油田伴生氣凝液回收工藝改進(jìn)研究①

喬在朋 蔣洪 牛瑞 陳倩

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

油田伴生氣凝液回收工藝改進(jìn)研究①

喬在朋 蔣洪 牛瑞 陳倩

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

摘要油田伴生氣氣質(zhì)富、壓力低，普遍采用直接換熱工藝回收丙烷及丙烷以上重?zé)N，存在系統(tǒng)冷量利用不合理、氣質(zhì)適應(yīng)性差、系統(tǒng)能耗高等問(wèn)題。以某油田油氣處理廠裝置為例，以提高裝置整體經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，提出了工藝改進(jìn)方案。改進(jìn)工藝采用兩級(jí)分離方式，脫乙烷塔塔頂增設(shè)回流罐，降低重接觸塔塔頂進(jìn)料中丙烷含量，增強(qiáng)重接觸塔的吸收作用，提高丙烷收率；應(yīng)用夾點(diǎn)理論設(shè)計(jì)冷箱的換熱網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的冷熱集成度和冷量利用率，冷箱改進(jìn)后，脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷降低189 kW，降幅12.9%，丙烷制冷壓縮機(jī)負(fù)荷減小142.8 kW，冷量利用更加合理。工藝改進(jìn)后裝置丙烷收率和液化石油氣產(chǎn)量得到了大幅提高，裝置總體能耗變化不大，改進(jìn)工藝每年可提高裝置經(jīng)濟(jì)收益1 797萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，建議在類(lèi)似工況條件下推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞油田伴生氣工藝改進(jìn)冷量利用換熱網(wǎng)絡(luò)丙烷回收

油田伴生氣具有壓力偏低、丙烷及以上重?zé)N組分偏高的特點(diǎn)，回收利用價(jià)值高，其凝液回收工藝以直接換熱工藝(Direct Heat Exchange，DHX)為主，DHX工藝是加拿大埃索資源公司(Esso Resources Canada Ltd.)于1984年首先提出并在Judy Creek裝置上得以實(shí)踐的處理工藝[1]。目前，該工藝在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2-4]，但存在系統(tǒng)冷量利用不合理、氣質(zhì)適應(yīng)性差、系統(tǒng)能耗高等問(wèn)題。亟需開(kāi)發(fā)一種適用于油田伴生氣凝液回收的高效流程，改善系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)，降低系統(tǒng)能耗，提高裝置丙烷回收率[5-6]，實(shí)現(xiàn)油田伴生氣凝液回收裝置的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1典型油田伴生氣DHX工藝流程

國(guó)內(nèi)某代表性油田油氣處理裝置DHX工藝流程如圖1所示，其工藝的凝液回收路線為：原料氣→壓縮脫水→低溫分離→膨脹機(jī)制冷→重接觸塔→分餾→產(chǎn)品。DHX工藝的關(guān)鍵是脫乙烷塔塔頂氣相預(yù)冷節(jié)流后進(jìn)入重接觸塔充當(dāng)吸收劑和制冷劑，甲烷和乙烷混合物在塔內(nèi)逐級(jí)絕熱閃蒸氣化制冷，同時(shí)丙烷及以上組分逐級(jí)被冷凝吸收[7]。

2凝液回收工藝存在問(wèn)題分析

現(xiàn)以該油田油氣處理裝置為例，分析常規(guī)DHX工藝存在的問(wèn)題。原料氣處理量100×104m3/d，進(jìn)氣壓力(絕壓)0.25 MPa，進(jìn)料溫度30 ℃，增壓?jiǎn)卧鰤褐?.6 MPa，重接觸塔、脫乙烷塔、脫丁烷塔操作壓力分別為1.4 MPa、2.0 MPa、1.45 MPa，原料氣組成如表1所示。

表1 原料氣組成(干基)Table1 Feedgascomposition(drybasis)組分C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5摩爾分?jǐn)?shù)/%67.7679.2728.7033.1544.9071.6351.394組分C6C7C8C9C10N2CO2摩爾分?jǐn)?shù)/%0.9080.4470.1370.0180.0010.1481.509

