丙烷制冷脫烴工藝在阿姆河第一天然氣處理廠的應用①

王 劍

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠)

1 裝置概況

阿姆河第一天然氣處理廠坐落于土庫曼斯坦列巴普州巴格德雷阿姆河右岸，占地面積71.32×104m2。處理廠設有4套天然氣凈化裝置：包括脫硫脫碳、脫水、脫烴、硫磺回收工藝單元，同時設有鍋爐房、循環(huán)水系統(tǒng)、空氮站等輔助及公用工程設施。裝置經過2013年技改擴能后，原料天然氣處理能力由投產初期55×108m3/a提升至現(xiàn)在65×108m3/a。該處理廠脫烴單元為丙烷脫烴工藝，其裝置主要分為丙烷撬塊制冷和低溫分離兩大部分。脫烴裝置自2009年投產運行以來總體運行平穩(wěn)、可靠，沒有出現(xiàn)過產品氣烴含量超標的情況[1]。即便處理廠地處沙漠腹地，夏天環(huán)境氣溫達50 ℃、冬季-15 ℃，單列裝置原料氣處理量最高達到490×104m3/d的情況下，處理廠產品氣烴露點均能達到設計指標，滿足長輸管線要求。

2 丙烷特點及丙烷制冷脫烴的基本原理

2.1 丙烷特點

丙烷化學式為C3H8，在常溫常壓下為氣態(tài)，經壓縮后可變?yōu)橐簯B(tài)[2]，一般經過壓縮成液態(tài)后運輸。氣態(tài)丙烷比空氣重(大約是空氣的1.5倍左右)，自然狀態(tài)下丙烷會下落并積聚在地表附近[3]。常壓下液態(tài)丙烷會很快變?yōu)檎羝⑶矣捎诳諝庵兴哪Y而顯白色。丙烷飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而增大，利用該特點可以使用丙烷作為制冷劑對天然氣進行降溫處理[4]。

表1 丙烷飽和蒸汽壓與溫度對照表

2.2 丙烷制冷脫烴原理

2.2.1丙烷制冷

丙烷制冷屬于相變制冷，是利用液態(tài)丙烷蒸發(fā)時的吸熱效應，不斷從被冷卻天然氣中取出熱量，從而達到制冷的目的[3]。丙烷制冷系統(tǒng)主要有壓縮、冷凝、過冷、蒸發(fā)4個基本過程，見圖1。

(1) 壓縮——壓縮機對丙烷做功(壓縮)，提高丙烷的壓力和溫度；

(2) 冷凝——通過丙烷冷凝器將壓縮后的氣態(tài)丙烷冷凝成液態(tài)丙烷，進入丙烷儲罐；

(3) 過冷——從丙烷儲罐出來的液態(tài)丙烷經節(jié)流閥降壓后進入經濟器，分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機的補充氣入口，液體則進一步節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器。

(4) 蒸發(fā)——低溫液態(tài)丙烷在丙烷蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從干凈化氣中吸熱，干凈化氣被冷卻。丙烷蒸氣經氣液分離后進入壓縮機一級吸入口，進入下一個壓縮制冷循環(huán)。

2.2.2低溫分離

3 裝置工藝流程及主要控制參數(shù)

3.1 工藝流程

3.1.1天然氣脫烴工藝流程

為了有效利用能量，自脫硫脫碳裝置的濕凈化氣經繞管換熱器與產品干氣換熱后，溫度從40.5 ℃降至30 ℃左右，進入濕凈化氣分離器進行氣液分離。分離出的天然氣送至脫水裝置，作為該裝置的進料天然氣。分離出的含油污水去脫硫脫碳裝置。

3.1.2丙烷壓縮機工藝流程

液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收熱量后變?yōu)楸檎羝瑫r使進料天然氣溫度降至-16 ℃。丙烷氣體分離出挾帶的液體后進入丙烷壓縮機，經壓縮后丙烷氣體表壓從0.16 MPa升至1.2 MPa，溫度從-20 ℃升至65 ℃。壓縮后丙烷氣體經丙烷冷凝器全部冷凝為液體。丙烷液體進入丙烷儲罐，再經節(jié)流閥降壓至0.5 MPa后進入經濟器分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機的補充氣入口，液體則進一步節(jié)流降壓至0.16 MPa后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收被冷介質的熱量，蒸發(fā)為丙烷蒸汽，從而完成整個制冷過程循環(huán)。

3.2 主要工藝參數(shù)和控制參數(shù)

3.2.1主要工藝設計參數(shù)

脫烴單元的原料主要為來自脫水裝置的干凈化氣，其主要參數(shù)如下：

干凈化氣流量： 395.31×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa)

溫度：32 ℃

表壓：5.63 MPa

表2 脫烴裝置原料氣組成

表3 脫烴裝置產品氣組成

產品氣流量： 394.3×104m3/d

溫度：35.5 ℃

表壓：5.56 MPa

烴露點：-15.5 ℃(在5.56 MPa下)

3.2.2主要控制參數(shù)

