蔣洪 李浩玉 楊冬磊 張興國 馬亦德 潘磊
1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石油塔里木油田分公司油氣田油氣運(yùn)銷事業(yè)部
天然氣乙烷回收是將天然氣中的乙烷及更重組分與甲烷等輕組分進(jìn)行分離,而回收的乙烷、LPG及穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品可顯著提升油田經(jīng)濟(jì)效益。2000年,美國Ortloff公司在氣體過冷工藝 (gas subcooled process,GSP) 基礎(chǔ)上開發(fā)出一種高效乙烷回收工藝——壓縮氣補(bǔ)充精餾工藝 (supplemental rectification with compression,SRC)。2013年, SRC工藝在美國德克薩斯州的一所工廠首先得到成功運(yùn)用, 裝置投產(chǎn)后乙烷回收率達(dá)到98%[1]。SRC乙烷回收流程可提高我國天然氣中乙烷資源回收率和降低凝液回收裝置系統(tǒng)能耗,研究節(jié)能減排的SRC乙烷回收工藝符合我國新時(shí)代提質(zhì)增效的發(fā)展要求及碳達(dá)峰碳中和的新環(huán)保理念。
SRC乙烷回收流程將脫甲烷塔上部抽出部分氣相,通過壓縮機(jī)增壓后與脫甲烷塔塔頂外輸氣換熱冷凝,節(jié)流后進(jìn)入脫甲烷塔頂部提供回流及冷量。回流的脫甲烷塔抽出氣相可對塔頂氣相進(jìn)行精餾,最大限度減少乙烷和較重組分從塔頂?shù)膿p失,提高了乙烷回收率[2-3]。SRC乙烷回收流程見圖1。
表1 原料氣組成項(xiàng)目GPM值①原料氣組成,y/%N2CO2C1C2C3i-C4n-C4i-C5i-C5C6C7C8C9C10貧氣1.530.611.2692.544.450.760.120.120.050.020.020.020.010.010.012.150.612.8988.795.251.570.270.300.120.070.050.050.010.010.012.321.430.9089.246.291.390.250.270.080.070.040.020.010.010.00富氣3.660.560.3786.038.382.750.630.570.270.120.120.080.060.040.024.010.550.2084.988.653.390.570.850.270.200.170.100.030.020.024.761.500.4981.817.973.770.711.300.580.500.400.280.250.230.21超富氣5.340.650.2380.758.355.101.072.070.650.380.330.260.120.020.027.730.150.1573.919.347.342.562.251.501.250.920.450.140.020.029.310.151.0367.889.388.813.194.971.661.410.920.450.140.010.00 注:①GPM(gallons per thousand cubic feet)值是每千標(biāo)準(zhǔn)立方英尺氣體(15.5 ℃,101.325 kPa )中可回收液烴的體積(按加侖計(jì)),用于衡量天然氣氣質(zhì)的貧富。
乙烷回收流程種類繁多,其中Ortloff公司研發(fā)的部分干氣回流工藝(recycle split vapor,RSV)通過引入部分外輸干氣作為脫甲烷塔回流,因具有較高的乙烷回收率而被全世界廣泛應(yīng)用[4-7],故以RSV乙烷回收流程作為參考,研究SRC乙烷回收流程的特性。RSV乙烷回收流程見圖2。
1.2.1原料氣組成
原料氣組成對NGL回收工藝流程形式和各工藝參數(shù)有重要的影響,且原料氣組成存在一定的隨時(shí)間變化特性。為研究SRC及RSV流程在不同原料氣下的特性,本研究選取9組GPM值為1.53~9.31的貧氣、富氣及超富氣,其原料氣流量為500×104m3/d,原料氣壓力為6 000 kPa,原料氣溫度為35 ℃,原料氣組成見表1[8-10]。
1.2.2模擬參數(shù)
