沉降罐放空氣回收工藝設(shè)計(jì)

單從云，胡茜茜

中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京100085

隨著國內(nèi)外石油天然氣站場建設(shè)向大型化、標(biāo)準(zhǔn)化不斷發(fā)展[1]，站場內(nèi)設(shè)備數(shù)量增多，放空氣量也隨之增加，造成較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染[2]。放空氣由于組成、溫度、壓力的不同，常采用不同的回收技術(shù)，常見的有原料型回收與燃料型回收[3-4]。原料型回收是將放空氣中的有用成分回收作為生產(chǎn)用原料，適用于放空氣中存在個(gè)別組分含量高的情況，采用壓縮、膜吸附、深冷分離工藝提取原料組分，但要綜合考慮工藝可行性與經(jīng)濟(jì)合理性[5]。燃料型回收是將放空氣經(jīng)過一系列處理后，并入燃料氣系統(tǒng)，這種情況通常適用于燃料氣供應(yīng)不便的地區(qū)，并且放空氣組分復(fù)雜，很難提取某一組分[6]。目前，對(duì)于LNG站場BOG回收[7-9]、采氣井放空氣回收[10-13]、石油化工放空火炬氣回收[14-17]都采用燃料型回收工藝，技術(shù)較為成熟。

沉降罐作為原油產(chǎn)出水處理的核心設(shè)備[18-19]，產(chǎn)生的放空氣具有壓力低、溫度高、氣量大、含水量高等特點(diǎn)，常造成低壓火炬系統(tǒng)負(fù)荷大、操作不穩(wěn)定，同時(shí)也造成放空氣中輕組分的浪費(fèi)與環(huán)境污染。對(duì)于沉降罐放空氣回收技術(shù)尚未檢索到公開發(fā)表的論文，本文根據(jù)沉降罐放空氣組成和特點(diǎn)，提出回收工藝。

1 沉降罐放空氣回收工藝

1.1 方案選擇

以某脫氣站沉降罐為例，其夏季放空氣物理性質(zhì)與組成如表1、表2所示。根據(jù)表1、表2的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，放空氣壓力接近常壓，溫度高，組成復(fù)雜，酸性氣含量高，含水量高?？紤]到脫氣站與附近氣體聯(lián)合站的地理位置關(guān)系，該氣體聯(lián)合站內(nèi)燃料氣采取自供應(yīng)，因此采用燃料型回收較為合理。通過脫除放空氣所含的部分水和重?zé)N，處理后的氣體外輸至氣體聯(lián)合站，經(jīng)過閃蒸脫硫后輸至燃料氣系統(tǒng)。

表1 放空氣流量與物理性質(zhì)

表2 放空氣組成

1.2 主要設(shè)備選型

由于氣體外輸?shù)囊?，必須?duì)放空氣進(jìn)行增壓，考慮到放空氣的特性，選擇以液環(huán)壓縮機(jī)作為核心動(dòng)力設(shè)備，且液環(huán)壓縮機(jī)對(duì)氣體入口溫度和流量變化不敏感、操作靈活、可調(diào)節(jié)性好[20]，相比火炬氣回收中常用的螺桿壓縮機(jī)，液環(huán)壓縮機(jī)采取無油壓縮，不會(huì)污染介質(zhì)，壓縮機(jī)部件少、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便[21]。除此以外還需要冷卻器、分離器組成放空氣回收機(jī)組。放空氣需要脫除水分，因此液環(huán)壓縮機(jī)可采用水作為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)在液環(huán)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)形成液環(huán)，在此過程中，壓縮產(chǎn)生的熱以及被壓縮氣體帶入的熱量被工作介質(zhì)吸收，使壓縮過程接近于等溫[22]。以水作為工作介質(zhì)，還可以對(duì)壓縮氣體中的水汽起到一定的洗滌作用。壓縮機(jī)出口需采用冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻，一方面使放空氣達(dá)到分離器操作溫度，從而進(jìn)行脫水脫烴；另一方面冷卻工作介質(zhì)，使工作介質(zhì)返回到液環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)部循環(huán)使用。鑒于站場所在地冷卻水不易獲得，因此采用空冷器作為冷卻設(shè)備。分離器采用三相分離器，把分離出來的水作為工作介質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)?？紤]到放空氣中含有硫化氫，為緩解硫腐蝕問題，壓縮機(jī)、空冷器、分離器主材均采用ALLOY 825合金。

1.3 回收工藝

通過對(duì)主要設(shè)備選型，設(shè)計(jì)了液環(huán)壓縮機(jī)組回收沉降罐放空氣工藝，如圖1所示，其中S1～S11表示流股。

圖1 液環(huán)壓縮機(jī)組回收沉降罐放空氣工藝流程

來自沉降罐放空氣與循環(huán)氣合并后進(jìn)入到液環(huán)壓縮機(jī)入口，在開工初期采用系統(tǒng)補(bǔ)水作為工作介質(zhì)，待壓縮機(jī)出口壓力和分離器水界面穩(wěn)定后，關(guān)閉系統(tǒng)補(bǔ)水閥門，利用分離器產(chǎn)出水作為壓縮機(jī)工作介質(zhì)。放空氣經(jīng)過壓縮后，進(jìn)入空冷器冷卻，冷卻后的氣體進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油、氣、水分離，在分離器入口分流器處把混合物大致分成氣液兩相，分離出的氣相作為循環(huán)氣返回壓縮機(jī)入口保證入口壓力穩(wěn)定，液相沉降到液相分離側(cè)，部分水和油自由分層，油漫過擋板進(jìn)入盛油側(cè)，水作為工作介質(zhì)返回到液環(huán)壓縮機(jī)繼續(xù)使用，油相進(jìn)入閉排系統(tǒng)。