2.1系統(tǒng)冷量利用不合理

油田伴生氣氣質(zhì)中重?zé)N組分偏高，冷凝分離需要更多冷量。常規(guī)處理工藝中，重接觸塔塔底液相溫度(-68.5 ℃)很低，直接進(jìn)入脫乙烷塔頂部，導(dǎo)致脫乙烷塔塔頂出口氣相溫度偏高(-8 ℃)，不僅浪費(fèi)掉低溫位的冷量，還增加了脫乙烷塔塔底重沸器的負(fù)荷；脫乙烷塔塔頂冷箱Ⅱ的最小夾點(diǎn)溫度11.28 ℃，重接觸塔塔頂氣相冷量未有效回收。由此可見(jiàn)，常規(guī)工藝流程系統(tǒng)冷量利用不合理，耗費(fèi)大量的冷、熱公用工程。

2.2丙烷收率有待進(jìn)一步提高

根據(jù)氣液兩相平衡理論，對(duì)重接觸塔塔板上氣液兩相中丙烷含量進(jìn)行分析研究，經(jīng)模擬得到每塊塔板上氣液兩相中丙烷質(zhì)量流量如圖2所示。由圖2看出，液相中丙烷質(zhì)量流量隨塔板序列增大而不斷升高，反映了丙烷逐級(jí)被冷凝吸收的過(guò)程，丙烷在重接觸塔塔頂氣相中損失了500 kg/h，并從第二塊塔板開(kāi)始流量逐漸增大，說(shuō)明重接觸塔的重吸收作用沒(méi)達(dá)到應(yīng)有的效果，丙烷收率限制在90%左右，要提高裝置丙烷收率且避免能耗的大幅增加，必須增強(qiáng)重接觸塔的重吸收作用[8]。

3油田伴生氣凝液回收工藝改進(jìn)研究

以提高裝置整體經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行工藝流程改進(jìn)，增強(qiáng)重接觸塔的重吸收作用，提高丙烷收率，應(yīng)用能量集成技術(shù)對(duì)系統(tǒng)冷箱換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)自身能量利用率，降低系統(tǒng)能耗。具體內(nèi)容如下：

(1) 針對(duì)氣質(zhì)較富的油田伴生氣采用逐級(jí)冷凝、逐級(jí)分離的兩級(jí)分離方式進(jìn)行冷凝分離，降低丙烷制冷的冷量消耗、提高冷凝深度，以最少的冷量消耗冷凝出最多的重?zé)N。

(2) 在脫乙烷塔塔頂增設(shè)丙烷制冷+塔頂回流罐，降低脫乙烷塔塔頂氣溫度后，分離出氣液兩相并分別進(jìn)入重接觸塔和脫乙烷塔。

(3) 對(duì)系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冷熱集成，所有的換熱過(guò)程均在一個(gè)冷箱中完成，提高系統(tǒng)自身能量的利用率，降低系統(tǒng)能耗。

改進(jìn)后工藝流程如圖3所示，改進(jìn)流程主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。原料氣經(jīng)增壓?jiǎn)卧鰤汉?3.6 MPa)，進(jìn)行分子篩深度脫水，制冷單元以膨脹機(jī)制冷為主、丙烷制冷為輔的制冷方式，應(yīng)用兩級(jí)分離最大限度地將重組分冷凝分離，重接觸塔塔底液相經(jīng)冷箱換熱后進(jìn)入脫乙烷塔塔底，脫乙烷塔塔頂氣相過(guò)冷后進(jìn)入回流罐分離氣液兩相，引出液相作為脫乙烷塔塔頂回流，全部氣相進(jìn)入重接觸塔，作為重接觸塔的吸收劑。

表2 油田伴生氣改進(jìn)工藝主要參數(shù)Table2 Mainprocessparametersoftheimprovedscheme設(shè)備項(xiàng)目原流程改進(jìn)流程原料氣處理量/(104m3·d-1)壓力/kPa溫度/℃10025030一級(jí)低溫分離器壓力/kPa溫度/℃--34003.1二級(jí)低溫分離器溫度/℃-30-33.0膨脹機(jī)出口溫度/℃-64.2-64.9重接觸塔壓力/kPa塔頂進(jìn)料溫度/℃1400-58.11400-76.0脫乙烷塔操作壓力/kPa20002000第一股進(jìn)料溫度/℃-67.7-36.6第二股進(jìn)料溫度/℃23.01.0第三股進(jìn)料溫度/℃-32.8塔底出料溫度/℃84.183.5脫丁烷塔操作壓力/kPa塔底出料溫度/℃1450141.61450141.6

