某氣田DHX工藝換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)研究

李燕玲 ，蔣 洪*，高萬榮

（1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

目前我國凝液回收工藝以丙烷回收為主[1-4]，以春曉終端、高欄終端自主建設(shè)了DHX的天然氣凝液回收裝置為我國丙烷回收較高水平，在引進(jìn)DHX工藝流程時做了一些改進(jìn)，把所有換熱物流集中在一個冷箱中[5-6]，冷箱中換熱網(wǎng)絡(luò)是能量回收利用中的一個重要子系統(tǒng)，既保障著工藝系統(tǒng)的正常運行，也承擔(dān)著節(jié)能降耗的重要責(zé)任，但換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，大多數(shù)丙烷回收裝置存在系統(tǒng)冷量利用不合理的問題，而國內(nèi)對丙烷回收換熱網(wǎng)絡(luò)研究較少，本文將對某廠換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析并提出改進(jìn)，為以后丙烷回收換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供參考。

1 DHX工藝流程

1.1 總工藝流程簡述

國內(nèi)某代表性氣田凝液回收工藝流程[6]如圖1所示，原料氣經(jīng)冷箱預(yù)冷后進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行氣液分離，氣相通過膨脹機后作為DHX塔底氣相進(jìn)料，液相節(jié)流降壓進(jìn)入冷箱與原料氣換熱后進(jìn)入脫乙烷塔。脫乙烷塔頂氣相出料在冷箱中冷卻后進(jìn)入回流罐，回流罐中的液相回流至脫乙烷塔頂，氣相在冷箱中冷卻后作為DHX塔頂進(jìn)料。DHX塔頂氣相出料通過冷箱換熱后增壓外輸，DHX塔底液烴經(jīng)冷箱換熱后進(jìn)入脫乙烷塔。

圖1 國內(nèi)典型“膨脹機+DHX”工藝流程圖

1.2 換熱網(wǎng)絡(luò)模型簡述

圖2 冷箱中換熱網(wǎng)絡(luò)方案

冷箱由換熱單元A、B、C、D組成，換熱方案如圖2。換熱單元A中原料氣分成兩股，總流量的0.82與自換熱單元C出來的DHX塔頂氣相換熱，總流量的0.18與低溫分離器底部液烴換熱、自換熱單元D出來的DHX塔底液烴順序換熱。換熱單元B中DHX塔頂氣相與脫乙烷塔頂回流罐中氣相換熱。換熱單元C中自換熱單元A換熱后的原料氣與自換熱單元B換熱后的DHX塔頂氣相換熱。換熱單元D中DHX塔底液烴與脫乙烷塔頂氣相換熱。

2 換熱網(wǎng)絡(luò)存在問題分析

2.1 流程模擬

2.1.1 氣質(zhì)條件

采用某氣田氣質(zhì)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，原料氣的壓力為5.9MPa，溫度為 31℃，處理量為 1500×104m3/d,其組成如表l所示。產(chǎn)品氣外輸壓力為6.1MPa，溫度為50℃。原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成（干基）

2.1.2 模擬關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置原則

(1)DHX塔壓力=膨脹機出口壓力-30kPa，保證膨脹機出口后的物流進(jìn)入DHX塔；

(2)脫乙烷塔壓力=DHX塔壓力+150kPa，保證脫乙烷塔頂氣相出料冷卻后進(jìn)入DHX塔；

(3)HYSYS選用的方程為Peng·Robinson方程，多股流冷箱中換熱器選擇板翅式換熱器，因此換熱器控制參數(shù)為夾點為4℃，為了保證液化石油氣產(chǎn)品乙烷含量合格，脫乙烷塔底控制參數(shù)為塔底液相出料乙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.02。

2.1.3 模擬結(jié)果

膨脹機出口壓力設(shè)為3450kPa，HYSYS模擬結(jié)果見表2，冷箱內(nèi)總共六股換熱物流，三股熱流，三股冷流，脫乙烷塔底重沸器為唯一熱公用工程、外輸氣空冷器為唯一冷公用工程。

