DHX工藝輕烴合格率低問題分析及工藝優(yōu)化

鄒浪 李寶強(qiáng) 殷珠輝 袁標(biāo)

1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司

輕烴回收是具有良好經(jīng)濟(jì)效益的一種天然氣加工工藝，不僅可以降低油氣損耗，提高資源綜合利用程度，獲得液態(tài)烴資源的更大價(jià)值，還能保證天然氣在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸過程中的安全性，減少大氣污染，對提高天然氣的整體經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[1]。

輕烴回收的工藝方法基本上可分為吸附法、油吸收法及冷凝分離法[2-4]，其中冷凝分離法是最常用的回收方法。該方法是利用一定壓力下天然氣中各組分的冷凝溫度不同，將天然氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，得到富含較重?zé)N類的凝液，從而使沸點(diǎn)較高的烴類從氣體中分離出來[5-8]。

某終端生產(chǎn)裝置包括段塞流捕集及凝析油穩(wěn)定、分子篩干燥脫水、凝液深冷分離、凝液分餾、凝液儲(chǔ)運(yùn)等設(shè)施。投產(chǎn)至今，在高負(fù)荷狀態(tài)下，天然氣制冷單元直接換熱(direct heat exchange， DHX)工藝一直存在輕烴回收率與合格率均低的問題，面對液化石油氣廣泛的應(yīng)用前景和顯著的開發(fā)效益，解決該問題迫在眉睫[9-10]。

1 DHX工藝系統(tǒng)概況

某終端天然氣制冷單元DHX工藝采用膨脹機(jī)制冷工藝[11-12]、優(yōu)化重接觸塔及脫乙烷塔換冷工藝，并采用多股流板翅式換熱器，對天然氣及凝液復(fù)熱，并充分回收冷量，降低了裝置運(yùn)行能耗，C3+設(shè)計(jì)收率達(dá)到 99%，為國內(nèi)外同類裝置先進(jìn)水平。原料氣組成如表1所列。

表1 某終端天然氣組成%組分摩爾分?jǐn)?shù)組分摩爾分?jǐn)?shù)甲烷85.6戊烷及以上烴類2.5乙烷5.5二氧化碳3.8丙烷1.5氮?dú)?.6丁烷0.5

一期第一階段建設(shè)2套處理規(guī)模為39×104m3/h、適應(yīng)波動(dòng)范圍為(24～48)×104m3/h 的天然氣處理裝置，主要包括脫水單元、制冷單元和分餾單元。工作原理主要是利用天然氣各組分在不同壓力下冷凝點(diǎn)的不同來實(shí)現(xiàn)分離C1、C2和輕烴組分，利用輕烴冷凝點(diǎn)高于C1和C2的物理特性，采用節(jié)流降溫或者膨脹降溫的方法使天然氣制冷，達(dá)到輕烴的冷凝點(diǎn)，從而分離出氣相的C1、C2和液態(tài)的輕烴[13]。制冷單元工藝流程如圖1所示，脫水后的天然氣進(jìn)冷箱與重接觸塔塔頂氣、塔底液及低溫分離器來液換熱后進(jìn)入低溫分離器。低溫分離器分出的氣相進(jìn)膨脹壓縮機(jī)組的膨脹端，然后進(jìn)入重接觸塔底部；低溫分離器分出的液相節(jié)流后，再經(jīng)冷箱復(fù)熱進(jìn)脫乙烷塔中部。重接觸塔塔頂氣經(jīng)冷箱換熱后進(jìn)膨脹壓縮機(jī)增壓端，增壓后經(jīng)重接觸塔塔底增壓泵提升，在冷箱中換熱后進(jìn)脫乙烷塔頂部。脫乙烷塔塔頂氣進(jìn)冷箱部分冷凝后進(jìn)入脫乙烷塔塔頂回流罐，分出的凝液經(jīng)脫乙烷塔塔頂回流泵提升后作為脫乙烷塔塔頂回流液，未凝氣與重接觸塔塔頂氣換熱后返回重接觸塔上部，脫乙烷塔塔底液節(jié)流后進(jìn)入下游分餾單元。

2 裝置現(xiàn)狀與存在的主要問題

終端投產(chǎn)后，在高負(fù)荷狀態(tài)下，存在C3+回收率低及液烴產(chǎn)品不合格、制冷單元系統(tǒng)易回溫、操作穩(wěn)定性差等問題，裝置天然氣處理能力僅為設(shè)計(jì)能力(48×104m3/h)的79%，液烴產(chǎn)品質(zhì)量均沒有達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，裝置處理量超過40×104m3/h后，LPG質(zhì)量合格率降低至95%以下，并且隨著裝置處理量的持續(xù)增加，問題會(huì)越發(fā)明顯，集中體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 DHX工藝處理量接近設(shè)計(jì)值時(shí)輕烴合格率低

