輕烴回收裝置低負荷現(xiàn)狀及對策

趙相頗 段賢勇 姜武 廖小莉 黎志

1.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦輕烴廠 2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠 3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦安岳油氣處理廠

輕烴回收裝置是以滿足商品天然氣水露點、烴露點輸送要求，同時回收液化氣和穩(wěn)定輕烴，從而獲得較高的經(jīng)濟效益。根據(jù)凈煉化裝置設計生產(chǎn)的邊界條件，當裝置原料氣處理量低于設計的50%時，屬于低負荷運行。低負荷運行裝置會出現(xiàn)操作難度大、單位能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量難以有效保證等問題。如何拓寬輕烴回收裝置低負荷運行適應范圍，確保裝置安全穩(wěn)定運行，產(chǎn)品質(zhì)量達標，并有效提高裝置效益是目前輕烴裝置生產(chǎn)的重要課題[1]。

1 裝置現(xiàn)狀

中國石油西南油氣田公司(以下簡稱西南油氣田公司)下轄3個輕烴廠，分別為川西北氣礦江油輕烴廠[2]、蜀南氣礦安岳油氣處理廠和川中油氣礦輕烴廠。3個輕烴廠共8套輕烴回收裝置， 3套裝置滿負荷運行，2套裝置停運，3套裝置低負荷運行;6套裝置為膨脹制冷，2套裝置為外制冷(見表1)。

從近8年的生產(chǎn)情況來看，安岳輕烴回收裝置由初期的105×104m3/d下降至目前的36×104m3/d；合川輕烴回收裝置由初期的99×104m3/d下降至目前的39×104m3/d；廣安輕烴回收裝置由初期的55×104m3/d下降至目前的16×104m3/d(見表2)。

表1 輕烴回收裝置基本情況Table 1 Basic situation of the light hydrocarbon recovery units裝置名稱設計天然氣處理量/(104 m3·d-1)目前天然氣處理量/(104 m3·d-1)制冷工藝投產(chǎn)日期C3收率/%設計值實際值目前運行狀態(tài)江油輕烴回收裝置4545膨脹制冷1984.076563滿負荷三臺輕烴回收裝置3030膨脹制冷2002.0880滿負荷遂寧輕烴回收裝置107膨脹制冷1994.0582滿負荷安岳輕烴回收裝置15036外制冷2014.099095低負荷合川輕烴回收裝置10039膨脹制冷2013.018092低負荷廣安輕烴回收裝置10016膨脹制冷2010.118089低負荷南充輕烴回收裝置20膨脹制冷1989.0380停運磨溪輕烴回收裝置50外制冷2015.0260停運

表2 低負荷裝置歷年處理氣量表 日均處理氣量/104 m3 Table 2 Situation of low-load natural gas processing device from 2010～2017時間廣安輕烴回收裝置合川輕烴回收裝置安岳輕烴回收裝置201054.90201151.99201243.97201334.3098.58201427.6291.64104.80201523.6287.8872.50201619.0256.2243.20201715.6639.0136.00

2 存在的問題

2.1 操作難度大

2.1.1膨脹制冷工藝

廣安輕烴回收裝置設計天然氣處理量為100×104m3/d，目前裝置天然氣處理量為16×104m3/d左右，脫乙烷塔和脫丁烷塔設計容量與實際運行值偏差大，已遠超過彈性操作范圍(填料塔經(jīng)驗操作彈性范圍為60%～120%)[3]，實際生產(chǎn)過程中操作難度大，脫乙烷塔和脫丁烷塔難以建立穩(wěn)定的操作平衡，產(chǎn)品氣壓縮機等關鍵設備難以平穩(wěn)運行。

2.1.2外制冷工藝

安岳輕烴回收裝置設計天然氣處理量為150×104m3/d，目前裝置天然氣處理量為36×104m3/d。處理氣量減少后，計量檢測、自動控制系統(tǒng)不能完全滿足生產(chǎn)控制要求。目前，有3臺調(diào)節(jié)閥Cv(流通能力)值偏大，只能采取工藝閥門手動控制；1套孔板流量計偏大，無法有效測量，只能通過液位手動控制；精餾塔壓力、溫度波動大，難以建立穩(wěn)定的操作平衡。

