乙烷回收改進流程用能分析

楊雨林 陳小榆 何杰 張磊 王銳

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部 3.中國石油規(guī)劃總院

天然氣凝液回收是指將天然氣中乙烷及以上組分進行回收，其不僅可以有效降低外輸氣的烴露點，回收的乙烷和凝液產(chǎn)品還可顯著提高油氣田的經(jīng)濟效益[1-2]。近年來，隨著國內(nèi)各大油氣田對增產(chǎn)提效、資源增值的不斷重視，具有經(jīng)濟效益好、回收價值高的天然氣深度處理項目逐漸被提上日程。乙烷是一種用于生產(chǎn)乙烯的優(yōu)質(zhì)潔凈原料，具有很高的附加值。因此，國外較早就已經(jīng)開展了對乙烷回收的研究，形成了以膨脹機制冷、冷劑制冷+膨脹機制冷為主的低溫分離工藝[3-7]，并針對不同氣質(zhì)和工況開發(fā)了多種乙烷回收工藝流程，其中美國Ortloff公司開發(fā)的部分干氣再循環(huán)工藝(recycle split vapor，RSV)因其較高的乙烷回收率而得到廣泛應(yīng)用[8-9]。相對于貧氣乙烷回收，富氣乙烷回收流程將變得更復(fù)雜，能耗也更高，流程的用能分析將更加重要。目前，用于乙烷回收流程分析評價的常用方法有能耗分析、流程熱集成分析、火用分析以及經(jīng)濟分析[10]。其中能耗分析與火用分析能直觀反映出設(shè)備的能耗及其利用情況，為油氣田開展節(jié)能技術(shù)改造和節(jié)能減排工作提供強有力的決策支持[11]。因此，本文在此背景下，以國內(nèi)某擬建乙烷回收處理廠原料氣工況為研究對象，改進設(shè)計出兩種高效乙烷回收流程，并對設(shè)計的兩種流程進行模擬對比分析，通過比較兩種流程的能耗、火用損失來評價兩種流程的差異。

1 改進流程介紹

對較富的天然氣進行凝液回收，其總能耗明顯高于常規(guī)天然氣，但氣質(zhì)越富，回收的凝液越多，凝液回收過程所消耗的單位能耗越低，氣田的經(jīng)濟性越好。通常富氣在采用膨脹機制冷工藝進行凝液回收時，為達到較高的回收率，需采用制冷劑輔助冷卻原料氣，而制冷劑通常選用丙烷、混合制冷劑等。在此基礎(chǔ)上，本文提出兩種適用于富氣乙烷回收的改進流程：①帶丙烷制冷循環(huán)的RSV改進流程(recycle split vapor with propane cycle，RSV-PC)；②帶自冷循環(huán)和吸收塔的分流換熱乙烷回收流程(split heat-exchanging process with internal refrigeration and absorber，SHIA)。

1.1 RSV-PC流程

RSV流程由Ortloff公司開發(fā)，是天然氣低溫冷卻流程(gas subcooled process,GSP)的一種加強流程[12]。該流程通過從外輸氣中引入一部分外輸氣冷卻后作為脫甲烷塔的塔頂回流，由于這股回流富含甲烷，在脫甲烷塔上部對塔中的乙烷等重烴的冷凝吸收效果好，可實現(xiàn)較高的乙烷回收率，同時對原料氣氣質(zhì)工況也具有較寬的適應(yīng)范圍。

為使RSV流程對富氣也具有較高的回收率，在RSV流程基礎(chǔ)上增加丙烷制冷系統(tǒng)，提出一種新的改進流程(RSV-PC)。RSV-PC工藝流程如圖1所示。

RSV-PC流程采用丙烷制冷循環(huán)為原料氣預(yù)冷和脫乙烷塔頂氣提供冷量，增壓后的高溫丙烷制冷劑為脫甲烷塔塔底重沸器提供熱量。由于丙烷制冷在LNG-101和E-101中的制冷溫位不同，通過采用兩級制冷系統(tǒng)可有效降低壓縮機壓縮功耗。RSV-PC流程主要具有以下特征：

(1) RSV-PC流程采用部分外輸氣回流，在富氣條件下采用丙烷制冷系統(tǒng)，保留了RSV流程高回收率的優(yōu)點。同時丙烷制冷系統(tǒng)僅有一種制冷劑，流程簡單便于控制。

