基于輕烴回收油吸收工藝的HYSYS模擬計算

王 勇 李士富

西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018

0 前言

隨著天然氣和油田伴生氣需求量的不斷增長，油田伴生氣的回收及綜合利用具有越來越重要的意義［1-2］。從伴生氣中分離出的乙烷、丙烷、丁烷、穩(wěn)定輕油等產(chǎn)品，可以應用在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域， 尤其可作為乙烯原料，具有十分可觀的經(jīng)濟效益。

目前， 在輕烴回收裝置應用較多的加工工藝有：吸附法、壓縮冷凝法、油吸收法等工藝方法［1］。 若冷凍溫度高于-40 ℃稱為淺冷，冷凍溫度在-40 ～-80 ℃范圍內(nèi)稱為中冷，低于-80 ℃稱為深冷。 淺冷一般用一種冷劑（如氨或丙烷）就可實現(xiàn)；中冷和深冷有時需要混合冷劑串聯(lián)制冷或冷劑制冷與膨脹制冷相結(jié)合。 一般輕烴回收中常用的方法有中壓淺冷工藝， 該工藝方法丙烷回收率低，滿足不了工藝生產(chǎn)的需要。 目前長慶油田推廣使用一種新型輕烴回收工藝，即冷油吸收工藝，該工藝方法原理是用裝置自產(chǎn)的穩(wěn)定輕烴作為吸收劑， 對脫乙烷塔塔頂氣體進行二次吸收，吸收后丙烷收率達80%以上［3～4］。

1 油吸收工藝原理

油吸收工藝是指在一定的溫度及壓力條件下，兩種或多種氣體在某種油品吸收劑里面的溶解過程。 由于各種氣體在液體中都有一定的溶解度，當氣體和液體接觸時，氣體溶于液體中的濃度逐漸增加直到飽和。 吸收劑有烷烴和芳香烴等，輕烴回收裝置自產(chǎn)的穩(wěn)定輕烴C5和C6亦可作為吸收劑。

輕烴回收裝置中應用冷油吸收的主要目的是回收原油伴生氣中的C3及以上組分的烴類，一般適用于原料氣組成中C3及以上組分含量豐富的情況。

長慶油田采油五廠姬—聯(lián)合站位于陜西省定邊縣境內(nèi)。 該聯(lián)合站不僅回收接轉(zhuǎn)站中的大罐氣，還回收緩沖罐氣和井場套管氣，導致原料氣量不穩(wěn)定，組分變化大。 由于三種氣體中的C3及以上烴組分潛含量不同，氣量波動大，故要求加工工藝靈活，設(shè)備操作彈性大。 在設(shè)計中，為使原料氣量和組成變化時C3收率也能達到70%以上，經(jīng)研究探討，對姬一聯(lián)合站的輕烴回收采用簡化的中壓空冷+冷油吸收的輕烴回收工藝。 該工藝方法的主要特點是以裝置自產(chǎn)冷凍后的穩(wěn)定輕油作為吸收劑，在1.6～2.0 MPa 和8～15 ℃的條件下， 吸收經(jīng)空冷脫出游離液烴氣相中的C3及其以上重烴組分［5-6］。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

經(jīng)現(xiàn)場測定，長慶油田姬一聯(lián)合站原油穩(wěn)定來氣和緩沖罐來氣摩爾組分見表1～2。

表1 原油穩(wěn)定來氣摩爾組分表

表2 緩沖罐來氣摩爾組分表

3 工藝流程HYSYS 模擬計算

圖1 是姬一聯(lián)合站輕烴回收HYSYS 計算模型。 原油穩(wěn)定來氣（40 ℃，0.33 MPa）和緩沖罐來氣（30 ℃，0.35 MPa）混合后，物流1 進入氣液分離器。 從氣液分離器出來的物流4 進入螺桿壓縮機進行壓縮，壓縮后物流6（72.1 ℃，0.8 MPa）進入冷卻器冷卻，冷卻后物流7（40 ℃，0.79 MPa） 再進入氣液分離器進行氣液分離。 分離后物流8（40 ℃，0.79 MPa）二次進入壓縮機壓縮，壓縮后物流10（101 ℃，2.2 MPa）再次進入冷卻器冷卻。 冷卻后物流11（40 ℃，2.19 MPa） 進入板翅式換熱器， 換熱后物流12（34℃，2.18 MPa）進入脫乙烷塔，塔內(nèi)壓力控制在1.7～1.72 MPa，塔底乙烷含量控制在6%，塔底重沸器溫度控制在79.3 ℃。塔底出口物流15（79.3 ℃，1.72 MPa）進入板翅式換熱器，換熱后物流16（83 ℃，1.71 MPa）進入液化氣塔。 液化氣塔壓力控制在1.3～1.32 MPa， 塔板數(shù)設(shè)定26 層， 塔底溫度控制在150 ℃。 出來的液化氣物流18（55.4 ℃，1.3 MPa）進入液化氣空冷器進行空冷，最后出來液化氣產(chǎn)品在37.8 ℃時的飽和蒸汽壓為1.31 MPa，達到了合格外輸?shù)囊蟆?/p>

