低壓天然氣乙烷回收流程高級?分析

摘" " " 要：針對SRC工藝進(jìn)行低壓天然氣乙烷回收時存在流程能耗高及熱集成度低的問題，采用常規(guī)?和高級?分析方法對工藝進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)主冷冷箱?損失大、可避免?損和外源性?損占占總?損的比例最大，確定主冷冷箱改進(jìn)潛力最大。通過增設(shè)預(yù)冷冷箱及將主冷箱與過冷冷箱結(jié)合的方法改變流程換熱網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)后能耗降966.9 kW。

關(guān)" 鍵" 詞：低壓貧氣；精餾原理；高級?；乙烷回收

中圖分類號：TQ221.12" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0665-04

天然氣乙烷回收是指將乙烷及以上重組分以液態(tài)的方式進(jìn)行回收。為深入貫徹提質(zhì)增效工作，天然氣乙烷項目在國內(nèi)各大油氣田不斷開展[1-2]。

國內(nèi)常用的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將原料氣壓力小于" " "4 MPa的天然氣稱為低壓天然氣。乙烷回收時需要的制冷溫位低且冷量需求大，而原料氣壓力較低導(dǎo)致可利用壓力能過少，制冷方式的能耗占比較大，流程主冷箱的熱集成度對系統(tǒng)能耗影響很大，但國內(nèi)外鮮有采用高級?法對流程進(jìn)行熱力學(xué)分析。

1" 乙烷回收工藝流程

1.1" SRC工藝

典型SRC乙烷回收流程如圖1所示。

SRC流程主要特征為原料氣通過主冷箱降溫后進(jìn)入低溫分離器，分離出的部分氣相過冷后進(jìn)入脫甲烷塔上部。脫甲烷塔塔盤上的部分氣相被抽出，通過脫甲烷塔側(cè)線壓縮機(jī)增壓、與脫甲烷塔頂外輸氣換熱并節(jié)流過冷后進(jìn)入脫甲烷塔塔頂提供冷凝 回流。

2" 能耗分析與?分析

2.1" ?分析模型

?分析方法是指采用?分析模型和?平衡方程對設(shè)備進(jìn)行?能分析，本文利用灰箱法對SRC工藝系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行用能以及能量損失分析，僅考慮物流的物理?[3-5]。每股物流的物理?和設(shè)備的?損表達(dá)式分別見式（1）、表1。

其中環(huán)境溫度T0=198 K，環(huán)境壓力101.325 kPa。

2.2" 流程模擬和計算

本文選取低壓貧氣采用HYSYS對SRC流程進(jìn)行模擬分析，氣液平衡模型和熵焓模型分別選用PR方程、LK方程，主要控制參數(shù)見表2，原料氣氣質(zhì)組成見表3，3種乙烷回收工藝的?分析結(jié)果見表4。

由表4可見，在各項?損失比例中以脫甲烷塔所占比例最大，為總?損失的45%左右。其次為壓縮機(jī)與主冷箱，分別占總?損失的24.7%與12.41%。

2.3" 高級?分析

由?分析方法可分析出乙烷回收工藝中各個設(shè)備的?損失，但是并不能明確地提出改進(jìn)方向，因此需要通過高級?分析針對乙烷回收工藝中的各個設(shè)備的?損失進(jìn)行分類，確定?損失中的可避免?損失大小。通過高級?分析研究不同集成方式的乙烷回收工藝以選擇最優(yōu)的集成方式，從而降低能耗，減小?損失。

2.3.1" 可避免及不可避免?損失

在乙烷回收工藝中，一些設(shè)備的不可逆損失的產(chǎn)生由于技術(shù)或者經(jīng)濟(jì)條件的限制，由技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件限制所產(chǎn)生的?損失為不可避免?損[6-7]。在實際分析中，需要根據(jù)設(shè)備費用、當(dāng)前的技術(shù)條件等因素來合理假設(shè)各個設(shè)備的不可避免的?損失條件。本文關(guān)鍵設(shè)備不可逆條件和不可避免?損失表達(dá)式分別見式（2）、表5。