逐漸提高單套制冷單元處理量，增大膨脹機(jī)噴嘴開度，減小J-T閥開度，調(diào)整膨脹機(jī)膨脹比，調(diào)整F流道溫度，控制重接觸塔壓力、溫度及干氣壓縮機(jī)入口壓力趨近至設(shè)計(jì)值，觀察到重接觸塔液相流量、脫乙烷塔塔頂液相回流量逐漸增加，脫乙烷塔塔底液相溫度逐漸降低，脫乙烷塔塔底重沸器導(dǎo)熱油溫控閥開度逐漸增大。

隨著脫乙烷塔塔底溫度的波動(dòng)，制冷單元熱平衡被打破，制冷單元開始回溫，制冷單元輕烴至分餾單元C2組分含量超高，導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品不合格，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)DHX工藝系統(tǒng)處理量接近設(shè)計(jì)值時(shí)，輕烴產(chǎn)品合格率低。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性差

通過凝液回收，從中得到高附加值產(chǎn)品，不僅可減少損失，并且還可以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[14]。在裝置處理量接近設(shè)計(jì)值的情況下，為保證輕烴產(chǎn)品合格率，須升高制冷單元的溫度，調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)。操作實(shí)踐表明，隨著制冷溫度的升高，輕烴產(chǎn)品回收率開始降低。

此外，重接觸塔、脫乙烷塔對壓力溫度的變化十分敏感，正常的分子篩切換、負(fù)荷調(diào)整等外部條件的變化，容易引起制冷單元的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)回溫、輕烴產(chǎn)品不合格，系統(tǒng)操作穩(wěn)定性差，如圖2所示。

3 原因分析

通過總結(jié)制冷單元DHX工藝的運(yùn)行情況，對比分析國內(nèi)同類輕烴回收裝置的工藝流程及操作要點(diǎn)，對導(dǎo)致某終端制冷單元DHX工藝出現(xiàn)輕烴產(chǎn)品回收率與合格率低的原因作如下分析。

3.1 冷箱A流道出口溫度波動(dòng)大且冷量吸收不足

原料氣溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的改變而波動(dòng)，表2是2020年8月中某一天內(nèi)環(huán)境溫度變化對C3+C4回收率的影響，發(fā)現(xiàn)C3+C4回收率隨原料氣溫度的降低而增加[15]。制冷單元A流道出口溫度直接影響J-T閥或膨脹機(jī)入口溫度，這個(gè)溫度也決定了制冷單元的制冷深度，隨著環(huán)境溫度升高和F流道負(fù)荷影響，A流道會(huì)表現(xiàn)出冷量吸收不足，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)整體溫度升高，從而直接影響制冷單元DHX工藝的輕烴產(chǎn)品的合格率。制冷深度越低，輕烴產(chǎn)品的合格率越高，反之亦然。

表2 環(huán)境溫度對C3+C4回收率的影響時(shí)間環(huán)境溫度/℃A流道出口溫度/℃C3+C4回收率/%8:0020-329610:0024-319512:0030-289214:0032-269016:0029-299318:0026-309520:0024-319522:0022-32960:0020-33952:0019-32974:0020-32966:0020-3396

3.2 制冷單元處理量波動(dòng)大

某終端在上游配產(chǎn)變化與下游調(diào)峰時(shí)(尤其是節(jié)假日與夜間)，制冷單元入口流量會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，最大調(diào)峰變化量超過5×104m3/h，影響系統(tǒng)平穩(wěn)。在系統(tǒng)波動(dòng)過程中，制冷單元DHX系統(tǒng)的溫度會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，系統(tǒng)通過量有較大增加時(shí)，系統(tǒng)溫度會(huì)升高，其中最為關(guān)鍵是導(dǎo)致脫乙烷塔的操作溫度發(fā)生擾動(dòng)，從而導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品合格率降低。而系統(tǒng)溫度降低趨于穩(wěn)定的過程大概需要2～3 h。

3.3 制冷單元各液位、溫度變送器可靠性差，造成冷箱各物料波動(dòng)