脫乙烷塔頂出來的氣相物流14（3.25 ℃，1.7 MPa）進入板翅式換熱器，換熱后物流25（-25 ℃，1.69 MPa）進入吸收塔底部。 液化氣塔底部出來的冷凍輕油物流20（150℃，1.32MPa）進入液化氣換熱器，換熱后物流21（133.5 ℃，1.31 MPa）進入輕油空冷器進行冷卻。 冷卻輕油物流22（40 ℃，1.29 MPa）分出兩部分，物流配比為4∶1，即用作回收劑回收原料氣中C3組分的輕油摩爾百分數(shù)為80%，外輸?shù)妮p油摩爾百分數(shù)為20%。

作為吸收劑的輕油經(jīng)過輕油換熱器換熱后進一步冷凍，冷凍后物流26（-25 ℃，1.28 MPa）進入吸收塔頂部。 吸收塔壓力控制在1.2～1.25 MPa，塔板數(shù)控制在10層，經(jīng)過充分吸收從脫乙烷塔頂過來的貧氣后，干氣物流27（-6.1 ℃，1.2 MPa）經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流，物流28（-12.5 ℃，0.4 MPa） 最后經(jīng)原料氣-貧氣換熱器換熱， 換熱后物流29（34.3 ℃，0.39 MPa）外輸至下游。

吸收塔底部出來攜帶有少量丙烷的輕油物流30（-13.5℃，1.25 MPa）經(jīng)輕油泵增壓至1.9 MPa，打循環(huán)進入脫乙烷塔中， 在塔中輕油所攜帶的氣體分離。 姬—聯(lián)合站輕烴回收裝置見圖2［7～8］。

圖1 姬一聯(lián)合站輕烴回收HYSYS 工藝計算模型圖

圖2 姬一聯(lián)合站輕烴回收現(xiàn)場裝置圖

4 計算結(jié)果

HYSYS 模擬計算結(jié)果見表3～5，其中表3 為外輸干氣摩爾組分表，表4 為液化氣摩爾組分表，表5 為外輸輕油摩爾組分表。

通過表3～5 計算分析得出：外輸干氣CH4和C2H6x 為94.9%，基本達到外輸指標要求。 液化氣收率達到89.3%，而只用中壓淺冷的方式液化氣收率僅為72%， 運用該方法使液化氣收率提高17.3%。 在外輸輕油組分中丙烷含量為0，而丙烷以上組分作為穩(wěn)定輕烴得到充分回收［6-7］。另外用HYSYS 軟件還模擬了系統(tǒng)壓力從1.7 MPa 增加到2.5 MPa 時系統(tǒng)液化氣收率和所需負荷， 計算對比結(jié)果見表6［9-10］。

表3 外輸干氣摩爾組分表

表4 液化氣摩爾組分表

表5 外輸輕油摩爾組分表

表7～8 分別為液化氣和穩(wěn)定輕烴的質(zhì)量指標，其中液化石油氣執(zhí)行標準GB 9052.1-1998 《油田液化石油氣》，試驗方法穩(wěn)定輕烴執(zhí)行標準GB 9053-1998《穩(wěn)定輕烴》，試驗方法按照GB/T 8017-87《石油產(chǎn)品蒸汽壓測定法》執(zhí)行。 經(jīng)模擬計算得出：液化氣在37.8 ℃時的飽和蒸汽壓為1.31 MPa， 穩(wěn)定輕烴的飽和蒸汽壓為0.095 MPa，完全符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。 長慶油田姬一聯(lián)合站輕烴回收裝置開車投產(chǎn)順利，生產(chǎn)出合格的液化氣和穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品。 實際生產(chǎn)液化氣15 t/d，穩(wěn)定輕烴17 t/d［11-12］。

