一種天然氣烴露點控制工藝的制冷模擬優化

張博

摘 要：本文提出了一種基于烴露點控制工藝的穩態外制冷模型，此工藝使用丙烷作為冷卻劑、乙二醇作為吸收劑。本文的主要目的是為了建立某終端用外制冷工藝的收斂數值模型。采用Aspen HYSYS 9.0建立模型，利用PR方程進行熱動力學計算，驗證了計算模擬的準確性。并進一步分析了進料速率、溫度、壓力對最終產品、中間產品烴露點的影響。

關鍵詞：數值模擬;烴露點

天然氣的產出總是伴隨著液態烴、飽和水及游離水，這樣的天然氣稱為濕天然氣。與干氣相比，濕氣甲烷含量較低[1]。未經脫烴處理的天然氣在管道中隨著溫度和壓力的變化，會出現液態烴，從而降低管道的輸送能力、造成壓縮機損壞、壓降增大等問題，對管道及設備運行造成了不同程度的影響。根據國家標準《輸氣管道工程設計規范》（GB 50251）的規定，氣體在一定壓力下析出第一滴液態烴時的溫度稱為烴露點，進入輸氣管道的氣體烴露點應低于最低環境溫度。天然氣通常含有許多重烴成分，在這些重烴中，首先凝結的最重組分基本上決定了氣體的烴露點。

為保證天然氣順利通過管道輸送到需要干氣作為燃料[2]，控制烴露點和水露點是非常必要的。控制天熱氣烴露點的工藝方法主要有以下幾種方法：①外制冷法;②膨脹機制冷法;③J-T閥膨脹制冷。

本文是基于外制冷的數值模擬過程。

1 方法論

外制冷是露點控制最直接、最簡單的過程。外部制冷是在制冷劑相變的過程中，利用釋放出的冷量以達到低溫分離的效果，通常使用丙烷作為制冷劑。丙烷液蒸發為氣態丙烷，經丙烷吸入罐分離出夾帶的液滴后，進入丙烷壓縮機壓縮后，經丙烷冷凝器冷凝成液相丙烷后返回丙烷緩沖罐，完成一個循環。熱天然氣經過預冷器初步冷卻后進入貧富氣換熱器中，與低溫分離器分離出來的干氣進行逆流換熱。水合物的形成或凍結是換熱器中出現的常見問題，凍結會阻塞換熱管，從而增加壓降，降低熱交換效率。乙二醇由于具備較好的親水性和防凍性，可有效降低水的凝固點，通常作為水合物抑制劑注入氣流中，吸收了水的富乙二醇溶液進入低溫分離器中被分離、再濃縮和回收。

本文采用Aspen HYSYS軟件對基于外制冷的烴露點控制過程進行了數值模擬。進料數據取自某陸上終端進站天然氣數據。在天然氣冷凝器入口處注入了乙二醇，制冷過程中控制天然氣的烴露點、水露點、高位發熱值等參數，將天然氣的壓力和溫度降至滿足《天熱氣》GB17820-2012的規定，在交接點壓力下，天然氣的水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5℃;在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態烴。

1.1 模擬的建立

Aspen HYSYS廣泛用于油氣分離、天然氣水化物的預測、優化天然氣脫水、天然氣輕烴回收裝置設計中。

本研究建立了以外制冷模型為基礎的烴露點控制模型，通過求解Peng-Robinson （PR）狀態方程，計算規定溫度和壓力條件下某種氣相化合物的烴露點，如式（1）所述：

式（1）

式中：P：壓力;T：溫度;R：通用氣體常數;：比容;Z：壓縮系數。

露點控制工藝流程圖（PFD）如圖1所示：

天然氣首先經過預冷器冷卻到25℃，混合后經過換熱器冷卻再進入丙烷蒸發器冷至0℃，然后進入天然氣分離器分離出凝液。分出的氣相部分去脫碳裝置，部分氣相直接進外輸計量裝置。