低溫分離器、重接觸塔、脫乙烷塔塔頂回流罐液位變送器的可靠性差，造成液位控制閥波動(dòng)，進(jìn)入冷箱換熱的物料流量時(shí)大時(shí)小，影響各流道之間的正常換熱，由于脫乙烷塔進(jìn)料來自3個(gè)流道，每個(gè)流道的微小波動(dòng)都會(huì)影響脫乙烷塔塔底重沸器的液位，造成脫乙烷塔塔底重沸器溫度控制波動(dòng)，脫乙烷塔塔底溫度決定輕烴產(chǎn)品的質(zhì)量，但并非越高越好，而是存在一個(gè)極限值。當(dāng)塔底溫度超過此極值時(shí)，不僅不能提高丙烷回收率，相反還會(huì)使能耗大大增加。因此，需要綜合考慮對丙烷收率和塔底熱負(fù)荷的影響，確定合適的脫乙烷塔塔底溫度[16]，過高時(shí)液烴產(chǎn)品質(zhì)量好，但回收率低；如果溫度低，會(huì)影響液烴產(chǎn)品的質(zhì)量。在決定塔底溫度時(shí)，從塔底液體出口取樣分析液體C2的摩爾分?jǐn)?shù)，保證其不超過3%。

3.4 冷箱流道凍堵、臟堵，影響各流道換熱

冷箱各流道在上游分子篩失效情況下，易出現(xiàn)流道凍堵。系統(tǒng)內(nèi)長期運(yùn)行產(chǎn)生的雜質(zhì)有可能在冷箱流道中聚集，將流道堵塞，造成冷箱流道差壓增大，影響換熱效果，最終導(dǎo)致脫乙烷塔及重接觸塔的塔壓和塔底溫度升高，表3是冷箱流道換熱效率核算表。而脫乙烷塔的操作壓力決定輕烴產(chǎn)品的質(zhì)量，操作壓力偏低時(shí)，液烴產(chǎn)品質(zhì)量好，但回收率低；壓力過高，輕組分不易蒸出去，將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

表3 冷箱流道換熱效率核算表設(shè)計(jì)參數(shù)臟堵后實(shí)際運(yùn)行參數(shù)冷箱流道進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW進(jìn)出口差壓/MPa進(jìn)口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/kW進(jìn)出口差壓/MPa換熱效率降低幅度/%A29-4021 6050.0629-3620 3530.105.80B-56108940.03-5257740.0513.47C-73-108 8910.06-71-167 7450.0912.89D-752222 7240.06-731620 8500.098.25E-39-705 5830.03-38-675 3000.075.07F-25-395 0580.03-25-374 2330.0516.32

4 解決方案

通過以上原因分析，采取優(yōu)化原設(shè)計(jì)操作、對關(guān)鍵儀器儀表重新校核選型、制定新的運(yùn)行制度等方式，對制冷單元DHX工藝處理能力及相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析測試，最終解決了制冷單元DHX工藝輕烴產(chǎn)品合格率低的問題，具體措施如下。

4.1 調(diào)高冷箱F流道出口溫度設(shè)定值，保證冷箱A流道吸收充足冷量

圖3是冷箱內(nèi)部換熱流程圖。由圖3可以看出，A流道的出口換熱主要由B、C、D流道提供冷量，F(xiàn)流道通過影響C流道間接影響A流道。

脫乙烷塔塔底重沸器溫度升高導(dǎo)致脫乙烷塔塔頂溫度升高，脫乙烷塔塔頂溫度升高導(dǎo)致F流道溫度升高，從而導(dǎo)致C流道溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致A流道溫度升高，最終促使低溫分離器和重接觸塔溫度升高，影響制冷單元DHX工藝系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化。

設(shè)計(jì)要求冷箱F流道出口溫度控制在-39 ℃，自動(dòng)控制下F流道物料全部進(jìn)入冷箱吸收C流道冷量，導(dǎo)致C流道進(jìn)入A流道時(shí)溫度較高，促使A流道吸收冷量不足，溫度上升，造成了制冷單元DHX工藝系統(tǒng)出現(xiàn)回溫，進(jìn)而導(dǎo)致輕烴產(chǎn)品不合格和回收率偏低。

因此，穩(wěn)定控制A流道溫度，使A流道溫度足夠低，才能維持制冷單元冷量。

故當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)回溫時(shí)，提高F流道溫度控制閥設(shè)定值，即讓F流道更多物料走旁通而不經(jīng)過冷箱，盡可能將C流道的冷量提供給A流道換熱，保證A流道有足夠的冷量，當(dāng)A流道吸收足夠的冷量后，其溫度將會(huì)慢慢降低，由于A流道為整個(gè)制冷單元DHX工藝系統(tǒng)的起點(diǎn)，當(dāng)其溫度降低后，整個(gè)系統(tǒng)的溫度將會(huì)慢慢趨于穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證該方案是否有效，調(diào)高冷箱F流道出口溫度設(shè)定值，冷箱A流道出口溫度是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值，多次對制冷A單元DHX工藝系統(tǒng)出現(xiàn)回溫時(shí)的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行追蹤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整后A流道出口溫度明顯降低，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表4 F流道溫度控制閥設(shè)定值調(diào)整實(shí)施情況對比實(shí)施目標(biāo)實(shí)施情況采取將F流道溫度控制閥設(shè)定值提高,即讓F流道更多物料走旁通而不經(jīng)過冷箱,盡可能將C流道的冷量提供給A流道換熱實(shí)施前A流道經(jīng)換熱后溫度變化/℃實(shí)施后A流道經(jīng)換熱后溫度變化/℃換熱前換熱后換熱前換熱后30-2630-40