(2) RSV-PC流程低溫分離器溫度較高，可以增大低溫分離器的分離氣相，同時透平膨脹機的進氣量大，具有較大的透平傳輸功。

(3) 丙烷循環(huán)系統(tǒng)對兩處不同溫位采用兩級制冷，可有效節(jié)省壓縮能耗且流程簡單。

(4) 丙烷制冷劑在制冷過程中溫度基本保持不變，在換熱器中會造成較大的傳熱溫差，增大傳熱的不可逆損失。

(5) 部分外輸干氣回流將明顯增大外輸壓縮機功耗。

1.2 SHIA流程

常規(guī)GSP流程回收率往往只能達到90%左右，而RSV流程通過引入外輸干氣作脫甲烷塔回流可使乙烷回收率達到95%以上，但是外輸干氣回流會大幅增加外輸壓縮機能耗。為使流程具有高回收率和低能耗，在GSP流程基礎(chǔ)上，結(jié)合了IPSI-1[13]、IPSI-2[14]流程的內(nèi)部制冷循環(huán)，以及吸收塔氣提分離[15]等工藝，提出一種適用于富氣的改進乙烷回收流程SHIA。SHIA工藝流程如圖2所示。

SHIA流程具有以下特點：

(1) 原料氣采用分流預(yù)冷加吸收塔的組合方式，使得兩股原料氣預(yù)冷后存在一定的溫度差，溫度更低的一股原料氣(圖2物流4)作為吸收塔的塔頂進料，溫度更高的另一股原料氣(圖2物流2)作為吸收塔的下部進料。通過吸收塔中的氣提作用可強化甲烷與乙烷等重組分在吸收塔中的分離，有效將原料氣中的甲烷富集到吸收塔的塔頂氣相中，而C2+等重組分向吸收塔塔底富集，使得脫甲烷塔上部進料更貧，有效提高乙烷回收率，降低脫甲烷塔分離負荷。吸收塔中各塔板液相組分變化如圖3所示。

(2) 脫甲烷塔進料采用多級分離，可有效分離掉脫甲烷塔塔頂回流中的重烴，降低脫甲烷塔塔頂進料溫度，改善脫甲烷塔上部的精餾效果，提高乙烷回收率。

(3) 采用脫甲烷塔塔底C2+凝液作為混合制冷劑為原料氣預(yù)冷，可有效提高多股流換熱器LNG-101中的熱集成度，相比單一的外部丙烷制冷可大幅降低制冷壓縮機負荷。

(4) 因吸收塔塔底進料溫度不能太低，且盡量保持換熱后的外輸氣以較低溫度進入透平膨脹機增壓端以節(jié)省外輸壓縮機功耗，故原料氣上部分流(圖2物流1→物流2)與外輸氣換熱可進行較大的溫差換熱，可采用一般的管殼式換熱器或板式換熱器以減小設(shè)備成本。而多股流換熱器LNG-101中的5股換熱物流數(shù)低于RSV-PC中LNG-101中的7股，也可降低板翅式換熱器的設(shè)計難度。

2 改進流程用能分析

本文利用HYSYS軟件對兩種改進流程進行模擬分析，文中所涉及的工藝模擬分析計算中的熱力學(xué)模型均選用Peng-Robinson方程，膨脹機絕熱效率85%，壓縮機絕熱效率75%，換熱器最小接近溫差≥3 ℃。原料氣組成及工況參數(shù)見表1。

表1 原料氣氣質(zhì)工況Table 1 Feed gas composition%組分摩爾分數(shù)組分摩爾分數(shù)N21.24i-C40.73CO20.04n-C41.84C173.77i-C50.23C214.29n-C50.21C37.55C60.10 注:1.原料氣工況:壓力5.0 MPa,溫度15 ℃,流量8699 kmol/h,外輸氣壓力5.2 MPa。2.乙烷產(chǎn)品質(zhì)量滿足:w(C1)≤1%,w(C2)≥97%;乙烷回收率≥95%。

2.1 能耗分析

本文采用GB/T 2589-2008《綜合能耗計算通則》[16]中單位產(chǎn)量綜合能耗(簡稱單位能耗)的評價方法，對整個流程的主體裝置能耗進行量化評價。經(jīng)過模擬，兩種流程中主要能耗見表2。