1.2 進料參數

進料參數如表1所示，摩爾分數見表2。

2 結果與討論

2.1 建模結果驗證

模擬外輸氣的溫度為2℃，壓力為4.63MPa，水露點為-5.18℃，烴露點為-0.826℃;實際運行值外輸氣的溫度為1.98℃，壓力為4.62MPa，水露點為-5.17℃，烴露點為-0.820℃。模型計算值與實際運行值的比較表明，外輸氣的各項重要參數偏差均小于±1%。此外，這些重要參數數值都符合國家標準要求。

2.2 各種重要輸入參數對工藝性能的影響

在驗證模型結果的有效性后，為了研究溫度、壓力、料流摩爾流量等重要參數的影響，進行了進一步的仿真。

2.2.1 進料物流溫度對烴露點的影響

恒壓恒摩爾流量下進料溫度對外輸氣物流和不同中間流料烴露點的影響。

低溫分離器（物流11）出口流的烴露點均未受進料物流溫度的影響。根本原因是三相分離器基本都是在固定的條件下工作，并且進料的溫度始終是受控制的。從兩相分離器輸出的天然氣（物流21）的烴露點隨著進料在0～80℃范圍內溫度升高而不斷升高至65℃，然后進料溫度由80℃升高到140℃烴，露點迅速下降，出現負值，然后趨于平穩。在0～40℃進料溫度下，外輸氣物流的烴露點沒有變化，在此溫度之后，外輸氣物流的烴露點變化幅度很小。

2.2.2 進料物流壓力對烴露點的影響

在恒定溫度和摩爾流量下，進料壓力對外輸氣料流和不同中間流料烴露點的影響。

與溫度一樣，在低溫三相分離器（物流11）的出口物流中也觀察到類似的趨勢，即對增加進料流壓力沒有太大影響。兩相分離器出口流（物流21）的烴露點在進料流壓力從0.1MPa增加到2MPa時，最初增加到24.8℃以上，然后在進料流壓力進一步增加到9.5MPa時下降到19.78℃。當進料壓力在0.2MPa左右時，外輸氣烴露點先升高到-2.75℃，當進料物流壓力在0.5MPa左右時，烴露點先降低到-2.93℃，然后緩慢上升趨于恒定，當進料壓力在9.5MPa時，烴露點為0.62℃。結果表明，在較高壓力下，如12MPa，天然氣在2.0℃以下仍處于氣態，在此壓力之后，凝析油開始在天然氣管道中形成。

2.2.3 進料摩爾流量對烴露點的影響

在恒定溫度和壓力下，進料物流摩爾流量對外輸氣料流和不同中間流料烴露點的影響。對于三相分離器出口流（物流11），再一次觀察到烴露點對進料流摩爾流量的增加沒有影響。其余中間流21、8以及外輸氣物流烴露點（物流13）在進料流流量從0增加到150×104m3/d時略有增加和下降。這些物流的烴露點在10×104m3/d后成為常數，對進料物流摩爾流量的進一步增加沒有影響。

3 結論

在Aspen Hysys?9.0軟件中成功地模擬了基于外制冷的烴類露點控制過程。將模型結果與實際運行過程輸出進行了比較，發現模型與實際運行過程輸出結果吻合較好，誤差小于1%。此外，研究了溫度、壓力、料流摩爾流量等各種重要工況的影響。

簡要結論如下：①結果表明，PR狀態方程對天然氣系統中不同物種的熱力計算有較好的結果;②在基于外制冷工藝的烴露點控制過程中，在0～40℃進料溫度下，外輸氣物流的烴露點沒有變化，在此溫度之后，外輸氣物流的烴露點變化幅度很小;③為了滿足烴露點的標準外輸氣的規范要求，進料流壓力宜小于12MPa;④為了保持產品氣體所需的烴露點，原料流的摩爾流量應在10×104m3/d以上。

參考文獻：

[1]薛國民，陳亮，孫德等.濕天然氣測量技術及國際標準化研究進展[J].專論綜述，2011，30（11）：7-8.

[2]李士富，王曰燕，王勇.山西沁水煤層氣液化HYSYS軟件計算模型[J].天然氣與石油，2010（4）：22-25.