4.2 分子篩切換過程中增加兩塔吸附環(huán)節(jié)，保證制冷單元入口溫度穩(wěn)定

脫水單元分子篩干燥器在由再生冷吹流程切換為兩塔吸附流程時(shí)，由中控與現(xiàn)場人員配合，在兩塔吸附流程停留一段時(shí)間，直至分子篩干燥器出口溫度開始降低，現(xiàn)場人員再繼續(xù)按時(shí)序切換分子篩至正常吸附流程。確保分子篩切換時(shí)制冷單元入口溫度變化不超過5 ℃,保證制冷單元入口溫度穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證該方案是否有效，在分子篩切換過程能否有效將制冷單元入口溫度控制在5 ℃之內(nèi)，多次對分子篩切換過程進(jìn)行跟蹤記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所列。由表5可知，增加兩塔吸附環(huán)節(jié)后，制冷單元入口溫度變化幅度明顯降低，為DHX工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。

表5 控制分子篩切換過程實(shí)施情況對比實(shí)施目標(biāo)實(shí)施情況在分子篩切換過程將制冷單元入口溫度控制在5 ℃之內(nèi)實(shí)施前分子篩切換時(shí)制冷單元入口溫度變化/℃實(shí)施后分子篩切換時(shí)制冷單元入口溫度變化/℃切換前切換后切換前切換后24362427

4.3 控制下游調(diào)峰幅度，保證制冷單元流程平穩(wěn)

結(jié)合制冷單元運(yùn)行情況，制定出某終端調(diào)峰能力表，與下游用戶溝通，提前做出調(diào)峰計(jì)劃，確保某終端配合下游調(diào)峰時(shí)，最大變化量不超過2×104m3/h。

4.4 優(yōu)化液位控制，確保DHX工藝系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行

分析制冷單元DHX工藝系統(tǒng)液位出現(xiàn)較大波動(dòng)的原因?yàn)橐何豢刂葡到y(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)跳變。經(jīng)技術(shù)分析得出，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)橐何蛔兯推鬟x型不當(dāng)，此液位計(jì)不適用于當(dāng)前工況。

針對制冷單元低溫特點(diǎn), 重新計(jì)算介質(zhì)密度，對低溫分離器、重接觸塔液位變送器進(jìn)行選型，更換穩(wěn)定性高的液位變送器。經(jīng)過長時(shí)間觀察，更換液位變送器后，低溫分離器、重接觸塔液位控制平穩(wěn)，調(diào)節(jié)閥開度穩(wěn)定，冷箱各流道充分換熱。

4.5 冷箱流道爆破吹掃

針對冷箱流道因凍堵、臟堵而影響各流道換熱的情況，對冷箱各流道進(jìn)行爆破吹掃，為驗(yàn)證爆破結(jié)果的有效性，記錄了爆破后不同通過量下冷箱A流道的差壓，并與爆破前的差壓對比，圖4為爆破前后差壓對比圖。由圖4可知，爆破后A流道差壓明顯降低。本次爆破效果顯著，爆破后冷箱各流道通過性明顯好轉(zhuǎn)，A流道出口溫度由-36 ℃下降至-39 ℃，熱負(fù)荷增加939 kW，換熱效率提升4.62%。

5 取得成果分析

對采取上述措施后的實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證，并跟蹤了輕烴產(chǎn)品中C3+C4回收率變化情況，如圖5所示。由圖5可知，單套制冷滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行90天，輕烴產(chǎn)品中C3+C4回收率始終大于95%，解決了制冷單元最大負(fù)荷運(yùn)行工況下輕烴產(chǎn)品不合格的問題。

6 結(jié)語

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)操作、對關(guān)鍵儀器儀表重新校核選型、制定新的工作制度等方式，成功解決了制冷單元輕烴產(chǎn)品不合格問題，輕烴產(chǎn)品回收率由87%提升至94%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，還解決了制冷單元處理能力達(dá)不到設(shè)計(jì)值的問題，實(shí)施改進(jìn)措施后，在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，制冷單元DHX工藝輕烴產(chǎn)品合格率始終達(dá)標(biāo)。本研究所運(yùn)用的分析思路和解決措施，可為類似輕烴產(chǎn)品回收裝置的故障處理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。