表2 兩種流程主要用能對比Table 2 Comparison of main energy consumption of the two processes流程透平膨脹機K-101功耗/kW外輸壓縮機K-103功耗/kW制冷系統(tǒng)壓縮機功耗/kWK-104K-105K-106總壓縮功耗/kW脫乙烷塔重沸器負荷/kW綜合能耗E/106 MJ/d單位能耗eg/(MJ·t-1)RSV-PC981.6607613804911-12 36789154.5112306SHIA867.6489419962270748.19 908.189903.8201953

因SHIA流程中吸收塔的塔頂氣相溫度低，相比于RSV-PC分離器的分離氣相更少，故RSV-PC具有更多的透平膨脹功。由于RSV-PC采用外輸氣回流，外輸氣循環(huán)量高于SHIA，同時SHIA流程E-101中換熱器溫差大，換熱后的外輸氣溫度低，使得外輸壓縮功的能耗SHIA明顯低于RSV-PC流程。RSV-PC采用兩級丙烷制冷循環(huán)為原料氣和脫乙烷塔塔頂氣制冷，循環(huán)量較大，SHIA流程采用內(nèi)部混合制冷劑結(jié)合異丁烷的制冷工藝，在能耗上具有明顯優(yōu)勢，整個流程SHIA壓縮機功耗比RSV-PC節(jié)省2459 kW。SHIA綜合能耗比RSV-PC流程少15.3%，RSV-PC流程的單位能耗高出SHIA 流程18.1%。由此可見，從能耗角度分析SHIA具有明顯優(yōu)勢。

2.2 火用分析

火用分析建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上，可用于評價整個用能系統(tǒng)和各個單元。通過火用分析揭示流程中不可逆性發(fā)生的位置及數(shù)量，可對流程中各設(shè)備的用能情況進行分析評價，以判斷流程的能量利用合理程度。

物系的火用包括物理火用、化學(xué)火用、動能火用和勢能火用。通常動能火用和勢能火用很小，可以忽略。以101.325 kPa、298.15 K為環(huán)境基準態(tài)。物流的單位流量總火用為：

(1)

物流物理火用的基本表達式為：

(2)

式中:h為物流實際狀態(tài)的焓，kJ/mol；s為物流實際狀態(tài)的熵，J/K;h0為環(huán)境基準態(tài)下的焓，kJ/mol；s0為環(huán)境基準態(tài)下的熵，J/K;T0為環(huán)境基準態(tài)下的溫度，K。

物流化學(xué)火用的基本表達式為：

(3)

乙烷回收流程涉及到的組分的標準火用見表3[17]。

在系統(tǒng)或設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，將被利用或收益的火用Exgain與支付或耗費的火用代價Expay的比值定義為系統(tǒng)或設(shè)備的火用效率ηex，即：

表3 組分的標準火用Table 3 Standard exergy of the component 組分eθi/(kJ·mol-1)組分eθi/(kJ·mol-1)N20.693i-C4H102 797.29CO220.075n-C4H102 800.66CH4829.970i-C5H123 449.32C2H61 493.550n-C5H123 455.10C3H82 148.670C6H144 108.89

(4)

表4列出了各設(shè)備的火用損和火用效率計算公式。

對于精餾塔的側(cè)線或塔底重沸器，在對其塔中物流進行傳熱過程中，外部熱物流傳遞給受熱物流的火用為：

(5)

式中：Q為熱物流的傳熱負荷，kW；Th為熱物流溫度，K。

通常熱物流在換熱過程中溫度是變化的，因此熱物流在換熱過程中的Th通常采用其進出傳熱裝置的對數(shù)平均溫差計算，即：

Th=(Tho-Thi)/ln(Tho/Thi)

(6)

式中：Thi指熱物流進換熱器溫度，K； Tho指熱物流出換熱器溫度，K。

整個系統(tǒng)火用效率如式(7)所示。

(7)

表5顯示了兩種流程中主要設(shè)備的火用損量和火用效率，相比整個流程的火用損量，SHIA流程低于RSV-PC流程，同時結(jié)合圖4可知，對于兩種流程火用損量最大為塔器(高達40%以上)，其次是壓縮機，之后是換熱器。這3類裝置的總火用損量達到整個流程的76%以上，且此3類設(shè)備的火用損差異也反映出RSV-PC流程和SHIA流程的用能差異。