表6 兩種壓力工況下C3 收率和負荷比較

表7 我國油氣田液化石油氣質(zhì)量指標

表8 我國穩(wěn)定輕烴質(zhì)量指標

5 結(jié)論

本文對中壓淺冷技術(shù)中的冷油回收技術(shù)進行HYSYS 模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)：裝置用自產(chǎn)穩(wěn)定輕烴作吸收劑，對脫乙烷塔頂氣體進行二次吸收，使得丙烷和液化氣收率得到顯著提高。 該工藝及其裝置已成功應用在姬一聯(lián)合站。 通過理論計算與現(xiàn)場實際操作對比發(fā)現(xiàn)：該工藝流程應用效果良好，丙烷收率達到了規(guī)范要求的60%～90%的技術(shù)指標。 在生產(chǎn)過程中可通過原料氣量的變化調(diào)節(jié)吸收劑循環(huán)量， 通過溫度控制提高C3收率，實現(xiàn)生產(chǎn)操作最優(yōu)化，效益最大化。 研究模擬還發(fā)現(xiàn)：隨著吸收劑量增加，液化氣收率增加較快，這是因為在整個系統(tǒng)中冷凍溫度已經(jīng)確定， 溫度在模擬中調(diào)節(jié)范圍有限。 在吸收劑量不變的情況下，吸收壓力的提高對液化氣收率影響并不敏感， 壓力從1.7 MPa 增加到2.5 MPa時， 液化氣收率只提高了2.34%， 雖然冷凍負荷降低了43.6 kW，但重沸器熱負荷增加149.7 kW，加之壓縮機的動力消耗，得不償失。 因此，在冷油回收工藝中一般將吸收壓力控制在1.7 MPa 內(nèi)，既可與系統(tǒng)壓力相匹配，又能滿足吸收要求。

［1］ 王 健. 輕烴回收工藝的發(fā)展方向及新技術(shù)探討［J］. 天然氣與石油，2003,21（2）：20-22.Wang Jian.The Development Direction and New Technology of Light Hydrolarbon Recovery Process［J］. Natural Gas and Oil,2003,21（2）：20-22.

［2］ 蘇 欣，張 琳，池翠薇，等. 油田氣冷凝分離法中壓力和溫度的確定［J］. 天然氣與石油，2008，26（1）：12－15.Su Xin, Zhang Lin, Chi Cuiwei, et al. Determination of Pressure and Temperature in the Oil Field Gas Condensation Separation Process［J］.Natural Gas and Oil,2008,26（1）：12-15.

［3］ 王遇冬. 天然氣處理與加工工藝（第二版）［M］. 北京：中國石化出版社，2011.70-75.Wang Yudong. Natural Gas Treatment and Processing Technology（The Second Edition）［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2011.70-75.

［4］ 徐文淵，蔣長安.天然氣利用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2006.35-40.Xu Wenyuan，Jiang Chang'an.Natural Gas Utilization Manual［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2006.35-40.

［5］ 顧安忠.液化天然氣技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.50-60.Gu Anzhong.Liquefied Natural Gas（LNG） Technology［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2004.50-60.

［6］ 郭揆常.礦場油氣集輸與處理［M］. 北京：中國石化出版社，2009.65-100.Guo Kuichang.Oil and Gas Gathering and Transportation and Processing in Mine Field ［M］. Beijing：Mechanical Industry Press，2009.65-100.

［7］ 博布洛夫斯基C A. 天然氣管道輸送［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1985.120-140.Bobbrovesky C A. Natural Gas Pipeline Transportation［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1985.120-140.

［8］ 王 勇， 王文武， 呼延念超， 等. 油田伴生氣乙烷回收HYSYS 計算模型研究［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：236-239.Wang Yong，Wang Wenwu，Huyan Nianchao, et al. Study on HYSYS Computation Model for Oilfield Associated Gas Ethane Recovery ［J］. Oil and Natural Gas Chemical Engineering，2011，40（3）：236-239.

［9］ 王 勇，張玉璽，白劍鋒.LNG 制冷HYSYS 計算模型研究［J］. 天然氣與石油，2012，30（4）：30-32.Wang Yong，Zhang Yuxi，Bai Jianfeng. LNG Refrigeration HYSYS Computation Model［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：30-32.

［10］ 李武廣，楊勝來，殷丹丹，等.頁巖氣開發(fā)技術(shù)與策略綜述［J］. 天然氣與石油，2011，29（1）：37-39.Li Wuguang，Yang Shenglai，Yin Dandan，et al. Shale Gas Development Technology and Strategy Review［J］. Natural Gas and Oil，2011，29（1）：37-39.

［11］ 諸 林. 天然氣加工過程［M］. 北京： 石油工業(yè)出版社，2008.240-260.Zhu Lin.Natural Gas Processing［M］. Beijing： Petroleum Industry，2008.240-260.

［12］ 楊小龍，李戰(zhàn)平，李富生. 長北氣田地面工程技術(shù)［J］. 天然氣工業(yè)，2007，27（10）：110-120.Yang Xiaolong， Li Zhanping， Li Fusheng. Technology of Changbei Gasfield Surface Engieering［J］. Natural Gas Industry，2007，27（10）：110-120.