2.2 單位能耗高

當氣量降低，輕烴回收裝置的單位能耗會增加。表3為近幾年低負荷裝置的能耗對比表。

廣安輕烴回收裝置設備、能耗存在較大的浪費，直接造成水、電、燃料氣單位能耗過高，均超過設計值。安岳輕烴回收裝置導熱油加熱爐與冷劑壓縮機的單位能耗均超過設計值,能耗對比統(tǒng)計見表3[4-6]。

從表3可以看出，廣安輕烴回收裝置2016年水單位能耗達到設計值的1.9倍，電單位能耗為設計值的2.2倍；合川輕烴回收裝置2016年水單位能耗達到設計值的1.5倍，電單位能耗為設計值的1.1倍；安岳輕烴回收裝置2016年水單位能耗達到設計值的1.3倍，電單位能耗達到設計值的2.6倍。

表3 低負荷裝置近幾年能耗統(tǒng)計對比表Table 3 Statistical comparison of the energy consumption of the low load device in recent years裝置名稱年 份天然氣處理量/104 m3水單位能耗/(t·(104 m3)-1)電單位能耗/(104 kW·h·(104 m3)-1)燃料氣單位能耗/(104 m3·(104 m3)-1)設計實際設計實際設計實際設計實際備注廣安輕烴回收裝置2012201320142015201633 0006 042.7913 532.349 928.997 971.866 375.991.150.850.921.131.772.23122.73146.78157.89212.67256.83265.12235.09186.60181.03239.12273.16328.04合川輕烴回收裝置2012201320142015201633 0005 094.9017 796.1919 349.080.730.830.951.11157.27163.60166.20171.74215.03未投運未投運665.84209.97198.43安岳輕烴回收裝置2012201320142015201649 5008 838.2326 378.2514 718.292.421.502.033.12245.05316.91509.55630.6596.16未投運未投運110.3878.8897.67

2.3 影響產(chǎn)品質(zhì)量

采用膨脹制冷工藝的裝置在低負荷運行時,制冷深度和冷液不夠，造成精餾效果差，廣安輕烴回收裝置的穩(wěn)定輕烴飽和蒸氣壓為100 kPa左右，能達到GB 9053-2013《穩(wěn)定輕烴》1號指標,但不能達到2號指標(小于74 kPa(夏)/88 kPa(冬))。

3 應對措施

3.1 拓展原料氣來源

3.1.1江油輕烴裝置外輸管線改造

2017年5月,將中壩氣田南部區(qū)塊富含輕烴的原料氣8×104m3/d引入江油輕烴回收裝置，目前達到滿負荷運行。

3.1.2遂寧輕烴裝置上游氣源調(diào)整

2017年4月,將蓬萊區(qū)塊富含輕烴的天然氣(7～8)×104m3/d引至遂寧輕烴回收裝置，目前裝置生產(chǎn)穩(wěn)定。

3.1.3產(chǎn)品氣內(nèi)循環(huán)

廣安輕烴回收裝置將部分產(chǎn)品氣循環(huán)至原料氣中，增加原料氣壓力和處理量來確保裝置運行穩(wěn)定；安岳輕烴回收裝置增加再生氣和產(chǎn)品氣2條循環(huán)管線，提高原料氣處理量，穩(wěn)定裝置運行。

3.2 降耗措施

3.2.1優(yōu)化分子篩吸附周期

對合川、廣安輕烴回收裝置進行了分子篩吸附余量的計算，以合川分子篩塔為例，合川分子篩塔天然氣設計處理量為200×104m3/d，雙塔12 h切換，裝填為4A分子篩。天然氣中水含量取決于其壓力、溫度和組成，在非含硫天然氣水含量的計算中，通常采用基于實驗數(shù)據(jù)的圖來查取天然氣的水含量[7-8]。