RSV-PC流程中壓縮機的火用損比例占23.39%，高于SHIA流程的20.30%，主要差異在于外輸壓縮機K-103和制冷循環(huán)二級制冷壓縮機K-105，特別是RSV-PC流程壓縮機K-105的火用損是SHIA流程K-105的2.4倍，其主要原因在于大流量的循環(huán)制冷劑和壓縮機大壓比增大了壓縮機做功的不可逆性。因每個壓縮機的絕熱效率均相同(75%)，各相同位置的壓縮機火用效率相差不大。SHIA采用了原料氣分流換熱后提高了熱集成度，有效減小火用損也可從表5和圖4中明顯看出。SHIA流程的換熱器LNG-101相對于RSV-PC流程的LNG-101，更小的換熱溫差使得火用損明顯降低，SHIA換熱器LNG-101的火用損僅占RSV-PC流程LNG-101的31.5%(RSV-PC中的LNG-101換熱物流比SHIA的多，也是造成RSV-PC中LNG-101火用損更高的原因之一)，SHIA流程的LNG-101火用效率(96.46%)也明顯高于RSV-PC流程LNG-101的91.18%。由于吸收塔塔底需要一股較高溫度的進料，使得SHIA流程中的E-101可以存在較大溫差的換熱，但這將導(dǎo)致E-101產(chǎn)生較大的火用損，且其火用效率也是所有換熱器中最低的。兩種流程脫乙烷塔塔頂?shù)膿Q熱器(RSV-PC的E-101/SHIA的E-102)火用效率相同，而SHIA采用異丁烷相比RSV-PC的丙烷在換熱器中的火用損更小。

表4 各裝置火用損量和火用效率表達式Table 4 Expressions of exergy loss and exergy efficiency for each device裝置裝置標識符火用損量表達式火用效率表達式閥VLV-101 VLV-102VLV-103 VLV-104VLV-105 VLV-106IVLV=Exi-Exo=Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oηVLV=eΔTo-eΔTieΔPi-eΔPo eΔT=-∫T0TT-T0Tdh PeΔP=eph-eΔT換熱器LNG-101 LNG-102E-101 E-102IHX=Exi-Exo=Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oηHX=1-Σ(mg·Δe)Σ(mg·Δh)h-Σ(mg·Δe)Σ(mg·Δh)e 空冷器AC-101 AC-102AC-103IAC=Exi-Exo=Σ(mg·e)i+eai+W-Σ(mg·e)o-eaoηAC=Σ(mg·e)o+eaoΣ(mg·e)i+W膨脹機K-101IE=Exi-Exo=Σ(mg·e)i-Wo-Σ(mg·e)oηC=WoΣ(mg·e)i-Σ(mg·e)o壓縮機K-102 K-103K-104IC=Exi-Exo=Σ(mg·e)i+Wi-Σ(mg·e)oηC=Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oWi塔設(shè)備T-101IT-101=Exi-Exo=ΣQi(1-T0Ti)+Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oηT-101=ExoExi=Σ(mg·e)oΣ(mg·e)i+ΣQi(1-T0Ti)T-102IT-102=Exi-Exo=QR(1-T0TUTY)+Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oηT-102=ExoExi=Σ(mg·e)oΣ(mg·e)i+QR(1-T0TUTY)T-103IT-103=Exi-Exo=Σ(mg·e)i-Σ(mg·e)oηT-103=ExoExi=Σ(mg·e)oΣ(mg·e)i

表5 各裝置火用損量及火用效率計算結(jié)果Table 5 Calculation results of exergy loss and exergy efficiency for each device裝置RSV-PC流程SHIA流程火用損量/kW火用效率/%火用損量/kW火用效率/%LNG-101144491.1845596.46LNG-10243291.1030891.63E-10122794.0643783.60E-102--10194.68K-10126678.6824478.05K-10226772.8424272.06K-103130778.48107980.00K-10436373.7244977.45K-105105578.5244180.52K-106--17376.93T-101174699.97166999.97T-102347199.80377399.73T-103--7799.99VLV-101 24251.2014851.14VLV-10219754.7214152.71VLV-10347144.2955142.22VLV-10436324.1815239.15VLV-10522724.0319656.50VLV-1068968.0512015.12AC-101 34299.9821599.98AC-102 28599.9858199.95AC-103--19299.95合計12 79499.4911 74499.50