為了對不同氣質(zhì)的SRC及RSV乙烷回收流程進(jìn)行比較,模擬的關(guān)鍵控制參數(shù)見表2。選擇Aspen HYSYS軟件和精確度較高的PR狀態(tài)方程進(jìn)行流程模擬[11-12],外部制冷工藝選擇凝液回收工程常用的二級壓縮丙烷制冷+膨脹機(jī)制冷[13]。
表2 模擬的關(guān)鍵控制參數(shù)控制參數(shù)數(shù)值控制參數(shù)數(shù)值脫甲烷塔理論板數(shù)/塊24外輸氣壓力/kPa6 120脫乙烷塔理論板數(shù)/塊20乙烷回收率,w/%≥95壓縮機(jī)/泵絕熱效率/%75換熱器最小換熱溫差/℃≥3乙烷產(chǎn)品w(甲烷)/%<1[14]膨脹機(jī)的等熵效率,%85w(乙烷)/%>97
為了對比RSV、SRC流程的差異,了解SRC的節(jié)能情況,選取9組凝析氣田氣作為研究對象,在保持相同乙烷回收率的情況下,對兩種流程的能耗及工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析,同時(shí)利用Aspen HYSYS自帶的優(yōu)化模塊優(yōu)化得到各流程最佳操作參數(shù),即以總軸功率為目標(biāo)函數(shù);乙烷回收率不低于95%,各冷箱夾點(diǎn)不小于3 ℃為約束條件;以低溫分離器溫度、外輸氣回流比、低溫分離器氣相過冷比、低溫分離器液相過冷比、脫甲烷塔壓力、脫甲烷側(cè)線抽出量及壓縮壓力等為優(yōu)化變量對RSV和SRC流程進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算條件及模擬結(jié)果見表3、表4。
SRC乙烷回收流程是從脫甲烷塔上部抽出部分氣相,通過壓縮機(jī)增壓后與脫甲烷塔塔頂外輸氣換熱冷凝,節(jié)流后進(jìn)入脫甲烷塔頂部提供回流,代替了RSV流程中特有的外輸氣回流。本研究選取了表1中前6種原料氣(貧氣和富氣)進(jìn)行模擬分析。通過模擬分析發(fā)現(xiàn):不同原料氣條件下,參數(shù)低溫分離器氣液相過冷比變化較小,外輸氣回流比、脫甲烷塔壓力等變化較大;SRC流程雖設(shè)置了脫甲烷塔側(cè)線壓縮機(jī),但此壓縮機(jī)的能耗占總能耗比例較小,約為5%;通過對6組貧富氣質(zhì)的模擬分析發(fā)現(xiàn),原料氣為貧氣時(shí),SRC流程總節(jié)能效果更為明顯,但是隨著原料氣氣質(zhì)變富,SRC流程節(jié)能效果變差,總功率需求甚至高于RSV流程。氣質(zhì)越富,脫甲烷塔側(cè)線抽出提供回流冷量不足,低溫分離器氣相過冷比及外部制冷需求量較大等造成總功耗較大。
表3 貧氣條件下RSV、SRC工藝模擬對比GPM值工藝外輸氣回流比/%低溫分離器氣相過冷比/%低溫分離器液相過冷比/%低溫分離器溫度/℃脫甲烷塔壓力/MPa脫甲烷塔側(cè)線抽出量/(kmol·h-1)側(cè)線壓縮機(jī)功率/kW丙烷制冷壓縮機(jī)功率/kW外輸氣壓縮功/kW總軸功率/kW1.53RSV12.318.50-532.82486 0386 286SRC18.00-502.82 7005063815 0585 9452.15RSV13.918.00-513.11 1245 2906 414SRC17.810-483.02 7505501 1694 6766 3852.32RSV14.217.80-472.78986 1297 027SRC17.50-462.62 7986177415 4836 831
表4 富氣條件下RSV、SRC工藝模擬對比GPM值工藝外輸氣回流比/%低溫分離器氣相過冷比/%低溫分離器液相過冷比/%低溫分離器溫度/℃脫甲烷塔壓力/MPa脫甲烷塔側(cè)線抽出量/(kmol·h-1)側(cè)線壓縮機(jī)功率/kW丙烷制冷壓縮機(jī)功率/kW外輸氣壓縮功/kW總軸功率/kW3.66RSV12.718.050-502.82 3055 6947 999SRC18.560-502.72 2234962 420 5 1337 9494.01RSV16.017.425-452.72 5625 7248 286SRC19.00-472.62 4305762 7035 0928 3714.74RSV11.216.80-442.32 2666 7739 039SRC19.00-452.21 8005852 5316 4479 563
