低負(fù)荷工況對(duì)天然氣處理裝置的影響及工藝操作的改進(jìn)措施

盛 偉 王燕妮 盛 辰 陳俊霞 牛 芳 朱 華

（中原油田天然氣處理廠）

某天然氣處理裝置以油田伴生氣為原料，生產(chǎn)甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和天然氣油等產(chǎn)品。原設(shè)計(jì)原料氣處理量為80～120×104m3／d，壓力（絕壓）為3.8～6.77MPa，乙烷收率為85%。隨著油田勘探開發(fā)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，工廠供氣量降低至60～65×104m3／d左右，氣質(zhì)也明顯變貧，原料氣中C3＋質(zhì)量濃度由230g／m3降至155g／m3，這樣在原設(shè)計(jì)工藝參數(shù)和操作方式下，裝置無(wú)法達(dá)到預(yù)期的制冷深度，嚴(yán)重降低了產(chǎn)品的收率（統(tǒng)計(jì)12個(gè)月乙烷收率為80.4%），而且還影響到機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)給分餾單元的操作也帶來(lái)了一定的困難［1－5］。因此，面對(duì)油田伴生氣量逐年下降的現(xiàn)狀，研究低負(fù)荷工況對(duì)裝置的影響及如何根據(jù)現(xiàn)狀對(duì)工藝操作方式進(jìn)行改進(jìn)，成為亟待解決的問(wèn)題。

1 低負(fù)荷工況對(duì)裝置的影響

1.1 低負(fù)荷對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

本裝置有3個(gè)主要機(jī)組，包括：原料氣壓縮機(jī)、膨脹增壓機(jī)和丙烷制冷壓縮機(jī)。其中，原料氣壓縮機(jī)和膨脹增壓機(jī)均為主流程機(jī)組，丙烷制冷壓縮機(jī)為輔助制冷系統(tǒng)機(jī)組。這3個(gè)機(jī)組均是離心式壓縮機(jī)，因此以原料氣壓縮機(jī)為例來(lái)說(shuō)明低負(fù)荷對(duì)機(jī)組的影響。

該原料氣壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)，作用是為天然氣增壓，滿足干燥、膨脹、分餾等工藝需求。該機(jī)為二段壓縮，共有8級(jí)葉輪，具有排氣量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，以及正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓縮氣流脈動(dòng)小等特點(diǎn)。但離心式壓縮機(jī)對(duì)氣體的壓力、流量、溫度變化比較敏感，原料氣各項(xiàng)參數(shù)的變化易導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

由天然氣處理裝置原料氣壓縮機(jī)工況圖（圖1所示）可以看出，若壓比不變，則流量降低時(shí)工作點(diǎn)向左（即喘振線方向）移動(dòng)，當(dāng)流量降低到一定值時(shí)碰到喘振線，此時(shí)機(jī)組防喘閥打開，會(huì)使處理氣量降低；若防喘閥不能及時(shí)打開則機(jī)組喘振。

喘振對(duì)離心式壓縮機(jī)的危害較大，具體到該裝置的原料氣壓縮機(jī)，其危害主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

（1）由于原料氣壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)，原料氣壓縮機(jī)喘振會(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)高低壓軸轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)，易使燃?xì)廨啓C(jī)殼體振動(dòng)升高導(dǎo)致停機(jī)，同時(shí)壓縮機(jī)的性能惡化，壓力和效率顯著降低；

（2）壓縮機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)伴隨異常的噪聲、吼叫和爆音，輕則機(jī)組中心偏移，軸承磨損，密封間隙增大；重則徑向和軸向間隙消失，止推軸承燒毀，動(dòng)靜部件碰撞，損壞機(jī)組；

（3）由于原料氣壓縮機(jī)在膨脹增壓機(jī)增壓端的上游，原料氣壓縮機(jī)喘振會(huì)造成膨脹增壓機(jī)超速停機(jī)，裝置停產(chǎn)。

由以上分析可知，由于該裝置是連續(xù)生產(chǎn)方式，任何一臺(tái)機(jī)組的喘振除了對(duì)機(jī)組本身造成損壞外，還會(huì)直接影響其他機(jī)組的運(yùn)行。