3.1兩級(jí)分離降低丙烷預(yù)冷量

采用兩級(jí)冷凝分離的主要任務(wù)是以最少的冷量消耗冷凝出最多的凝液，分離器位置不同會(huì)影響分離效果。因此，對(duì)分離器位置進(jìn)行了比選，同時(shí)評(píng)價(jià)分離效果。二級(jí)分離器位置一般在膨脹機(jī)前，一級(jí)分離器位置可以選擇在丙烷制冷前和丙烷制冷后兩個(gè)位置，低溫分離器在不同位置時(shí)工藝模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 低溫分離器在不同位置的模擬結(jié)果Table3 Simulationresultsofcryogenicsegregatorindifferentlocations項(xiàng)目單級(jí)分離兩級(jí)分離膨脹機(jī)前丙烷制冷前丙烷制冷后一級(jí)低溫分離器冷凝液量/(kmol·h-1)540.7295.8521.9二級(jí)低溫分離器冷凝液量/(kmol·h-1)無(wú)168.012.6總冷凝液量/(kmol·h-1)540.7463.8534.5丙烷制冷量/kW1722.41637.91732.9脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷/kW133312681333脫丁烷塔塔底重沸器負(fù)荷/kW191319141921丙烷回收率/%97.7197.8697.92

由表3模擬結(jié)果看出，兩級(jí)分離時(shí)，丙烷制冷后分離方案冷凝的液量明顯比丙烷制冷前分離方案冷凝的液量多。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，前者將更多的輕組分(甲烷和乙烷)冷凝下來(lái)，進(jìn)入脫乙烷塔，增加了脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷，增加量為65 kW。同時(shí)，在丙烷制冷前先分離出295.8 kmol/h的液量，可有效降低丙烷制冷負(fù)荷，降低了95 kW。同理，兩級(jí)分離丙烷制冷前分離方案相比單級(jí)分離方案，丙烷制冷量減少了84.5 kW，重沸器負(fù)荷降低了75 kW。兩級(jí)分離效果明顯優(yōu)于單級(jí)分離。因此，改進(jìn)工藝采用兩級(jí)分離方式，分離位置選擇在丙烷制冷前。

3.2增設(shè)塔頂回流罐提高丙烷回收率

通過(guò)對(duì)國(guó)外DHX工藝的調(diào)研，高效流程在脫乙烷塔塔頂增設(shè)回流罐，加強(qiáng)重接觸塔的重吸收作用，提高丙烷回收率。目前，國(guó)內(nèi)凝液回收處理裝置大多不設(shè)回流罐，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)段塞流，影響裝置運(yùn)行，例如，吐哈油田溫米裝置在技改時(shí)增設(shè)了塔頂回流罐，確保重接觸塔塔頂進(jìn)料的連續(xù)穩(wěn)定[9]。

保持其他操作條件不變，通過(guò)改變塔頂回流比研究其對(duì)裝置丙烷收率、脫乙烷塔操作參數(shù)及丙烷制冷量的影響，其中回流量為零表示無(wú)回流罐，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 塔頂回流罐回流比變化對(duì)丙烷收率的影響Table4 Effectofrefluxratioonpropanerecovery項(xiàng)目脫乙烷塔塔頂氣丙烷制冷量/kW回流比氣量/(kmol·h-1)溫度/℃一級(jí)二級(jí)丙烷回收率/%全回流414.4-14.11103.0546.599.09421.9-12.41061.0588.198.84432.7-11.01014.0632.498.32.3445.4-9.6959.4682.497.71.5460.0-8.1899.0738.597.01476.7-6.6832.6800.696.30323.8-10.51232.0377.995.5

由表4可以看出，全回流時(shí)丙烷收率最高，隨回流比減小，丙烷收率不斷降低，丙烷制冷總量保持不變。很顯然，回流比減小，脫乙烷塔塔頂氣溫度升高，氣量不斷增大，需要的冷量增多，導(dǎo)致冷量后移。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨回流比減小，脫乙烷塔塔頂出料氣質(zhì)逐漸變富，將全回流與回流比為1.5進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，重接觸塔塔頂進(jìn)料丙烷的摩爾分?jǐn)?shù)由1.9%變?yōu)?.6%，不利于重接觸塔的重吸收作用。綜合考慮以上因素，在改進(jìn)工藝流程中增設(shè)塔頂回流罐，選擇全回流方式。