2.3.2" 內(nèi)源性及外源性?損失

對于乙烷回收工藝中的每個設(shè)備，根據(jù)?損失是否由其他設(shè)備或者自身引起的將?損失分為內(nèi)源性?損失與外源性?損失[8-10]。本文采用工程圖法計算設(shè)備的內(nèi)源性?損，圖 2展示了計算內(nèi)源性?損失的原理圖。

若要計算乙烷回收工藝中的某一設(shè)備的內(nèi)源性?損失，則需要計算出兩組總?損失與除該設(shè)備之外的總?損失。其中一組數(shù)據(jù)可以根據(jù)傳統(tǒng)?分析得到。另外一組數(shù)據(jù)則需要保持該設(shè)備運行狀態(tài)不變，通過改變其他設(shè)備的運行狀態(tài)來獲得第二組數(shù)據(jù)。然后根據(jù)圖2中的線性關(guān)系求出內(nèi)源性?損失。而外源性?損失可以根據(jù)式（3）求得。

SRC工藝各設(shè)備的可避免?損、不可避免?損、內(nèi)源性?損和外源性?損見表6、圖3。由表6和圖3分析可知，在可避免?損失中脫甲烷塔的可避免?損失最大，為2 570 kW，占總?損失的30.54%；脫甲烷塔內(nèi)源性損失為3 231 kW，占總?損失的38.4%。主冷冷箱的可避免?損失只有1 532 kW，但是可避免?損失占總?損失的67.28%；主冷冷箱的內(nèi)源性?損失為1 434 kW，占總?損失的62.78%。因此主冷冷箱與脫甲烷塔相比更有改進(jìn) 潛力。

2.4" 熱集成方式改進(jìn)

改進(jìn)后的熱集成如圖4所示。

基于高級?分析結(jié)果，增設(shè)預(yù)冷冷箱并將主冷箱與過冷冷箱結(jié)合，本節(jié)采用貧氣作為工況條件，模擬并對比不同的集成方式的能耗，改進(jìn)前后主冷箱換熱曲線圖分別見圖5、圖6。

改進(jìn)前后SRC熱集成方式分析結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，改進(jìn)后主冷箱內(nèi)冷熱溫位更加匹配，大幅提高系統(tǒng)熱集成度，冷熱復(fù)合曲線縱向間距減少，流程總能耗降低了966.9 kW。

3" 結(jié) 論

1）基于常規(guī)?法對SRC工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)脫甲烷塔、壓縮機(jī)與主冷箱?損占比大，3類設(shè)備總?損占總損失的84%，有較大改進(jìn)空間。

2）基于高級?法對SRC工藝關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主冷冷箱的可避免?損和外源性?損占總?損的比例最大，分別為67.3%、62.9%。因此冷箱改進(jìn)潛力最大，通過增設(shè)預(yù)冷冷箱及將主冷箱與過冷冷箱結(jié)合的方法改進(jìn)工藝，改進(jìn)后能耗降低了966.9 kW。

3）本文所選氣質(zhì)為低壓貧氣，并未考慮富氣以及超富氣，在流程研究方法中并未考慮經(jīng)濟(jì)評價，這些不足將是以后乙烷回收工藝的深入研究點。

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Abstract：" Aiming at the problems of high process energy consumption and low heat integration in low-pressure natural gas ethane recovery with the SRC process， thermodynamic analysis of the process was carried out by conventional exergy analytical method and advanced exergy analytical method， and it was determined that the main cold box had the greatest improvement potential. By adding a pre-cooling cold box and combining the main cold box with the sub-cooling cold box， the process heat exchange network was changed， and the energy consumption was reduced by 966.9 kW after the improvement.

Key words：" Low pressure lean gas; Rectification principle; Advanced exergy; Ethane recovery