2 模擬計(jì)算與結(jié)果分析

利用Aspen HYSYS軟件，假定放空氣處理量不變，在保證液環(huán)壓縮機(jī)壓縮比不變的前提下，針對(duì)夏季、冬季以及夏季停工全循環(huán)三種工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。其中夏季環(huán)境溫度取55℃，冬季環(huán)境溫度取4℃，采用Peng-Robinson狀態(tài)方程，計(jì)算放空氣回收率、脫水率、輕組分回收率：

式中：R為放空氣回收率；ηH2O為放空氣脫水率；RHC為輕組分回收率；mS6、mS1為S6、S1流股摩爾流量，kmol/h；ηS6、ηS1為 S6、S1流股含水率；準(zhǔn)S6、準(zhǔn)S1為S6、S1流股輕組分含量。這里的輕組分是指C1～C5組分。

2.1 夏季工況

針對(duì)夏季工況，通過模擬計(jì)算，得到各流股參數(shù)如表3所示，各流股組分如表4所示。

表3 夏季工況各流股參數(shù)

表4 夏季工況S1、S6流股組成摩爾分?jǐn)?shù)

根據(jù)表3、4的結(jié)果，代入式 （1）、 （2）、（3），得到夏季工況放空氣回收率R為64.3%，放空氣脫水率ηH2O為 94%，輕組分回收率 RHC為97.8%。

根據(jù)能量守恒原理，得到壓縮機(jī)軸功率WS與空冷器熱負(fù)荷Q計(jì)算式（4）、（5）：

式中：WS為軸功率，kW；η為效率，對(duì)于單級(jí)雙吸式液環(huán)壓縮機(jī)[23]， 取 0.79； MS3、 MS2、 MS9、 MS4為S3、 S2、 S9、 S4流 股質(zhì) 量 流 量 ， kg/h； hS3、 hS2、hS9、 hS4為 S3、 S2、 S9、 S4流股比焓， kJ/kg； Q 為空冷器熱負(fù)荷，kJ。

將表3參數(shù)代入式（4）、 （5），得到夏季工況下壓縮機(jī)軸功率為291 kW，空冷器熱負(fù)荷為453 kW，作為壓縮機(jī)和空冷器的設(shè)計(jì)輸入條件。

2.2 冬季工況

針對(duì)冬季工況，通過模擬計(jì)算，得到各流股參數(shù)如表5所示，各流股組分如表6所示。

表5 冬季工況各流股參數(shù)

表6 冬季工況S1、S6流股組成摩爾分?jǐn)?shù)

將表5、 表6參數(shù)代入式 （1） 、（ 2） 、（ 3） ， 得到冬季工況放空氣回收率R為94%，放空氣脫水率ηH2O為92.8%，輕組分回收率RHC為95.4%。

2.3 夏季停工全循環(huán)工況

夏季停工全循環(huán)工況指進(jìn)氣量、外輸量均為0，S9流股流量不變，壓縮機(jī)壓縮比不變，旁路循環(huán)閥全開，系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)氣體全循環(huán)，通過模擬計(jì)算，得到各流股參數(shù)如表7所示。

表7 夏季停工全循環(huán)工況各流股參數(shù)

分析壓縮機(jī)出口氣體的溫升情況、壓縮機(jī)軸功率和空冷器熱負(fù)荷。以S3流股為例，S3流股溫度為68.9℃，沒有超過夏季正常工況出口溫度81.9℃；質(zhì)量流量為21 621.64 kg/h，比焓為297.17 kJ/kg，代入式（4） 求得壓縮機(jī)軸功率為290 kW，小于夏季正常工況壓縮機(jī)軸功率291 kW；代入式（5）求得空冷器熱負(fù)荷為230 kW，小于夏季正常工況空冷器熱負(fù)荷453 kW。

3 結(jié)論

通過對(duì)沉降罐放空氣組成、溫度、壓力的分析，采用燃料型回收工藝，利用液環(huán)壓縮機(jī)機(jī)組回收放空氣，通過Aspen HYSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明，夏季工況放空氣回收率為64.3%，脫水率為94%，輕組分回收率為97.8%；冬季工況放空氣回收率為94%，脫水率為92.8%，輕組分回收率為95.4%。該回收工藝流程簡單，設(shè)備數(shù)量少，實(shí)現(xiàn)了放空氣資源回收利用，脫水率和輕組分回收率滿足氣體外輸要求。夏季停工全循環(huán)工況下壓縮機(jī)出口溫度、壓縮機(jī)軸功率、空冷器熱負(fù)荷均小于夏季正常工況，沒有造成系統(tǒng)能耗增加。