SRC流程的改進(jìn)思路是保留SRC乙烷回收流程特有的脫甲烷塔側(cè)線抽出壓縮過冷回流,借鑒RSV乙烷回收流程特征,將部分外輸氣送入塔頂換熱器冷凝后,節(jié)流閃蒸作為回流進(jìn)入脫甲烷塔頂部,構(gòu)成一個(gè)以甲烷為主的制冷循環(huán),極大地增強(qiáng)脫甲烷塔塔頂?shù)木s效果,最大限度地減少乙烷及較重組分從塔頂?shù)膿p失,提高了乙烷回收率,形成一個(gè)側(cè)線抽出壓縮回流與外輸氣回流的雙回流低溫系統(tǒng)。丙烷制冷的RSV流程圖見圖3,丙烷制冷的SRC流程改進(jìn)工藝SRCR的流程圖見圖4。
為研究SRCR乙烷回收流程的特性,選取6組富氣和超富氣,以典型的RSV工藝為參考,研究乙烷回收工藝中SRCR工藝應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性及熱力學(xué)特性。
3.1.1資本投資預(yù)算比較
乙烷回收工藝主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、塔、分離器、換熱器等,利用HYSYS自帶的經(jīng)濟(jì)分析軟件Aspen Process Economic Analyzer(APEA)以美元估算乙烷回收工藝的投資。由于乙烷回收工藝中存在多股流的熱交換器-冷箱,考慮到多股物流的板翅式換熱器的翅片類型、流道個(gè)數(shù)等都與換熱器成本息息相關(guān),不能簡單地進(jìn)行成本估算,因此本研究利用Aspen Exchanger Design and Rating(Aspen EDR)先對冷箱進(jìn)行板翅式換熱器設(shè)計(jì),再利用APEA軟件預(yù)算冷箱的成本[15-16]。鑒于篇幅限制,文中僅展示GPM值為4.01時(shí)設(shè)計(jì)的板翅式換熱器,RSV和SRCR流程中多股流板翅式換熱器尺寸及幾何結(jié)構(gòu)分別見圖5、圖6。
改進(jìn)的SRCR流程新增壓縮機(jī)及管道等附屬設(shè)備[17],不同組成的工藝流程設(shè)備尺寸、數(shù)量等存在差異,進(jìn)而投資成本有所不同,故本研究利用APEA經(jīng)濟(jì)分析軟件計(jì)算的RSV及SRCR流程總資本投資成本見表5。由表5可得,隨著GPM的不斷增大,兩工藝總投資不斷增加,且增加趨勢逐漸減緩。但由于乙烷回收工藝投資主要是壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等設(shè)備成本,SRCR流程總資本成本較高,較RSV流程總資本成本平均高出3.27百萬美元。
表5 不同氣質(zhì)工況下RSV和SRCR流程總資本投資成本GPM值總資本成本/百萬美元RSVSRCR3.6633.9838.114.0135.6739.154.7636.8440.105.3438.5042.017.7241.7644.299.3143.4546.16
3.1.2操作成本預(yù)算對比
操作成本為裝置運(yùn)行時(shí)的能源利用成本,主要分為可變操作成本和固定操作成本??勺儾僮鞒杀景ㄔ蠚赓M(fèi)用、公用工程(電力、導(dǎo)熱油、冷卻水)成本;固定操作成本主要包括維護(hù)和修理費(fèi)用、員工工資支出。表6詳細(xì)列出了本研究中使用的操作成本參數(shù)??偟牟僮鞒杀?total operation cost,TOC)為原料氣成本、公用工程成本、維護(hù)及修理成本以及工資支出等的總和[18-19]。
表6 操作成本參數(shù)運(yùn)行參數(shù)假設(shè)值運(yùn)行參數(shù)假設(shè)值原料氣成本/(美元·m-3)0.167乙烷產(chǎn)品價(jià)格/(美元·kg-1)0.32電費(fèi)/(美元·(kW·h)-1)0.115C3+凝液價(jià)格/(美元·kg-1)0.32 冷卻水成本/(美元·MJ-1)4 729.8外輸氣價(jià)格/(美元·m-3)0.167 導(dǎo)熱油成本/(美元·MJ-1)250.6 平均工資/((美元·人-1·年-1)(12人))50 000 年操作時(shí)間/h8 000維護(hù)和修理(FCI①)/百萬美元0.112 注:①FCI指工藝裝置固定資本投資,約為0.87倍的總資本投資成本。