整體來看，節(jié)流閥的火用效率均較低，這本身也是因為節(jié)流過程不可逆性大造成的。整個流程SHIA中閥的總火用損量較RSV-PC流程低281 kW，而其中閥VLV-104的火用損相差最大，其主要原因在于RSV-PC中的VLV-104壓降比(1610 kPa→315 kPa)遠大于SHIA流程中的VLV-104壓降比(1920 kPa→900 kPa)。

兩種流程的空冷器火用效率均較高，但SHIA流程的空冷器火用損量明顯高于RSV-PC流程。特別是SHIA流程的AC-102，由于混合冷劑在冷卻過程中出現(xiàn)相變，增大了吸熱量，使其火用損量是RSV-PC流程中AC-102的兩倍。

對于塔器的火用損和火用效率評價方法的不同將導(dǎo)致結(jié)果差異較大。由表5可知，兩種流程的脫甲烷塔和脫乙烷塔的火用效率均接近100%，其主要原因在于化學(xué)火用的數(shù)值太大，損失的火用損相較于進出塔物流的化學(xué)火用幾乎可以忽略不計，導(dǎo)致Exo≈Exi。若在求取物流的總火用的時候忽略掉化學(xué)火用僅考慮物理火用，即僅考慮物流從所在的(p；T)狀態(tài)到完全平衡環(huán)境狀態(tài)(p0；T0)的做功能力，而忽略掉由于組分與環(huán)境不同而從完全平衡環(huán)境狀態(tài)到寂態(tài)的做功能力，就會出現(xiàn)明顯不同的結(jié)果(流程的總火用損量和火用效率也有類似的現(xiàn)象)。如圖5所示，當物流的總火用考慮化學(xué)火用時，脫甲烷塔和脫乙烷塔以及整個流程的火用效率均接近100%。而當總火用僅考慮物理火用時，兩個塔和總流程的火用效率明顯降低。脫甲烷塔T-101的火用效率降為90%左右。而脫乙烷塔T-102的火用效率RSV-PC只能達到61.31%，而SHIA流程更低(55.64%)。整個流程的火用效率雖然SHIA略高于RSV-PC，但是整體火用效率依舊偏低。無論是考慮還是忽略化學(xué)火用，T-101、T-102和整個流程的火用損SHIA均低于RSV-PC。同時可看出，僅考慮物理火用時的火用損大于考慮化學(xué)火用時的火用損，可見在塔這類有組分變化的反應(yīng)設(shè)備中化學(xué)火用是增加的。

3 結(jié)論

(1) 本文提出兩種改進乙烷回收流程：①RSV-PC流程，其采用兩級丙烷制冷系統(tǒng)提供兩個制冷溫位為原料氣和脫乙烷塔塔頂氣供冷，在富氣條件下保留了RSV流程高回收率的特點；②SHIA流程，其增設(shè)吸收塔強化原料氣中甲烷與乙烷等重組分的預(yù)分離，并利用脫甲烷塔塔底C2+凝液作為制冷劑為原料氣供冷，脫乙烷塔塔頂氣采用單獨的異丁烷制冷劑，形成兩套獨立的制冷系統(tǒng)，該流程脫甲烷塔塔頂回流采用多級分離，保證脫甲烷塔塔頂回流富含甲烷，在富氣條件下也可保證95%以上的乙烷回收率。

(2) 在保證相同回收率的條件下，通過對比兩種流程的能耗發(fā)現(xiàn)，SHIA流程比RSV-PC流程節(jié)能15.3%，從能耗角度來看，SHIA流程明顯優(yōu)于RSV-PC流程。

(3) 通過對RSV-PC和SHIA兩種流程進行火用分析，整個流程的火用損和火用效率SHIA流程低于RSV-PC流程，兩種流程中火用損最大的設(shè)備為塔器，其次是壓縮機，之后是換熱器，而兩種流程火用損的主要差異在于冷箱LNG-101和制冷循環(huán)二級壓縮機K-105。SHIA的換熱器E-101大溫差換熱雖然會增大換熱過程的不可逆性，但增強了吸收塔的氣提效果，又可以降低外輸壓縮機負荷。不同的火用效率評價方法得到的塔的火用效率差異較大，但總體而言，RSV-PC流程中的塔火用效率高于SHIA流程。