天然氣低溫提氦工藝優(yōu)化研究

李元濤

摘? 要：天然氣低溫提氦工藝在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。該文首先對兩種低溫提氦的工藝進行了介紹，分析了主要的檢測及控制措施，進一步闡述了優(yōu)化低溫提氦工藝的相關(guān)技術(shù)研究，最后詮釋了后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦工藝實現(xiàn)的可能性，通過分析得出結(jié)論，在天然氣提氦工藝中，上述的分離工藝方法普適性更強，應(yīng)該得到縱深程度的大力推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：天然氣低溫提氦工藝? ?主要特點? ?控制措施? ?優(yōu)化研究

中圖分類號：TE8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（b）-0042-03

Optimization of Helium Extraction from Natural Gas at Low Temperature

LI Yuantao

（Shaanxi Yanchang Petroleum（Group） Co.， Ltd.， Yanchang， Shaanxi Province， 717100 China）

Abstract： Low temperature helium extraction from natural gas is more and more widely used in industry. Firstly， this paper introduces two low-temperature helium extraction processes， analyzes the main detection and control measures， further expounds the relevant technical research on optimizing the low-temperature helium extraction process， and finally explains the possibility of realizing the separation and helium extraction process of two towers of post expansion + nitrogen cycle refrigeration. Through the analysis， it is concluded that in the helium extraction

process of natural gas， The above separation process is more universal and should be vigorously promoted and applied in depth.

Key Words： Natural gas low temperature helium extraction process; Main features; Control measures; Optimization research

現(xiàn)如今，工業(yè)領(lǐng)域中一般使用兩種低溫提氦工藝：克勞特循環(huán)工藝、膨脹制冷+氮氣循環(huán)制冷分離工藝。

1? 關(guān)于克勞特循環(huán)工藝

使用克勞特循環(huán)制冷工藝提取氦氣會經(jīng)過以下流程。首先，將含氦天然氣運輸?shù)皆蠚饫鋮s器中，原料氣冷卻器會讓氦氣溫度在最短的時間內(nèi)完成冷卻，累積到一定數(shù)量后，有序進入到膨脹機增壓端，隨后膨脹機再進一步完成膨脹制冷，冷卻后的原料氣經(jīng)管道運輸至一級提濃塔;然后，將冷卻后的原料氣移動到一級提濃塔的頂部，與頂部一定比例的粗氮氣體混合，混合好的原料氣將被運送到二級提濃塔中，不被利用的液體甲烷會從一級提濃塔底流出;最后，二級提濃塔按照提前設(shè)定好的程序分離出粗氮，經(jīng)過再次增壓后，再傳送到商品天然氣外輸管線。利用這種節(jié)流方式，可以改變另一種液體烷烴，以實現(xiàn)一級提濃塔塔頂?shù)睦湓垂π?，原料氣冷卻器會讓其溫度在最短的時間內(nèi)完成冷卻，累積到一定數(shù)量后，低壓尾氣壓縮機將派上用場，經(jīng)過增壓后，再傳送到商品天然氣外輸管線[1]。二級提濃塔塔頂?shù)睦湓匆欢ㄒ３殖渥?，氮循環(huán)來進行制冷也要同步進行。

2? 膨脹制冷+氮氣循環(huán)制冷兩塔分離工藝

2.1 前膨脹工藝

前膨脹+氮循環(huán)制冷工藝的流程是：含氦天然氣會按照提前準備好的管道進入到原料氣冷卻器中，冷卻器在最短的時間內(nèi)將原料氣完成冷卻。通過膨脹制冷后，二次傳送到原料氣冷卻器，以同樣的模式再進行一次冷卻，冷卻后再次傳送到一級提濃塔，一級提濃塔的頂部將出現(xiàn)一定量的粗氮氣體，原料氣和粗氮氣體將同時被轉(zhuǎn)入到二級提濃塔中，在塔頂位置會按照提前設(shè)定好的程序分離出粗氮[2]。一級提濃塔的塔底將會有很多液甲烷傳送出來，而后原料氣冷卻器會發(fā)揮功能將其冷卻，完成回收冷量后，有序進入到膨脹機增壓端，經(jīng)增壓后，原料氣被傳送到商品天然氣外輸管線。利用節(jié)流方式，將其他的液甲烷進行轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)一級提濃塔塔頂?shù)睦湓垂π?，原料氣冷卻器會讓其溫度在最短的時間內(nèi)達到標準。當原料氣累積到一定數(shù)量后，低壓尾氣壓縮機就會派上用場，經(jīng)過增壓程序后，原料氣會被再傳送到商品天然氣外輸管線。為了確保氮循環(huán)制冷同步進行，一定要確保二級提濃塔的塔頂?shù)睦湓闯渥愎?yīng)。

