。

处理量小、原料气组成较富、其压力与外输气压力之间没有足够压差可供利用时，采用冷剂制冷法比较经济，通常选用丙烷作为冷剂；当处理量较小、原料气组成较贫、原料气压力较大且随开采过程压力逐渐递减又不要求高的乙烷收率时，采用节流阀制冷既能够经济地达到收率要求，又节省了装置的投资及能耗；当处理量较大、原料气组成较贫、且需要回收较多乙烷时，可采用透平膨胀制冷。无论哪种简单制冷方式都有一定的局限性，难以同时满足天然气组成、温度、压力以及较低制冷温度的要求。因此应依据实际情况，从原料气组成、装置建设目的、产品收率要求、生产成本和工程投资等方面进行综合分析、合理的选择。作为初选轻烃回收制冷工艺的依据[13]（见图3，图4）。

图3 小型轻烃回收装置工艺方法的选择

图4 丙烷收率为90 %的工艺方法选择

2 复合制冷

高收率与低能耗是轻烃回收的发展方向，针对我国天然气井口压力较低、天然气大多较贫且组成变化较大的现状，轻烃回收需要的温度持续降低，单一的制冷方法很难达到要求。虽然增压-膨胀机制冷可以达到温度要求，但膨胀机的带液问题会带来一系列的附加损失，使膨胀机的效率降低、能耗过大，对富含重烃的天然气（富气）仍不适宜。轻烃回收工艺上应用最多的是以膨胀制冷作为主要冷源，冷剂制冷作为辅助冷源的复合制冷法，采用逐级制冷和逐级分离冷凝液的措施来降低冷量消耗和提高制冷深度，以达到较高冷凝率，最大限度地回收天然气中的轻烃[14]。

复合制冷法的冷源有两个或两个以上，装置运转受外界条件变化影响小，适应性强，保障了装置的安全、平稳、高收率运行；复合制冷法中外加制冷系统比冷剂制冷法要简单、容量小，外加制冷系统仅仅须解决高沸点烃类即重烃的冷凝问题。复合制冷与单一的冷剂制冷、膨胀制冷相比，既克服了冷剂制冷装置流程复杂以及制冷温度受限的缺点，也克服了透平膨胀机制冷稳定性差、对原料气适应能力差的缺点[15]。复合制冷工艺由于外加冷源的存在，可使重烃提前冷凝分离，大幅度减少了透平膨胀机的带液，而且又能够补充节流阀制冷所缺乏的冷量，装置整体能耗大幅较低，丙烷收率特别是乙烷收率大幅提高，是当前先进、合理、有效的轻烃回收制冷方式，可实现高收率，低能耗的目标。

3 结语

轻烃回收制冷工艺的选择、操作条件受原料气组成、温度、压力和处理量等条件的影响，保障装置的安全稳定生产，改善适应不同条件下运行的灵活性，提高轻烃收率对于清洁生产意义重大。降低制冷温度、改善制冷效率、提高能量利用率是制冷工艺设计、运行的核心。

混合冷剂制冷利用大气环境作为冷凝介质，通过冷剂组成、压力的调节可产生较单一冷剂更低且为一定温度范围的低温冷量以适应不同组成天然气的冷凝分离要求，工艺流程简单，能耗低。解决混合冷剂的相平衡、压缩、换热等瓶颈，优化混合冷剂制冷设计和自控水平，降低操作、管理的难度是混合冷剂制冷工程化的关键。随天然气压力的降低、天然气组成的变化，以混合冷剂主导的复合制冷工艺由于安全性好、适应面广、灵活性大、能耗低、轻烃收率高，在轻烃回收中的应用将不断扩展。

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