通過(guò)上文分析可知，重接觸塔塔頂進(jìn)料中丙烷的含量影響重接觸塔的制冷吸收作用。保持重接觸塔塔頂和塔底進(jìn)料溫度恒定的情況下，控制脫乙烷塔塔頂回流罐的溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨脫乙烷塔塔頂回流罐溫度的升高，重接觸塔塔頂進(jìn)料中丙烷含量不斷升高，丙烷回收率不斷下降，而塔頂進(jìn)料中乙烷摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度變化不大(僅從42.24%降到38.42%)。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，重接觸塔塔頂進(jìn)料氣質(zhì)越貧，裝置丙烷收率越高。為保證重接觸塔的高效運(yùn)行，必須控制脫乙烷塔塔頂回流罐的溫度，在脫乙烷塔塔頂增設(shè)丙烷制冷后，回流罐溫度控制在-30 ℃以下，此時(shí)，丙烷摩爾分?jǐn)?shù)小于3.4%時(shí)，丙烷回收率達(dá)98.3%以上。由此可見(jiàn)，增設(shè)塔頂回流罐不僅提高了丙烷收率，還增強(qiáng)了工藝對(duì)原料氣氣質(zhì)的適應(yīng)性。

3.3改進(jìn)換熱網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)冷熱集成度

對(duì)圖1中冷箱Ⅰ和冷箱Ⅱ進(jìn)行系統(tǒng)冷熱集成，將冷箱Ⅱ中重接觸塔塔頂氣、塔底液及脫乙烷塔塔頂氣的換熱過(guò)程集成到冷箱Ⅰ中換熱(見(jiàn)圖3)，主要對(duì)重接觸塔塔頂氣和塔底液中冷量進(jìn)行回收，將回收的冷量用于對(duì)原料氣的預(yù)冷。應(yīng)用夾點(diǎn)理論對(duì)冷箱換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，在最小夾點(diǎn)溫度下構(gòu)造一個(gè)具有最大回收量的換熱網(wǎng)絡(luò)[10-12]。冷箱內(nèi)物流換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5。冷箱換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)前后效果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 冷箱換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)前后效果對(duì)比Table5 Effectcontrastofcoldboxheatexchangernetworkbeforeandafterimprovement設(shè)備項(xiàng)目改進(jìn)前改進(jìn)后丙烷制冷制冷負(fù)荷/kW1848.51649.5一級(jí)低溫分離器進(jìn)料溫度/℃10.83.1二級(jí)低溫分離器進(jìn)料溫度/℃-35.4-33.0膨脹機(jī)出口溫度/℃-68.0-64.9重接觸塔塔頂進(jìn)料溫度/℃-66.8-76.0脫乙烷塔第一股進(jìn)料溫度/℃-70.3-36.6第二股進(jìn)料溫度/℃-29.91.0第三股進(jìn)料溫度/℃19.932.8塔底重沸器負(fù)荷/kW14661277丙烷回收率/%97.6798.58

由表5可知，通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)，重接觸塔塔底液相進(jìn)入脫乙烷塔的溫度由-70.3 ℃提高至約1.0 ℃，脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷從1 466 kW下降至1 277 kW，降幅高達(dá)12.9%，大大降低了導(dǎo)熱油循環(huán)量；裝置丙烷制冷負(fù)荷降低199 kW，降幅10.9%，相當(dāng)于制冷循環(huán)壓縮機(jī)負(fù)荷減小142.8 kW。由此提高了系統(tǒng)的冷熱集成度和冷量利用率，冷量利用更加合理。

3.4可行性及經(jīng)濟(jì)性分析

以該油田油氣處理裝置為例，應(yīng)用開(kāi)發(fā)的工藝流程對(duì)現(xiàn)有DHX工藝進(jìn)行改進(jìn)模擬，需要增加的設(shè)備主要有低溫分離器一個(gè)、塔頂回流罐一個(gè)、塔頂回流泵一臺(tái)、丙烷蒸發(fā)器一個(gè)。所需設(shè)備簡(jiǎn)單，占用空間不多，工程實(shí)施的技術(shù)難度不大，可行性較強(qiáng)。

對(duì)改進(jìn)前后裝置的能耗和產(chǎn)品量進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。工藝改進(jìn)后，裝置丙烷收率和液化石油氣產(chǎn)量得到大幅提高，裝置丙烷制冷壓縮機(jī)負(fù)荷和脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷均有所增大，但總體能耗變化不大，這是由于經(jīng)過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)，提高了系統(tǒng)冷量利用率，有效地回收了因提高丙烷收率而增加的能耗。通過(guò)計(jì)算，工藝改進(jìn)后每年可提高裝置經(jīng)濟(jì)收益1 797萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，建議在類(lèi)似工況條件下推廣應(yīng)用。

