一種天然氣烴露點(diǎn)控制工藝的制冷模擬優(yōu)化

張博

摘 要：本文提出了一種基于烴露點(diǎn)控制工藝的穩(wěn)態(tài)外制冷模型，此工藝使用丙烷作為冷卻劑、乙二醇作為吸收劑。本文的主要目的是為了建立某終端用外制冷工藝的收斂數(shù)值模型。采用Aspen HYSYS 9.0建立模型，利用PR方程進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算，驗(yàn)證了計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性。并進(jìn)一步分析了進(jìn)料速率、溫度、壓力對(duì)最終產(chǎn)品、中間產(chǎn)品烴露點(diǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;烴露點(diǎn)

天然氣的產(chǎn)出總是伴隨著液態(tài)烴、飽和水及游離水，這樣的天然氣稱為濕天然氣。與干氣相比，濕氣甲烷含量較低[1]。未經(jīng)脫烴處理的天然氣在管道中隨著溫度和壓力的變化，會(huì)出現(xiàn)液態(tài)烴，從而降低管道的輸送能力、造成壓縮機(jī)損壞、壓降增大等問(wèn)題，對(duì)管道及設(shè)備運(yùn)行造成了不同程度的影響。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251）的規(guī)定，氣體在一定壓力下析出第一滴液態(tài)烴時(shí)的溫度稱為烴露點(diǎn)，進(jìn)入輸氣管道的氣體烴露點(diǎn)應(yīng)低于最低環(huán)境溫度。天然氣通常含有許多重?zé)N成分，在這些重?zé)N中，首先凝結(jié)的最重組分基本上決定了氣體的烴露點(diǎn)。

為保證天然氣順利通過(guò)管道輸送到需要干氣作為燃料[2]，控制烴露點(diǎn)和水露點(diǎn)是非常必要的?？刂铺鞜釟鉄N露點(diǎn)的工藝方法主要有以下幾種方法：①外制冷法;②膨脹機(jī)制冷法;③J-T閥膨脹制冷。

本文是基于外制冷的數(shù)值模擬過(guò)程。

1 方法論

外制冷是露點(diǎn)控制最直接、最簡(jiǎn)單的過(guò)程。外部制冷是在制冷劑相變的過(guò)程中，利用釋放出的冷量以達(dá)到低溫分離的效果，通常使用丙烷作為制冷劑。丙烷液蒸發(fā)為氣態(tài)丙烷，經(jīng)丙烷吸入罐分離出夾帶的液滴后，進(jìn)入丙烷壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)丙烷冷凝器冷凝成液相丙烷后返回丙烷緩沖罐，完成一個(gè)循環(huán)。熱天然氣經(jīng)過(guò)預(yù)冷器初步冷卻后進(jìn)入貧富氣換熱器中，與低溫分離器分離出來(lái)的干氣進(jìn)行逆流換熱。水合物的形成或凍結(jié)是換熱器中出現(xiàn)的常見問(wèn)題，凍結(jié)會(huì)阻塞換熱管，從而增加壓降，降低熱交換效率。乙二醇由于具備較好的親水性和防凍性，可有效降低水的凝固點(diǎn)，通常作為水合物抑制劑注入氣流中，吸收了水的富乙二醇溶液進(jìn)入低溫分離器中被分離、再濃縮和回收。

本文采用Aspen HYSYS軟件對(duì)基于外制冷的烴露點(diǎn)控制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。進(jìn)料數(shù)據(jù)取自某陸上終端進(jìn)站天然氣數(shù)據(jù)。在天然氣冷凝器入口處注入了乙二醇，制冷過(guò)程中控制天然氣的烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)、高位發(fā)熱值等參數(shù)，將天然氣的壓力和溫度降至滿足《天熱氣》GB17820-2012的規(guī)定，在交接點(diǎn)壓力下，天然氣的水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃;在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)烴。

1.1 模擬的建立

Aspen HYSYS廣泛用于油氣分離、天然氣水化物的預(yù)測(cè)、優(yōu)化天然氣脫水、天然氣輕烴回收裝置設(shè)計(jì)中。

本研究建立了以外制冷模型為基礎(chǔ)的烴露點(diǎn)控制模型，通過(guò)求解Peng-Robinson （PR）狀態(tài)方程，計(jì)算規(guī)定溫度和壓力條件下某種氣相化合物的烴露點(diǎn)，如式（1）所述：

式（1）

式中：P：壓力;T：溫度;R：通用氣體常數(shù);：比容;Z：壓縮系數(shù)。

露點(diǎn)控制工藝流程圖（PFD）如圖1所示：

天然氣首先經(jīng)過(guò)預(yù)冷器冷卻到25℃，混合后經(jīng)過(guò)換熱器冷卻再進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器冷至0℃，然后進(jìn)入天然氣分離器分離出凝液。分出的氣相部分去脫碳裝置，部分氣相直接進(jìn)外輸計(jì)量裝置。

1.2 進(jìn)料參數(shù)

進(jìn)料參數(shù)如表1所示，摩爾分?jǐn)?shù)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 建模結(jié)果驗(yàn)證