3.2.1.1 滿負荷時不含硫天然氣理論水含量

查烴類氣體的水含量圖[5]，查得天然氣在25 ℃，絕壓3.5 MPa下的水含量為W1：

W1=0.93 kg/103m3(15.6 ℃)

(1)

天然氣在-70 ℃，絕壓3.5 MPa下的水含量為W2：

W2=1.6×10-4kg/103m3(15.6 ℃)

(2)

分子篩塔天然氣設計處理量為200×104m3/d，單塔12 h的處理量為100×104m3。所以，當100×104m3的原料氣從25 ℃降溫至-70 ℃析出的水量約為W3：

W3=(W1-W2)×100×104=929.84 kg

(3)

3.2.1.2 分子篩塔設計吸附水量

根據(jù)4A分子篩對水的動態(tài)吸附量約為10 kg水/100 kg分子篩[9-10]，單塔裝填分子篩量為1.9×104kg，得到，分子篩每12 h吸水量為W4：

W4/19×103kg=10 kg水/100 kg分子篩

(4)

W4=1 900 kg

根據(jù)式(3)、式(4)可知，分子篩吸水量設計值遠大于理論析出水量。

3.2.1.3 低負荷下(處理量為39.01×104m3/d)不含硫天然氣理論含水量

單塔12 h的天然氣處理量為19.51×104m3，根據(jù)式(1)、式(2)，當19.51×104m3原料氣從25 ℃降至-70 ℃時，析出的水量為W5：

W5=(W1-W2)×19.51×104=362.731 kg

(5)

根據(jù)式(3)、式(5)，W3/W5=2.56，可知在目前的天然氣處理量下，分子篩塔有大量的吸附余量。

廣安、合川輕烴回收裝置經(jīng)過計算和實驗驗證，分子篩塔在每完成一次吸附后(再生前)，還有大量的吸附富余量。將分子篩切換周期由12 h延長至24 h，電耗、氣耗分別節(jié)約50%。這樣,再生氣壓縮機、空冷器和加熱爐每天可停運12 h。

如廣安輕烴回收裝置再生氣壓縮機功率為75 kW、空冷器功率為7.5 kW、加熱爐風機電功率為15 kW，每天能節(jié)約電量1 170 kW·h，月節(jié)約電量3.51×104kW·h，年節(jié)約電量為38.61×104kW·h。同時，減少加熱爐的燃料氣耗用量，月節(jié)約燃料氣量1.7×104m3左右，年節(jié)約燃料氣量為18.7×104m3左右。廣安、合川輕烴回收裝置優(yōu)化分子篩吸附周期后能耗見表4。

表4 優(yōu)化分子篩吸附周期后節(jié)約能耗Table 4 Energy consumption saving after optimizing the molecular sieve adsorption cycle裝置優(yōu)化前切換周期/h優(yōu)化后切換周期/h理論年節(jié)約電量/(104 kW·h)理論年節(jié)約燃料氣量/104 m3廣安輕烴回收裝置124850.518.7合川輕烴回收裝置12245831

3.2.2調(diào)整鍋爐上水泵、軟水泵工作方式

廣安輕烴回收裝置鍋爐上水泵、軟水泵由設計24 h連續(xù)運行調(diào)整為間斷運行,主要做了如下改進：

(1) 將鍋爐液位信號引至PLC系統(tǒng)，通過低液位啟泵、高液位停泵的原理實現(xiàn)鍋爐上水泵的間斷運行。

(2) 對PLC程序進行修改，利用PLC剩余的兩個開關量輸出節(jié)點對兩臺軟水泵啟停進行程序控制，當鍋爐上水泵啟泵時,軟水泵啟泵，鍋爐上水泵停泵，軟水泵延時運行7 min后停泵的原理，防止鍋爐上水泵抽空，同時實現(xiàn)軟水泵的上水方式為間斷上水。