本研究中乙烷回收裝置處理規(guī)模均為500×104m3/d,故不同氣質(zhì)工況下SRCR和RSV乙烷回收裝置每年原料氣成本均相同,原料氣成本為278.33 百萬美元/年,平均工資支出0.6 百萬美元/年。其中,原料氣成本、電能、維修成本為主要的操作成本。
本研究中乙烷回收流程操作成本按大小依次為原料氣成本、電費(fèi)、維護(hù)及維修成本、導(dǎo)熱油成本和冷卻水成本,不同氣質(zhì)工況下RSV及SRCR流程的總操作成本見表7。由表7可得,隨著原料氣GPM值的不斷增大,總操作成本整體呈上升趨勢,SRCR改進(jìn)流程總操作成本均低于基礎(chǔ)RSV流程,氣質(zhì)條件不同,SRCR流程操作成本節(jié)能趨勢不同,SRCR改進(jìn)流程年總操作成本約減少4.39百萬美元。公用工程(電能、導(dǎo)熱油、冷卻水)增加主要為電能及導(dǎo)熱油成本增加。由于氣質(zhì)越富,制冷循環(huán)量增大,進(jìn)而導(dǎo)致冷卻水成本不斷增加,但冷卻水成本占總成本比例較小,主要是因?yàn)殡S著原料氣氣質(zhì)變富,制冷循環(huán)壓縮機(jī)壓縮功增加,脫乙烷塔塔底重?zé)N增加,重沸器負(fù)荷增加,進(jìn)而造成電能及導(dǎo)熱油成本不斷增加,不同氣質(zhì)工況下RSV及SRCR流程的公用工程成本見圖7。
表7 不同氣質(zhì)工況下RSV和SRCR流程總操作成本GPM值總操作成本/(百萬美元·年-1)RSVSRCR3.66293.65290.144.01295.79291.684.76296.54292.235.34297.45293.127.72300.23295.029.31301.12296.27
3.1.3利潤分析對比
本研究利用不同的經(jīng)濟(jì)收益評估方法分析該項(xiàng)目的收益情況,主要包括凈利潤、投資回報(bào)率(return on investment,ROI)、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值(financial net present value,FNPV)及回收期[20]。對于利潤評估,我們假設(shè)處理裝置運(yùn)行周期為20年,其中包含2年啟動(dòng)及建設(shè)時(shí)間,稅率為30%,稅后凈利潤為總利潤減去稅收,總利潤為總收益減去總操作生產(chǎn)費(fèi)用。其中,每年凈利潤為每年總收入減去每年總的運(yùn)行成本。
ROI為每年凈利潤對總資本成本的百分比,ROI計(jì)算公式見式(1)。
(1)
財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是評價(jià)技術(shù)方案盈利能力的絕對指標(biāo)。當(dāng)FNPV≥0時(shí),說明技術(shù)方案至少能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平,該技術(shù)方案可行;當(dāng)FNPV<0時(shí),說明該技術(shù)方案不滿足基準(zhǔn)收益率,該技術(shù)方案財(cái)務(wù)上不可行,F(xiàn)NPV計(jì)算公式見式(2)。
(2)
式中:CI、CO分別為現(xiàn)金流入和流出,美元;ic為基準(zhǔn)收益率,%;N代表工作年限,年。
回收期代表收回投資所需要的年限,為總投資成本額與每年現(xiàn)金凈流量之比,見式(3):
(3)
資本和操作成本之間的權(quán)衡是選擇最佳工藝方案的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。因此,計(jì)算項(xiàng)目的盈利情況非常重要。在不同氣質(zhì)工況下,RSV及SRCR工藝流程的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果見表8。由表8可得,各工藝條件下RSV及SRCR工藝流程的技術(shù)方案均能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平,同時(shí)項(xiàng)目投資回報(bào)率較大,投資回報(bào)時(shí)間較短。