表6 工藝改進(jìn)前后裝置經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table6 Economicbenefitcomparisonofbeforeandafterschemeimprovement項(xiàng)目原工藝改進(jìn)后原料氣壓縮機(jī)負(fù)荷/kW48144814丙烷制冷壓縮機(jī)負(fù)荷/kW1068.31086.5脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷/kW13431277脫丁烷塔塔底重沸器負(fù)荷/kW18911925產(chǎn)品 商品天然氣/(104m3·d-1)77.6477.07 液化石油氣/(t·d-1)325.2336.0 穩(wěn)定輕烴/(t·d-1)173.28173.76丙烷回收率/%91.6098.38裝置收益/(萬(wàn)元·年-1)149236151033提高裝置收益/(萬(wàn)元·年-1)1797 注:1.裝置的年運(yùn)行時(shí)間為8000h。2.重沸器加熱爐效率為85%。3.在管線傳熱過(guò)程中損失了10%的熱量。4.工業(yè)電價(jià)按0.659元/(kW·h)計(jì)。5.油田伴生氣能耗折算按38.93MJ/m3計(jì)。

4結(jié) 論

(1) 常規(guī)DHX工藝中重接觸塔塔頂氣相和塔底液相冷量未有效回收，熱集成度不高；同時(shí)，重接觸塔的重吸收作用沒(méi)達(dá)到應(yīng)有的效果，外輸氣中攜帶了部分丙烷，導(dǎo)致丙烷收率被限制在90%左右，丙烷回收率有待進(jìn)一步提高。

(2) 以提高裝置整體經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，對(duì)油田伴生氣凝液回收工藝進(jìn)行工藝流程改進(jìn)，采用兩級(jí)分離降低丙烷制冷量，在脫乙烷塔塔頂增設(shè)回流罐，增強(qiáng)重接觸塔的重吸收作用，提高丙烷收率。應(yīng)用夾點(diǎn)理論改進(jìn)了冷箱的換熱網(wǎng)絡(luò)，降低了丙烷制冷量和脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的冷熱集成度和流程的適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)能耗。

(3) 以某油田油氣處理裝置為例進(jìn)行模擬計(jì)算，工藝改進(jìn)后裝置丙烷收率提高了6.78%，液化石油氣產(chǎn)量每天增加10.8 t，且裝置總體能耗變化不大，每年可提高裝置經(jīng)濟(jì)收益1 797萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，建議在類(lèi)似工況條件下推廣應(yīng)用。

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Study on condensate recovery scheme improvement of oilfield associated gas

Qiao Zaipeng, Jiang Hong, Niu Rui, Chen Qian

(CollegeofOilandNaturalGasEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Abstract:To treat oilfield associated gas with rich quantities and low pressure, direct heat exchange technology is used to recover propane and products. Problems of unreasonable utilization of system cold energy, poor adaptability of gas composition and high system energy consumption are generally existed. Taking an oil and gas processing unit as example, the improvement scheme is put forward to improve the overall economic benefits of the unit. Two-stage separation process is used. The propane recovery rate is increasing by adding reflux tank on the top of deethanizer, reducing the propane content in top feed of DHX tower, enhancing absorption effect of DHX tower; and the heat exchanger network of cold box is designed with the pinch point theory to improve the cold and heat integration of system and the utilization rate of cooling energy. After improving of cold box, the reboiler load of deethanizer reduces 189 kW, decreasing of 12.9%，the compressor load of propane refrigeration reduces 142.8 kW, and the utilization of cold energy is more reasonable. By improving scheme, the rate of propane recovery and the production of liquefied petroleum gas have increased greatly, the overall energy consumption of unit have changed little, and a considerable economic benefit would be achieved. Suggestions are recommended for application in similar working condition.

Key words:oilfield associated gas, scheme improvement, cold energy utilization, heat exchanger network, propane recovery

收稿日期：2015-03-13；編輯：康莉

中圖分類(lèi)號(hào)：TE868

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.009

作者簡(jiǎn)介:①喬在朋(1988-),男,山東濟(jì)南人,碩士研究生,主要從事油氣集輸與處理研究工作。E-mail:qiao88go@163.com