氣體處理裝置在低負荷條件下的操作

摘要：中原油田分公司天然氣處理廠第三氣體處理廠是一個對天然氣深冷處理的大型處理廠， 工廠設計日處理石油伴生氣80-120萬方。進入2002年以來，隨著石油伴生氣儲量的遞減，工廠供氣量明顯降低，大多數時間在設計下限80萬方左右。這樣在原設計參數控制下，裝置無法達到預期的制冷深度，即影響C2+（NGL）收率的關鍵控制參數脫甲烷塔頂溫度TI0209有所升高。經過認真分析總結出一套低負荷條件下的操作方法，即采取以下措施：1、增大膨脹機噴嘴開度，提高伴生氣處理量；2、降低脫甲烷塔的熱負荷，減少冷量消耗；3、解決3-V6不制冷問題，增加丙烷制冷單元冷量；4、降低甲烷外輸壓力，提高膨脹比；5、減小2-V1開度，提高節流效應；6、采用科學分析方法，降低天然氣損耗。這套方法實施后，提高了工廠的處理量和產品收率，年可創經濟效益近800萬元。

關鍵詞：第三氣體處理廠 氣體處理 處理量 收率 低負荷 操作

一、工廠簡介

中原油田分公司天然氣處理廠第三氣體處理廠是一個對天然氣深冷處理的大型處理廠，該裝置1990年10月建成投產，1992年1月7日通過原中國石油天然氣總公司竣工驗收并正式交付使用，工程總投資1.54億元。工廠整體設計巧妙、結構嚴謹、布局合理、工藝先進，在生產工藝方面，工廠利用原料氣壓縮，干燥脫水，膨脹制冷加丙烷輔助制冷，輕烴回收和分餾的天然氣深冷工藝流程。工廠設計日處理石油伴生氣80-120萬方，主要產品有甲烷、液態乙烷、丙烷、丁烷和天然氣油，其中乙烷回收率在85%以上，輕烴回收率在95%以上，丙烷、丁烷和輕油的純度在99%以上，產品合格率為100%。

二、NGL收率降低的原因分析

進入2002年以來，隨著石油伴生氣儲量的遞減，工廠供氣量明顯降低，大多數時間在設計下限80萬方左右。氣質也明顯變貧，原料氣中C3+含量由230克/立方米降至180克/立方米。這樣在原設計參數控制下，裝置無法達到預期的制冷深度，即影響C2+（NGL）收率的關鍵控制參數脫甲烷塔頂溫度TI0209有所升高。為解決這一技術難題，首先結合下圖對工廠工藝流程進行分析，工廠來氣經原料氣壓縮機和增壓機三級壓縮，干燥脫水后，進入冷箱2-E1、2-E2換熱，在2-V1中進行分離，液相通過焦耳-湯姆遜閥節流后進入脫甲烷塔2-C1頂部，氣相經膨脹機降溫后作為2-C1的進料，塔頂產品甲烷經冷箱換熱后外輸，C2+產品由NGL泵送入分餾單元。在整個過程中，為原料氣提供冷量的主要有在2-E1中與其換熱的丙烷介質，通過等熵膨脹使氣相降溫的膨脹機，對2-V1底部介質進行節流膨脹的焦耳-湯姆遜閥。要實現降低裝置的制冷深度，提高C2+（NGL）產品收率的目標，就需要在這三個環節上進行操作和控制參數的優化，以提高其制冷效果。

注：1-FT1A/B為原料氣干燥塔的過濾器；2-E1、2-E2、2-E3為三級冷箱；3-V6、3-V7為丙烷制冷劑的蒸發器；2-V1為氣液分離器；2-C1為脫甲烷塔；2-TK1為透平膨脹機；2-P1A/B為NGL泵；LICA0202控制焦耳-湯姆遜閥的開度；PICA0201控制甲烷外輸壓力；TICA0220控制脫甲烷塔的靈敏板溫度。

三、提高產量和收率的措施

由于伴生氣的氣量和氣質無法控制，我們主要靠提高裝置的效率來提高工廠的處理量，同時靠優化工藝參數以提高輕烴產品的收率。

1.增大膨脹機噴嘴開度，提高伴生氣處理量

第三氣體處理廠的原料氣壓縮機采用的是以燃氣透平驅動的離心式壓縮機，為提高工廠的處理量，機組已在額定轉速下工作，但效果仍不十分理想。為進一步增加工廠的處理量，我們將壓縮機的性能曲線和工藝管路的特性曲線聯合分析；