3.2.1綜合能耗分析
基于熱力學(xué)第一定律的能量分析方法,可分析揭示各裝置或設(shè)備能量在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況。由于重沸器、壓縮機(jī)采用不同形式的能源,且各能源的獲取代價(jià)不同,故不能進(jìn)行簡單的功率比較。本研究采用我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6331-2013《氣田地面工程設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)規(guī)范》中的綜合能耗分析方法,量化分析乙烷回收流程的用能情況,即將流程中各種用能折算為當(dāng)量能耗,累積得到整個(gè)流程的綜合能耗[21]。綜合能耗計(jì)算方法見式(4)。
表8 不同氣質(zhì)工況下RSV及SRCR流程的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果項(xiàng)目GPM值RSVSRCR總利潤/百萬美元凈利潤/百萬美元投資回報(bào)率/%FNPV/百萬美元回收期/年總利潤/百萬美元凈利潤/百萬美元投資回報(bào)率/%FNPV/百萬美元回收期/年富氣3.6626.6318.6454.8586.321.8230.6521.4656.3165.211.784.0166.5746.60130.63111.840.7770.7049.49126.41106.750.794.7678.1654.71148.51251.020.6795.2366.66166.23265.100.60超富氣5.34108.7576.12197.72370.820.51113.1779.22188.57367.410.537.72179.15125.40300.3023.810.33184.29129.00291.27827.770.349.31232.04162.43373.821 159.390.27236.59165.61358.781 164.470.28
(4)
式中:E為全工藝的綜合能耗,kW;ei為能源i的能量消耗,kW;pi為能源i轉(zhuǎn)換為當(dāng)量能耗的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
通過模擬計(jì)算可得,改進(jìn)流程SRCR較原有RSV流程節(jié)能,主要是因?yàn)槠渫廨敋鈮嚎s機(jī)及制冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗較低。改進(jìn)流程SRCR增加了脫甲烷塔側(cè)線壓縮機(jī),進(jìn)一步增強(qiáng)了原料氣輕重組分分離效果,減少了外輸氣回流量,增加了脫甲烷塔塔頂進(jìn)料物流的甲烷含量。相同氣質(zhì)工況下,對于投資成本指標(biāo),改進(jìn)的SRCR投資約大于RSV乙烷回收工藝(約3.27百萬美元);對于運(yùn)行成本指標(biāo)來說,改進(jìn)的SRCR流程的最大外輸氣回流量僅為RSV流程外輸氣回流量的64.38%,極大地減少了外輸氣壓縮功,同時(shí),由于新增的脫甲烷側(cè)線壓縮機(jī)壓力比較小,能耗較低,僅占總能耗的5%左右,故節(jié)約了能耗。綜合RSV和SRCR流程的投資成本、運(yùn)行成本可得,改進(jìn)的SRCR流程每年凈利潤大于RSV工藝,具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。不同原料氣氣質(zhì)工況下,SRCR及RSV工藝流程綜合能耗見圖8。
3.2.2火用分析
基于熱力學(xué)第一、二定律結(jié)合的火用分析方法,可評價(jià)整個(gè)乙烷回收工藝用能系統(tǒng)能量品位及用能效率,揭示流程中不可逆性發(fā)生的位置及數(shù)量,以判斷流程能量利用的合理程度及改進(jìn)潛力(以101.325 kPa、298.15 K為環(huán)境基準(zhǔn)態(tài))[22-25]。單位流量物流的總火用計(jì)算式見式(5)。