2.2 后膨脹工藝

后膨脹+氮循環(huán)制冷工藝提取氦氣的具體步驟和流程是：原料氣冷卻器通過換冷功能將含氦天然氣傳送到一級提濃塔，它與一級提濃塔的頂部的粗氮氣體一同轉(zhuǎn)入到二級提濃塔中。二級提濃塔塔頂會按照固有的設(shè)定程序分離出部分粗氮，與此同時，一級提濃塔的塔底將會有很多液甲烷傳送出來。原料氣轉(zhuǎn)入到原料氣冷卻器后，經(jīng)冷完成回收冷量和膨脹制冷過程后，一部分中壓尾氣會被傳送出來，剩余天熱料再進入到膨脹機的增壓端，最后處理好的天熱料會被傳送至天然氣產(chǎn)品外輸管線。在此過程中，利用節(jié)流方式將其他的液甲烷進行轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)一級提濃塔塔頂?shù)睦湓垂δ躘3]。經(jīng)原料氣冷卻器回收冷卻后，低壓尾氣壓縮機將天熱料再次增壓，最后傳送到商品天然氣外輸管線。在氮循環(huán)進行制冷的整個過程中，一定要確保二級提濃塔的塔頂?shù)睦湓闯渥恪?/p>

3? 主要的檢測及控制措施

（1）對裝置的安全性能和安全指數(shù)提出更高的要求。原料氣的進口管線部位和截斷球閥要按照規(guī)定要求提前準備完畢，如進裝置的壓力和溫度出現(xiàn)較大變化，管線要早早進行截斷處理，進而最大化確保人身和設(shè)備的安全性[4]。

（2）由于一級提濃塔的液態(tài)甲烷過程中可能會溶解一定數(shù)量的氦氣，這樣就會讓氦氣出現(xiàn)一定的損失。為了減少這些損失，二級提濃塔底部維持原有的液位水平，這就會給二級提濃塔塔底中的液態(tài)甲烷和液氮在熱交換過程中爭取更多的時間和空間。

（3）為保證一級提濃塔的工作符合換熱器的規(guī)定溫度，就要對一級提濃塔底部的甲烷要做好調(diào)壓工作，在此期間，一級提濃塔會得到很多的冷量，進而確保其換熱器發(fā)揮功能。

（4）二級提濃塔的溫度符合規(guī)定的基本前提條件是，對其塔底的溫度進行科學合理的檢測。為了確保按照溫度條件，一次粗氦氣傳送至二級提濃塔的具體流量要控制在一定的范圍內(nèi)，二級提濃塔的溫度沒有達到預期的標準，就需要其塔底一次粗氦氣給予更多的流量，反之亦然。

（5）有必要避免二級提濃塔的液體甲烷和液氮對氦氣溶解，導致氦氣出現(xiàn)損失，如果二者溶解了一部分的氮氣，那么需要將這部分的氮氣全部傳送至二級提濃塔，在此期間千萬不能忘記加熱一次粗氦氣，同時還不能耽誤二級提濃塔底部維持原有的液位水平，這就會給二級提濃塔塔底中的液態(tài)甲烷和液氮在熱交換過程中爭取更多的時間和空間。

4? 優(yōu)化低溫提氦工藝的相關(guān)技術(shù)研究

在二十世紀六七十年代，人們使用的工藝仍舊是克勞特循環(huán)制冷。此工藝耗能高，投入也高。隨著科學技術(shù)的不斷進步，膨脹制冷+氮氣循環(huán)制冷兩塔分離工藝被廣泛地應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)中[5]，該文主要詳細分析后兩個工藝技術(shù)。為了符合低溫法提氦工藝的規(guī)定，原料氣天然氣中要保持一點的含量。因此，原料要在傳送到低溫提氦裝置過程中，醇胺溶液在脫硫脫碳中發(fā)揮重要作用，同樣分子篩也要進行有序合理的深度脫水。該文使用脫硫脫碳以及脫水后的干氣，使用HYSYS軟件計算前后膨脹工藝的模擬數(shù)值，具體的分析結(jié)果如表1所示。

5? 后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦工藝的主要特點

一是雙塔提氦工藝技術(shù)需要與板翅式換熱的通力合作，在整個過程中通過透平膨脹進行制冷，將冷量回收到可以控制的范圍之內(nèi)，將預冷原料天然氣擺在突出重要的位置上，這樣可以有效減少裝置的耗能。二是該工藝是后膨脹制冷，其壓力更高，同時可以根據(jù)膨脹機規(guī)定的要求，將膨脹比進行改進，進而及時調(diào)控好原料氣的預冷溫度[6]。三是此工藝是獨立氮循環(huán)制冷，可以提供大約零下190 ℃的低溫，其制冷系統(tǒng)可以獨立完成作業(yè)環(huán)節(jié)，可以將適應(yīng)作業(yè)條件的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。

6? 結(jié)語

在科技高速發(fā)展的今天，低溫提氦工藝在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。該文著重分析了幾種低溫提氦工藝流程，經(jīng)分析比較后發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建后膨脹+冷凍的氮循環(huán)的制冷兩塔分離，以增加延伸，不斷降低能耗，增強其適應(yīng)性，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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[2] 周璇，周澤乾，黃勇，等.天然氣粗氦分離系統(tǒng)分析與工藝參數(shù)優(yōu)化[J].天然氣與石油，2019，37（4）：38-45.

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[6] 李長俊，張財功，賈文龍，等.天然氣提氦技術(shù)開發(fā)進展[J].天然氣化工（C1化學與化工），2020，45（4）：108-116.