Pe=Pb+ρe（∑hf）

式中：Pe為壓縮機出口壓力；Pb為工藝管路中某處的壓力；ρe（∑hf）為流量損失能頭。

在一定的管路中流量損失能頭是容積流量的函數，從式中看出降低Pb，可達到增加容積流量的目的。對于我廠來說影響管路壓力的關鍵控制點是膨脹機入口（噴嘴）開度，為此，在確保膨脹機轉速在操作范圍內，我們將膨脹機噴嘴由20%開大到35%，這樣，膨脹機入口壓力Pb由原來的38Bar降至34Bar。由此，我廠伴生氣處理量每天提高了5萬方左右，C2+（NGL）產品可增產13噸/日左右。

2.降低脫甲烷塔的熱負荷，減少冷量消耗

針對目前工廠處理量降低、氣質變貧的狀況，對脫甲烷塔重新進行了熱量衡算，發現應減少塔的熱負荷。對脫甲烷塔的控制參數重新進行了調整，將脫甲烷塔靈敏板溫度TICA0220由原來的2℃降低到-8℃，將脫甲烷塔塔頂壓力（即甲烷外輸壓力）PICA0201由12.5Bar降至11.5Bar。這樣即保證了產品的純度，同時也減少了NGL單元所需的冷量，降低了脫甲烷塔頂TI0209的溫度。

3.解決3-V6不制冷問題，增加丙烷制冷單元冷量

第三氣體處理廠的丙烷輔助制冷單元采用的三級壓縮制冷流程，3-V6為一級制冷蒸發器，靠溫度差作為蒸發動力，制冷深度為-35℃。一段時間，3-V6不制冷，只能靠3-V7提供冷量，造成脫甲烷塔頂溫度偏高。分析發現在冷箱2-E1中與3-V6、3-V7同時給原料氣提供冷量的脫甲烷塔側沸線7、8層溫度偏低，8層進料溫度TI0215為-60℃，7層出料溫度TI0214為-40℃，低于丙烷在3-V6中的制冷深度，造成丙烷不能蒸發，影響了3-V6的制冷。經停機調整后，7、8層側沸線溫度恢復正常，8層進料溫度TI0215恢復為-30℃，7層出料溫度TI0214恢復為-15℃， 3-V6開始制冷，調整后全投3-V6、3-V7冷量，降低了2-E1出口原料氣溫度。

4.降低甲烷外輸壓力，提高膨脹比

為了提高伴生氣處理量，將膨脹機噴嘴由20%開大至35%，但是膨脹機的膨脹比卻由39（絕壓）/13.5（絕壓）=2.89下降到35（絕壓）/13.5（絕壓）=2.59，根據膨脹機經驗公式：

（T2/T1）=（P2/P1）k-1/k

式中：k為常數（對于天然氣k值在1.35-1.4左右）；T1為膨脹機入口溫度；T2為膨脹機出口溫度；P1為入口壓力；P2為出口壓力。

由上式可以看出膨脹機的出口溫度T2會升高，不利于降低脫甲烷塔頂溫。為此將干氣外輸壓力（出口壓力P2）由12.5bar降低至11.5bar， 降外輸壓力后，膨脹比為2.8。同時又全投3-V6、3-V7的冷量，以此來降低膨脹機入口溫度T1，最終在提高伴生氣處理量的情況下，達到了降低膨脹機出口溫度T2的目的。

5.減小2-V1開度，提高節流效應

在增大膨脹機噴嘴開度，提高處理量的同時，技術人員根據節流膨脹公式：

△TH=C△P（273/T1）2

式中：C為氣體的特性常數；△T H為溫度降；△P為節流遜閥前后壓差；T1為節流前絕對溫度（TI0212）。

有上式可以看出，節流膨脹所獲得的溫度降與壓力降成正比，與節流前溫度T1成反比，因此我們應采取增大壓力降和降低節流前溫度的方法來增大溫度降。為此，在全投3-V6、3-V7冷量，以降低節流前絕對溫度T1（TI0212）的同時，關小2-V1開度（LICA0202），以增大△P值，這樣△T H值也相應增大，即降低了節流后溫度TI0210。

通過2、3、4、5步的調整，我們降低了脫甲烷塔的熱負荷，并且降低了兩股進料溫度（膨脹機出口進料溫度T2和焦耳-湯姆遜閥后進料溫度TI0210），調整后脫甲烷塔塔頂溫度降低了4℃左右，穩定在-99℃左右。甲烷中C3+含量由3.0克/m3左右降低到2.3克/m3左右，平均每天多生產C3+產品0.7噸。

四、經濟核算

通過以上提高產量和收率措施的開展，第三氣體處理廠處理氣量日均提高了5萬方，C2+NGL）產品可增產16噸/日左右。甲烷中乙烷含量由29克/m3降至25克/m3，乙烷收率由81%提高到85%。甲烷中C3+的含量由3.0克/m3降至1.8克/m3，C3+產品收率由94%提高到95%。年可創經濟效益近800萬元。

參考文獻：

[1]尹代益，等.天然氣化學[M].成都：成都科技大學出版社，1993.

[2]方子嚴，等.化工機械.武漢：湖北科學技術出版社，1986.