(5)
其中,物流物理火用和化學(xué)火用計(jì)算式分別為:
(6)
(7)
式中:h、h0分別為物流實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的焓,kJ/mol;s、s0分別為物流實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的熵,J/K;T0分別為環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的溫度,K;xi為混合體系中i組分的摩爾分?jǐn)?shù),%;eiθ為i物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)火用,kJ/kg;R為通用氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K)。
根據(jù)火用分析計(jì)算公式計(jì)算的RSV及SRCR工藝流程總火用損及總火用效率,見表9。SRCR工藝流程總的火用損小于RSV工藝流程,總火用效率基本大于RSV工藝流程,在不同原料氣氣質(zhì)工況下,改進(jìn)的SRCR工藝流程較RSV工藝火用損平均降低774.68 kW,隨著原料氣GPM值不斷增大,火用效率最大可提高2.47%。
表9 不同氣質(zhì)工況下RSV及SRCR流程總的火用損及火用效率項(xiàng)目GPM值RSVSRCR總火用損/kW總火用效率/%總火用損/kW總火用效率/%富氣3.668 564.6573.127 965.3274.364.019 157.4573.618 433.1674.854.769 684.2573.639 123.6174.68超富氣5.3410 393.0173.719 837.9174.547.7212 917.1073.9012 124.0874.109.3114 178.3673.3412 762.6875.81
針對富氣條件下SRC乙烷回收流程能耗高、適應(yīng)性差等缺點(diǎn),提出了改進(jìn)的SRCR工藝,采用經(jīng)濟(jì)及熱力學(xué)分析方法評估分析結(jié)果如下:
(1) 針對深冷乙烷回收工藝的關(guān)鍵設(shè)備板翅式換熱器,本研究首先采用Aspen EDR對各工藝中冷箱進(jìn)行板翅式換熱器設(shè)計(jì),繼而精確估算冷箱設(shè)備的投資成本。設(shè)計(jì)核算分析發(fā)現(xiàn),冷箱投資成本與換熱物流數(shù)目密切相關(guān),不同原料氣氣質(zhì)條件下RSV及SRCR工藝流程中相應(yīng)的板翅式換熱器結(jié)構(gòu)基本相同,稍有差異。
(2) 改進(jìn)的SRCR工藝流程新增小型設(shè)備壓縮機(jī),投資成本略高于RSV乙烷回收工藝流程,但是改進(jìn)的SRCR工藝運(yùn)行成本低于參考的RSV乙烷回收工藝,每年平均約減少4.39百萬美元;本研究中各工藝方案FNPV均大于零,能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平,投資回報(bào)率較大,投資回報(bào)時(shí)間較短,同時(shí)氣質(zhì)越富,投資回報(bào)時(shí)間顯著下降。
(3) SRC改進(jìn)流程SRCR通過增加脫甲烷塔側(cè)線壓縮機(jī)富集了脫甲烷塔塔頂進(jìn)料物流的甲烷含量,降低了外輸氣回流量,在相同氣質(zhì)工況下,最大外輸氣回流量僅為RSV流程的64.38%。與RSV工藝相比,改進(jìn)的SRCR工藝流程火用損平均降低了774.68 kW,火用效率最大可提高2.47%,具有一定的節(jié)能效果。
(4) 改進(jìn)的SRCR乙烷回收流程可設(shè)置外輸氣回流閥以控制外輸氣回流量,當(dāng)處理工質(zhì)為貧氣時(shí),可關(guān)閉該閥,以SRC流程形式運(yùn)行;當(dāng)處理工質(zhì)為富氣時(shí),可打開該閥,以改進(jìn)流程運(yùn)行,進(jìn)而節(jié)約能源。