模擬外輸氣的溫度為2℃，壓力為4.63MPa，水露點(diǎn)為-5.18℃，烴露點(diǎn)為-0.826℃;實(shí)際運(yùn)行值外輸氣的溫度為1.98℃，壓力為4.62MPa，水露點(diǎn)為-5.17℃，烴露點(diǎn)為-0.820℃。模型計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值的比較表明，外輸氣的各項(xiàng)重要參數(shù)偏差均小于±1%。此外，這些重要參數(shù)數(shù)值都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 各種重要輸入?yún)?shù)對(duì)工藝性能的影響

在驗(yàn)證模型結(jié)果的有效性后，為了研究溫度、壓力、料流摩爾流量等重要參數(shù)的影響，進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真。

2.2.1 進(jìn)料物流溫度對(duì)烴露點(diǎn)的影響

恒壓恒摩爾流量下進(jìn)料溫度對(duì)外輸氣物流和不同中間流料烴露點(diǎn)的影響。

低溫分離器（物流11）出口流的烴露點(diǎn)均未受進(jìn)料物流溫度的影響。根本原因是三相分離器基本都是在固定的條件下工作，并且進(jìn)料的溫度始終是受控制的。從兩相分離器輸出的天然氣（物流21）的烴露點(diǎn)隨著進(jìn)料在0～80℃范圍內(nèi)溫度升高而不斷升高至65℃，然后進(jìn)料溫度由80℃升高到140℃烴，露點(diǎn)迅速下降，出現(xiàn)負(fù)值，然后趨于平穩(wěn)。在0～40℃進(jìn)料溫度下，外輸氣物流的烴露點(diǎn)沒有變化，在此溫度之后，外輸氣物流的烴露點(diǎn)變化幅度很小。

2.2.2 進(jìn)料物流壓力對(duì)烴露點(diǎn)的影響

在恒定溫度和摩爾流量下，進(jìn)料壓力對(duì)外輸氣料流和不同中間流料烴露點(diǎn)的影響。

與溫度一樣，在低溫三相分離器（物流11）的出口物流中也觀察到類似的趨勢(shì)，即對(duì)增加進(jìn)料流壓力沒有太大影響。兩相分離器出口流（物流21）的烴露點(diǎn)在進(jìn)料流壓力從0.1MPa增加到2MPa時(shí)，最初增加到24.8℃以上，然后在進(jìn)料流壓力進(jìn)一步增加到9.5MPa時(shí)下降到19.78℃。當(dāng)進(jìn)料壓力在0.2MPa左右時(shí)，外輸氣烴露點(diǎn)先升高到-2.75℃，當(dāng)進(jìn)料物流壓力在0.5MPa左右時(shí)，烴露點(diǎn)先降低到-2.93℃，然后緩慢上升趨于恒定，當(dāng)進(jìn)料壓力在9.5MPa時(shí)，烴露點(diǎn)為0.62℃。結(jié)果表明，在較高壓力下，如12MPa，天然氣在2.0℃以下仍處于氣態(tài)，在此壓力之后，凝析油開始在天然氣管道中形成。

2.2.3 進(jìn)料摩爾流量對(duì)烴露點(diǎn)的影響

在恒定溫度和壓力下，進(jìn)料物流摩爾流量對(duì)外輸氣料流和不同中間流料烴露點(diǎn)的影響。對(duì)于三相分離器出口流（物流11），再一次觀察到烴露點(diǎn)對(duì)進(jìn)料流摩爾流量的增加沒有影響。其余中間流21、8以及外輸氣物流烴露點(diǎn)（物流13）在進(jìn)料流流量從0增加到150×104m3/d時(shí)略有增加和下降。這些物流的烴露點(diǎn)在10×104m3/d后成為常數(shù)，對(duì)進(jìn)料物流摩爾流量的進(jìn)一步增加沒有影響。

3 結(jié)論

在Aspen Hysys?9.0軟件中成功地模擬了基于外制冷的烴類露點(diǎn)控制過(guò)程。將模型結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程輸出進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)模型與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程輸出結(jié)果吻合較好，誤差小于1%。此外，研究了溫度、壓力、料流摩爾流量等各種重要工況的影響。

簡(jiǎn)要結(jié)論如下：①結(jié)果表明，PR狀態(tài)方程對(duì)天然氣系統(tǒng)中不同物種的熱力計(jì)算有較好的結(jié)果;②在基于外制冷工藝的烴露點(diǎn)控制過(guò)程中，在0～40℃進(jìn)料溫度下，外輸氣物流的烴露點(diǎn)沒有變化，在此溫度之后，外輸氣物流的烴露點(diǎn)變化幅度很小;③為了滿足烴露點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)外輸氣的規(guī)范要求，進(jìn)料流壓力宜小于12MPa;④為了保持產(chǎn)品氣體所需的烴露點(diǎn)，原料流的摩爾流量應(yīng)在10×104m3/d以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛國(guó)民，陳亮，孫德等.濕天然氣測(cè)量技術(shù)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展[J].專論綜述，2011，30（11）：7-8.

[2]李士富，王曰燕，王勇.山西沁水煤層氣液化HYSYS軟件計(jì)算模型[J].天然氣與石油，2010（4）：22-25.