2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)問題分析

圖3 DHX塔底液烴進(jìn)脫乙烷塔溫度對重沸器能耗影響

DHX塔底液烴在換熱單元A回收原料氣熱量后進(jìn)脫乙烷塔，可以降低脫乙烷塔底重沸器負(fù)荷，圖3是重沸器能耗隨DHX塔底液烴溫度的變化曲線，由圖3可知DHX塔底液烴進(jìn)塔溫度升高到-5℃之后，隨著DHX塔底液烴溫度繼續(xù)升高，脫乙烷塔重沸器能耗降低。該廠DHX塔底液烴進(jìn)脫乙烷塔溫度為-9.28℃，溫度較低，冷量過剩，導(dǎo)致重沸器能耗較高。

3 換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)研究

3.1 換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)方案

為了降低熱公用工程能耗并根據(jù)物流溫位匹配原則[7]對換熱單元A換熱網(wǎng)絡(luò)做出改進(jìn)。換熱單元A拆分成了A、E、F三個換熱單元，改進(jìn)方案中換熱單元A原料氣先分成兩股，總流量的0.75與自換熱單元F出來的DHX塔頂氣相換熱，剩下的與低溫分離器底部液烴在換熱單元E換熱，而后混合在一起進(jìn)入換熱單元F，在換熱單元F中原料氣再分成兩股換熱，總流量的0.7與自換熱單元C出來的脫乙烷塔頂氣相換熱，總流量的0.3與自換熱單元D出來的DHX塔底液烴換熱。換熱單元B、C、D與原方案相同。換熱方案如圖4，HYSYS模擬結(jié)果見表3。

圖4 換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)方案

表3 多股流冷箱內(nèi)改進(jìn)換熱網(wǎng)絡(luò)物流信息

3.2 換熱方案合理性分析

分析方法是基于熱力學(xué)第二定律的分析方法，其以損耗功基本方程式和 平衡式為依據(jù)，從能量的品位和 利用程度來評價過程和裝置在能量利用上的完善性[8-9]。

分析的評價準(zhǔn)則：選擇 效率作為換熱網(wǎng)絡(luò)合理性評價的準(zhǔn)則[10]，對 能設(shè)備做出宏觀的評價。

效率ηex為系統(tǒng)的有效 Exef和輸入 Exin的比值，如式 （1）； 損系數(shù)λ是系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備或過程的損Ex1i與系統(tǒng)輸入 Exin之比[11-12]，如式（2）。

冷箱中的每個換熱單元是一個板翅式換熱器，利用黑箱模型[13]，計算每個換熱單元中 損失[14]，利用灰箱模型計算冷箱中總的 損失。冷箱中兩種換熱方案 損系數(shù)與 效率見表4，改進(jìn)方案中各換熱單元和冷箱的 效率都在95%以上，因此該換熱網(wǎng)絡(luò)方案合理。

表4 改進(jìn)換熱網(wǎng)絡(luò) 分析結(jié)果

4 換熱方案對比

4.1 同一丙烷回收率下不同換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱公用工程能耗對比

膨脹機出口壓力變化范圍在3250～4050kPa，以100kPa為步長，利用HYSYS分別模擬兩種換熱方案，得到不同回收率下冷熱公用工程能耗，見圖5。

圖5(a)是兩種換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程能耗與丙烷回收率關(guān)系曲線，由圖5(a)可知在同一丙烷回收率下，改進(jìn)方案脫乙烷塔底熱公用工程能耗比原方案少，且隨著丙烷回收率升高，改進(jìn)方案節(jié)省的熱公用工程能耗增多。這是因為改進(jìn)方案的換熱方式使DHX塔底液烴進(jìn)脫乙烷塔溫度比舊方案高，因此脫乙烷塔底重沸器負(fù)荷比舊方案低。