優(yōu)化后鍋爐上水泵每天運行約2 h，每天減少運行22 h；軟水泵每天運行約4 h，每天減少運行20 h。理論年節(jié)約電量為9.438×104kW·h(見表5)。

表5 鍋爐上水泵、軟水泵節(jié)約能耗Table 5 Energy consumption saving on the boiler water pump and soft water pump用電設備功率/kW優(yōu)化前每天運行時間/h優(yōu)化后每天運行時間/h理論每天節(jié)能/kW·h理論每年合計節(jié)能/104 kW·h上水泵11.0242242軟水泵2.2244449.438

3.2.3合理調(diào)整循環(huán)水量

廣安輕烴回收裝置根據(jù)目前的低負荷情況，通過降低各用水點的水量，極大地降低了用電消耗。廣安輕烴回收裝置用水點用量情況見表6。

表6 廣安輕烴回收裝置用水點用量Table 6 Water use distribution at the Guangan light hydrocarbon unit用水點循環(huán)水量/(m3·h-1)供水溫度/℃回水溫度/℃供水壓力/MPa回水壓力/MPa備注膨脹機潤滑油冷卻器632400.400.25連續(xù)運行24 h/d脫丁烷塔塔頂冷卻器5332400.400.25連續(xù)運行24 h/d輕油冷卻器1.8432400.400.25連續(xù)運行24 h/d再生氣壓縮機冷卻水832400.400.25連續(xù)運行12 h /d產(chǎn)品氣壓縮機冷卻水64032400.400.25連續(xù)運行24 h/d

通過降低以上5處用水點的用水量，特別是產(chǎn)品氣壓縮機冷卻水流量，在保持壓縮機油溫、壓縮機出口天然氣溫度正常的情況下，夏季循環(huán)水流量由原來的780 m3/h調(diào)整為300 m3/h，冬季循環(huán)水流量由原來的780 m3/h調(diào)整為230 m3/h，循環(huán)水泵電機用電量有所下降，電耗由210 kW/h降至160 kW/h。每月節(jié)約電量約(210～160)×24×30=3.6×104kW·h，且其余各點也完全能滿足目前工況需求。

循環(huán)水系統(tǒng)用水調(diào)整前后對比見圖1。

3.3 適應性改造

3.3.1設備改造

隨著原料氣氣量降低，部分設備不能適應低負荷下的正常運行，通過對壓縮機、膨脹機等關鍵設備進行適應性改造，實現(xiàn)設備的正常運行。

安岳輕烴回收裝置：對裝置冷劑壓縮機進行降低負荷改造至設計的50%，拆除各級進出口部分進氣閥和出氣閥，解決了冷量過剩的問題，操作穩(wěn)定，同時降低了能耗，年節(jié)約電量200×104kW·h。

廣安輕烴回收裝置：膨脹機負荷由100×104m3/d改造為(18～25)×104m3/d，改造后膨脹機效果良好;當裝置氣量較低，產(chǎn)品氣壓縮機長期怠速運行，振動增大、火花塞容易結碳，會增加活塞環(huán)和氣缸壁之間的磨損;通過調(diào)整壓縮機氣缸余隙，來提高壓縮機的轉(zhuǎn)速;氣缸余隙調(diào)整前，壓縮機轉(zhuǎn)速為650～700 r/min，調(diào)整后為750～800 r/min，達到該設備的基本運行700 r/min要求，壓縮機安全穩(wěn)定運行。

3.3.2工藝改造

安岳輕烴回收裝置將脫乙烷塔、脫丁烷塔塔底重沸器導熱油管線增加旁通，解決了由于裝置所需熱負荷較低，導熱油循環(huán)量太少，導熱油循環(huán)泵背壓過高的問題(見圖2、圖3)。

3.3.3儀控系統(tǒng)改造

3.3.3.1 增設調(diào)壓閥

廣安輕烴回收裝置由于原料氣處理量大幅下降，脫乙烷塔塔底溫度通過脫乙烷塔重沸器出口凝結水的調(diào)節(jié)閥難以調(diào)節(jié)，在脫乙烷塔重沸器蒸汽入口管線增設了1臺自立式調(diào)壓閥，降低了蒸汽壓力，使脫乙烷塔塔底溫度控制穩(wěn)定(見圖4)。