學(xué)校應(yīng)著重建立健全自律與他律并重的師德建設(shè)長(zhǎng)效機(jī)制，研究制定科學(xué)合理的師德考評(píng)制度、方式，切實(shí)把師德表現(xiàn)作為評(píng)判教師是否優(yōu)秀的第一標(biāo)準(zhǔn)。引導(dǎo)和鼓勵(lì)教師靜心教學(xué)、潛心育人，做學(xué)生生活上的學(xué)習(xí)榜樣和專業(yè)學(xué)習(xí)上的引路人。

1.2 低負(fù)荷對(duì)收率的影響

結(jié)合圖2介紹工藝流程：工廠來(lái)氣經(jīng)原料氣壓縮機(jī)和增壓機(jī)三級(jí)壓縮，干燥脫水后，進(jìn)入冷箱2－E1、2－E2換熱，在低溫分離器2－V1中進(jìn)行分離，液相通過(guò)焦耳－湯姆遜閥節(jié)流后進(jìn)入脫甲烷塔2－C1頂部，氣相經(jīng)膨脹機(jī)降溫后作為2－C1的進(jìn)料，塔頂產(chǎn)品甲烷經(jīng)冷箱換熱后外輸，C＋2產(chǎn)品由NGL泵送入分餾單元。在整個(gè)過(guò)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(zhì)，通過(guò)等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機(jī)，對(duì)2－V1底部介質(zhì)進(jìn)行節(jié)流膨脹的焦耳－湯姆遜閥。

透平膨脹機(jī)是為整個(gè)低溫裝置提供冷源的主要設(shè)備。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，常常由于各方面條件的變化，總要引起裝置總耗冷量的改變。為了維持裝置的冷量平衡，就要求透平膨脹機(jī)的工況能夠調(diào)節(jié)，使產(chǎn)冷量發(fā)生相應(yīng)的變化。制冷量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式中：Q0為制冷量，kW；qm為膨脹氣體量，kmol；hs為等熵比焓降，kJ／kmol；ηs為等熵效率。

由式（1）知，制冷量Q0與膨脹機(jī)的膨脹氣體量qm、等熵比焓降hs及等熵效率ηs這三者有關(guān)。qm與原料氣量有直接的關(guān)系。hs與膨脹機(jī)膨脹比有關(guān)。由于該廠膨脹機(jī)的出口壓力P2即脫甲烷塔壓力，固定控制在1.25MPa。低氣量下，膨脹機(jī)入口流量qm、壓力P1分別降低，從而使膨脹機(jī)的制冷能力下降，導(dǎo)致甲烷塔2－C1頂溫上升，產(chǎn)品收率下降。

另外，負(fù)荷降低同樣對(duì)下游的分餾單元有一定的影響，導(dǎo)致分餾塔效率降低，給操作帶來(lái)一定的難度，同時(shí)降低了產(chǎn)品純度。

2 工藝操作的改進(jìn)措施

由于伴生氣的氣量和氣質(zhì)無(wú)法控制，主要靠“補(bǔ)氣”來(lái)提高工廠的處理量，同時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)以提高輕烴產(chǎn)品的收率。針對(duì)現(xiàn)狀，采取了如下措施：

2.1 向原料氣中補(bǔ)充干氣，提高處理量

表1 補(bǔ)氣前的工藝參數(shù)Table 1 Process parameters before filling gas

表2 補(bǔ)氣后的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters after filling gas

表1和表2是氣量波動(dòng)時(shí)補(bǔ)氣前后的數(shù)據(jù)記錄。

通過(guò)表1與表2的對(duì)比，可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)氣后，脫甲烷塔的頂溫平均降低了3℃，干氣中C2和C＋3的質(zhì)量濃度分別降低了3.6g／m3和0.4g／m3。

2.2 降低甲烷外輸壓力，提高膨脹比

為了提高伴生氣處理量，將膨脹機(jī)噴嘴開度由20%開大至32%，但是膨脹機(jī)的膨脹比卻由3.9 MPa（絕壓）／1.35MPa（絕壓）＝2.89下降到3.5 MPa（絕壓）／1.35MPa（絕壓）＝2.59，根據(jù)膨脹機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：k為常數(shù)（對(duì)天然氣而言k值在1.35～1.4左右）；T1為膨脹機(jī)入口溫度，K；T2為膨脹機(jī)出口溫度，K；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa。