脫烴單元主要包括原料天然氣預冷卻及丙烷致冷、氣液烴分離兩部分?？刂频闹饕獏?shù)是壓縮機撬的過程參數(shù)，通過控制蒸發(fā)器內丙烷壓力，利用丙烷在不同飽和蒸汽壓下的溫度來實現(xiàn)溫度控制，達到脫烴的目的。同時需要嚴格控制干氣聚結器和濕凈化氣中分離出來的液烴液位，防止竄壓情況發(fā)生。

表4 脫烴裝置主要控制參數(shù)

4 裝置運行性能評價

阿姆河第一天然氣處理廠脫烴裝置自2009年12月投產運行以來，從未出現(xiàn)過一例產品氣烴含量超標的情況，總體運行安全、平穩(wěn)、可靠。該單元丙烷撬塊采用螺桿式壓縮機，該撬塊相對于膨脹透平等制冷設備維護保養(yǎng)較簡單，故障率低，有利于沙漠等惡劣環(huán)境長時間平穩(wěn)運行。同時該壓縮機組控制點少，自動化程度高，啟停、日常操作簡單，非常有利于裝置在異常情況下快速復產。

該裝置的低溫產品氣與脫硫脫碳裝置來的濕凈化天然氣進行換熱，不僅充分回收利用了裝置冷量，而且由于降低了濕凈化氣溫度，經分離后可除去氣體中所含的大量飽和水，從而使脫水單元的脫水負荷減少40%左右，可節(jié)約脫水裝置建設投資和減少操作費用。該裝置預冷采用先進高效的繞管式換熱器換熱，大大提高了本裝置的冷量回收，減少了丙烷壓縮致冷系統(tǒng)的負荷。

同時，氣液烴分離采用了低溫分離器與聚結器兩級分離，且低溫分離器中使用了高效分離內構件，可使液烴與干氣充分分離，確保天然氣烴露點合格。

2009年裝置建成投產后單列裝置450×104m3/d運行測試各項指標能夠滿足設計要求。2012年8月在現(xiàn)場環(huán)境溫度達到50 ℃的情況下分別對單列裝置和全廠全裝置高負荷測試。測試期間單套裝置原料氣最高處理量達到500×104m3/d，出口天然氣溫度均能控制在(-18±1) ℃范圍內。各項工藝參數(shù)以及丙烷壓縮機撬各性能均能達到設計要求。

表5 處理量及制冷效果

表6 處理量及產品氣烴露點(在表壓5.56 MPa下)

5 存在問題及建議

雖然該裝置4年來運行平穩(wěn)、可靠，但經過幾年的生產實際，現(xiàn)場總結還存在以下問題：

(1) 丙烷壓縮機組運行所需丙烷純度高(R290)，資源國及周邊國家該產品純度達不到要求，只能從哈薩克斯坦或者中國等其他國家遠距離采購，增加了運輸安全風險。建議采購丙烷時選擇優(yōu)質可靠的丙烷供應商，確保運輸安全。

(2) 當機組需要檢修時，設計考慮的是可以利用丙烷機組與丙烷儲罐間的壓力差來回收壓縮機組內的丙烷。但在運行中發(fā)現(xiàn)，由于丙烷蒸汽壓和溫度相對應，冬季機組壓力比丙烷罐壓力高，可以實現(xiàn)回收丙烷，但在夏季環(huán)境溫度高達50 ℃時，丙烷儲罐的壓力可達到1.6 MPa，遠比壓縮機組1.1 MPa壓力高。為此，夏天機組檢修時無法實現(xiàn)利用壓力差將機組內的丙烷壓回至儲罐，此時機組需要檢修就只能損失機組內約3.5 t丙烷，將其泄放至放空系統(tǒng)。

建議丙烷儲罐日常儲備一定數(shù)量的丙烷，根據(jù)需要隨時通過丙烷泵向壓縮機組補充丙烷，同時做好丙烷罐的遮陽設施。目前阿姆河第一天然氣處理廠日常儲存有約50 m3丙烷備用。且正在丙烷儲罐上方建設遮陽棚，防止夏季陽光直射丙烷儲罐。

6 結 語

阿姆河第一天然氣處理廠丙烷制冷工藝自2009年裝置投產運行以來運行非常平穩(wěn)、可靠，適合脫除天然氣中烴組分以滿足長輸管道要求。4年來均未進行過停產檢維修。具有操作簡單、維護方便、制冷速度快、復產迅速、運行成本低等優(yōu)點。在高負荷運行條件下，機組運行各項運行參數(shù)仍有一定富裕，表明丙烷制冷工藝在含硫天然氣脫烴領域具有可靠的適應性，可為同類型天然氣脫烴的設計、生產、運行等提供借鑒經驗。

參考文獻

[1] 王劍， 喻澤漢， 羅斌，等.阿姆河第一天然氣處理廠投產運行評價[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(增刊1):18-21.

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[4] 諸林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995.

[5] 朱利凱.天然氣處理及加工[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997.

[6] 李明,魏志強,張磊,等.一種特殊氣質分子篩脫水方案設計[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(2):141-145.