隨著原料氣氣量的降低，部分自控調(diào)節(jié)回路不能適應低負荷下的正常運行，通過整定自控調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)回路的正常運行。

3.3.3.2 整定PID參數(shù)

廣安輕烴回收裝置脫乙烷塔和脫丁烷塔塔壓調(diào)節(jié)控制回路，低負荷運行下壓力調(diào)整滯后較大，約20 min。通過對兩塔調(diào)壓控制回路PID參數(shù)整定之后，只需要1～3 min可調(diào)節(jié)平穩(wěn)，調(diào)節(jié)回路達到了良好的狀態(tài)。

3.4 優(yōu)化操作參數(shù)

當原料氣的氣量壓力降低時，內(nèi)制冷裝置透平膨脹機的膨脹比也會相應下降。此時為了提高制冷量，需要優(yōu)化操作參數(shù)來提高膨脹比。廣安輕烴回收裝置通過調(diào)整脫乙烷塔和脫丁烷塔的操作壓力，提高了膨脹比(見表7)。

表7 脫乙烷塔和脫丁烷塔壓力調(diào)整前后對比表Table 7 Pressure contrast of the dethanize and debutanizer before and after the adjustment廣安輕烴回收裝置調(diào)整前調(diào)整后脫乙烷塔的操作壓力/MPa1.40 1.20脫丁烷塔的操作壓力/MPa1.20 1.05膨脹比1.861.96C3收率/%7180

4 結論與建議

4.1 結 論

輕烴回收裝置在低負荷下運行，存在操作難度大、單位能耗高、產(chǎn)品氣壓縮機等關鍵設備難以平穩(wěn)運行等問題。通過產(chǎn)品氣內(nèi)循環(huán)，增加原料氣壓力和處理量，來確保裝置運行穩(wěn)定；通過優(yōu)化分子篩吸附周期、調(diào)整鍋爐上水泵、軟水泵工作方式、合理調(diào)整循環(huán)水量等方法來降低裝置單位能耗；通過對壓縮機、膨脹機等關鍵設備進行適應性改造，實現(xiàn)設備的正常運行；通過對工藝改造、儀控系統(tǒng)改造、優(yōu)化操作參數(shù)等措施，使得輕烴回收裝置在低負荷條件下仍然能安全、平穩(wěn)運行，并取得了較好的效果和一定的經(jīng)濟效益。

4.2 建 議

針對目前西南油氣田公司所轄輕烴回收裝置氣源衰減較快，多套裝置在低負荷下運行的情況，為確保低負荷裝置安全、穩(wěn)定運行，產(chǎn)品質(zhì)量達標，盡可能提高輕烴回收裝置的效益,建議對廣安輕烴回收裝置的循環(huán)水泵進行節(jié)能改造，對安岳輕烴回收裝置2個精餾塔的分布器進行改造。

廣安輕烴回收裝置由于氣量下降較快，需對大功率循環(huán)水泵進行改造。目前，廣安輕烴回收裝置的循環(huán)水泵仍然為大功率高壓循環(huán)水泵(電壓10 000 V，功率250 kW)，已經(jīng)不適應裝置目前的使用，造成一定的浪費。從投入和產(chǎn)出經(jīng)濟效益角度考慮，建議將目前2臺功率250 kW的循環(huán)水泵改造為功率為110 kW的循環(huán)水泵。

安岳輕烴回收裝置需對3臺精餾塔的高效填料和液體分布器、分布管進行核算，重新設計液體分布器、分布管的開孔數(shù)量及孔徑，確保更換后能在低負荷下安全平穩(wěn)生產(chǎn)，保證產(chǎn)品合格。建議跟蹤華油新建干氣至岳105管線項目進展，可置換威東(8～10)×104m3/d濕氣至處理廠。