圖5 兩種方案熱公用工程能耗和冷公用工程能耗與丙烷回收率關(guān)系曲線

圖5(b)是兩種換熱網(wǎng)絡(luò)冷公用工程能耗與丙烷回收率的關(guān)系曲線，由圖5(b)可知在同一丙烷回收率下改進(jìn)方案冷公用工程能耗與原方案相差不大，當(dāng)丙烷回收率達(dá)到95%以上時，兩種方案冷公用工程能耗相等。因為DHX塔頂氣相出冷箱后空冷外輸，DHX塔頂氣相出冷箱時溫度越低，冷公用工程能耗越低，改進(jìn)換熱方案原料氣與DHX塔頂氣相換熱次數(shù)比原方案多，因此改進(jìn)換熱方案DHX塔頂氣相回收原料氣熱量多，換熱后溫度較高，從而冷公用工程能耗比原方案稍高。

4.2 不同換熱網(wǎng)絡(luò)對原料氣溫度適應(yīng)性對比

實際生產(chǎn)中原料氣的溫度是隨著季節(jié)變化的，有些氣田夏季與冬季的溫度可能會相差10℃以上，因此，對比兩種換熱方案對原料氣溫度的適應(yīng)性是很有必要的。

膨脹機出口壓力為3450kPa，進(jìn)料溫度變化范圍在5～75℃之間，以5℃為步長，利用HYSYS分別模擬兩種方案，模擬結(jié)果見圖6。

圖6 兩種方案丙烷回收率隨原料氣進(jìn)料溫度變化曲線

圖6是兩種方案的丙烷回收率隨原料氣進(jìn)料溫度變化曲線，由圖6可知隨原料氣溫度升高，兩種方案丙烷回收率先無明顯變化，而后回收率迅速降低，只是兩種方案丙烷回收率迅速下降的位置不同，改進(jìn)方案為35℃，原方案為60℃，一般原料氣進(jìn)料溫度不大于50℃，因此原方案對原料氣進(jìn)料溫度適應(yīng)性更好。兩種方案丙烷回收率拐點出現(xiàn)位置不同是因為隨原料氣進(jìn)料溫度升高，改進(jìn)方案的DHX塔底液烴溫度升高更快，在進(jìn)料溫度升高到35℃時，DHX塔底液烴進(jìn)脫乙烷塔溫度已經(jīng)升高到0℃以上，而原方案則是在進(jìn)料溫度升高到60℃時，DHX塔底液烴進(jìn)塔溫度才達(dá)到0℃。圖7是通過HYSYS模擬得到DHX塔底液烴進(jìn)料塔盤中氣相的丙烷含量隨DHX塔底液烴進(jìn)塔溫度的變化曲線，由圖7可知當(dāng)DHX塔底液烴進(jìn)塔溫度升高到0℃以上時，引起進(jìn)料塔盤溫度過高，液相中丙烷被氣化，氣相中丙烷含量驟增，丙烷回收率急劇降低。

圖7 DHX塔底液烴進(jìn)料塔盤氣相中丙烷含量隨DHX塔底液烴進(jìn)塔溫度關(guān)系曲線

5 結(jié)論

(1)國內(nèi)某典型的DHX凝液回收工藝換熱網(wǎng)絡(luò)存在冷量利用不合理造成熱公用工程能耗較高。

(2)以降低熱公用工程能耗為目的，對現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后熱公用工程能耗明顯降低，且隨丙烷回收率升高，熱公用工程能耗節(jié)省越多。

(3)當(dāng)丙烷回收率達(dá)到97%以上時，同一回收率下改進(jìn)方案與原方案冷公用工程能耗相等，但改進(jìn)方案可節(jié)省1000kW左右的熱公用工程能耗。

(4)在原料氣進(jìn)料溫度大于35℃時，改進(jìn)方案對原料氣溫度變化的適應(yīng)性弱于原方案。

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