由式（2）可以看出，膨脹比率下降，膨脹機(jī)的出口溫度T2會(huì)升高，不利于降低脫甲烷塔頂溫，因此將干氣外輸壓力（出口壓力P2）由1.25MPa（表壓）降低至1.15MPa，降低外輸壓力后，膨脹比為2.8。同時(shí)，加大輔助制冷量降低膨脹機(jī)入口溫度，最終在提高伴生氣處理量的情況下，達(dá)到了降低膨脹機(jī)出口溫度的目的。

2.3 降低脫甲烷塔的熱負(fù)荷，減少冷量消耗

對(duì)脫甲烷塔重新進(jìn)行熱量衡算，發(fā)現(xiàn)應(yīng)減少塔的熱負(fù)荷來(lái)降低塔頂溫度。為此對(duì)脫甲烷塔的控制參數(shù)重新進(jìn)行了調(diào)整，將脫甲烷塔靈敏板溫度由原來(lái)的2℃降低到－8℃，將脫甲烷塔塔頂壓力（即甲烷外輸壓力）PICA0201由1.25MPa降至1.15 MPa，這樣既保證了產(chǎn)品的純度又減少了NGL單元所需的冷量，降低了脫甲烷塔頂?shù)臏囟取?/p>

2.4 增加丙烷制冷單元冷量

該廠的丙烷輔助制冷單元采用的是三級(jí)壓縮制冷流程，圖2中所示3－V6為一級(jí)制冷蒸發(fā)器，靠溫度差作為蒸發(fā)動(dòng)力，制冷低溫位為－35℃。3－V6制冷深度不夠，單靠3－V7提供冷量，造成了脫甲烷塔頂溫度偏高。分析發(fā)現(xiàn)，在冷箱2－E1中與3－V6、3－V7同時(shí)給原料氣提供冷量的脫甲烷塔側(cè)沸線7、8層溫度偏低，8層進(jìn)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(fā)，影響了3－V6的制冷。調(diào)整后，7、8層側(cè)沸線溫度恢復(fù)正常，8層進(jìn)料溫度TI0215恢復(fù)為－30℃，7層出料溫度TI0214恢復(fù)為－15℃，3－V6開始制冷，調(diào)整后適當(dāng)投入3－V6、3－V7冷量，降低了2－E1出口原料氣溫度。

2.5 減小2－V1開度，提高節(jié)流效應(yīng)

在增大膨脹機(jī)噴嘴開度，提高處理量的同時(shí)，根據(jù)節(jié)流膨脹公式：

式中：C為氣體的特性常數(shù)；ΔTH為溫度降，K；ΔP為節(jié)流閥前后壓差，MPa；T1為節(jié)流前絕對(duì)溫度，K。

由式（3）可以看出，節(jié)流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比，與節(jié)流前溫度T1成反比，采取增大壓力降和降低節(jié)流前溫度的方法來(lái)增大溫度降。因此對(duì)輔助制冷系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，加大制冷量以降低節(jié)流前絕對(duì)溫度T1（TI0212）的同時(shí)，關(guān)小節(jié)流閥開度以增大ΔP值，這樣ΔTH值也相應(yīng)增大，即降低了節(jié)流后溫度TI0210。

3 小結(jié)

通過(guò)以上措施，統(tǒng)計(jì)6個(gè)月的乙烷收率提高至82.6%，與未采取措施前相比提高了2.2%。

目前天然氣化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，而不少老油田的油氣資源衰竭較快，很多天然氣處理裝置均在設(shè)計(jì)下限甚至更小的狀況下運(yùn)行，在能耗未減的情況下輕烴收率逐步降低，不僅造成能源消耗，而且還降低了經(jīng)濟(jì)效益。在無(wú)法改造設(shè)備的前提下應(yīng)從工藝入手對(duì)裝置進(jìn)行挖潛增效，以提高裝置的收率，達(dá)到節(jié)約能源提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

［1］朱利凱.天然氣處理與加工 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997.

［2］王遇冬.天然氣處理與加工工藝［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［3］張慶安.還原吸收法尾氣處理裝置及CT6－5催化劑工業(yè)運(yùn)行回顧［J］.石油與天然氣化工，1997，26（2）：90－93.

［4］王吉云.100kt／a硫磺回收裝置尾氣處理單元改造［J］.石油與天然氣化工，2010，39（4）：307－310.

［5］胡天友，熊鋼，何金龍，等.胺法脫硫裝置溶液發(fā)泡預(yù)防及控制措施［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（3）：101－103.