壓力能利用技術在干氣分離裝置上的應用

魏 文，王 波，郭建偉

（浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000）

某公司90×104t/a干氣分離裝置采用中國石化北京化工研究院開發的淺冷油吸收法干氣回收技術，將煉油廠的富氫、富烴和不飽和干氣分類回收，得到富乙烯氣、富乙烷氣、粗氫氣產品，為乙烯裝置、乙烷裂解爐和加氫裝置提供原料［1~3］。

1 干氣分離裝置工藝流程

該裝置催化干氣分離和焦化干氣分離單元構成。來自催化裂化裝置的不飽和干氣經過壓縮、淺冷油吸收后，得到的粗乙烯氣經過脫除砷、汞、硫、O2、NOx和大部分CO2等雜質后得到的富乙烯氣，送入乙烯裝置裂解氣壓縮單元［4］。來自焦化裝置的飽和干氣經過壓縮、脫碳、淺冷油吸收后，粗乙烷氣脫除砷、汞等雜質后得到的富乙烷氣，送入乙烯裝置裂解爐［5］。

淺冷油吸收部分的甲烷氫夾帶部分C4吸收劑進入汽油吸收塔，用重石腦油作吸收劑來吸收C4，未被吸收的甲烷氫尾氣進入膜分離單元，得到粗氫氣送往PSA裝置提純，尾氣送至燃料氣管網。

催化、焦化干氣經過淺冷油吸收分離后得到甲烷氫尾氣，通過膜分離吸收將粗氫氣分離出后，產出25 000 m3/h尾氣（溫度100℃、壓力3.4 MPa），尾氣需并入0.7 MPa燃料氣管網，前后壓降高達2.7 MPa。若采用減壓調節閥等減壓設備對尾氣進行節流減壓，則尾氣溫度降低引起管道外壁結霜。

一旦尾氣帶水，會引起管道內結冰造成冰阻現象影響生產，甚至發生凍結膨脹引起管道局部應力增加，導致管道破損引發可燃氣泄漏、火災和爆炸事故，且壓力損失造成流體機械能的大量浪費和經濟效益的損失。干氣分離工藝流程見圖1，尾氣的組成見表1。

表1 膜分離尾氣組成

圖1 干氣分離裝置流程

2 壓力能利用技術

壓力能利用技術在天然氣長輸管道（高壓）領域應用廣泛［6］，在石油化工加工裝置上應用較少。目前國內外回收利用氣體壓力能的方式主要有發電和制冷［7］。利用壓力能發電，產生的電能可進入系統電網，或用于發電站自身生活、生產使用［8］；在制冷方面，主要是將膨脹后低溫天然氣的冷量，用于燃氣調峰、冷庫、冷水空調以及輕烴回收等。研究表明：在天然氣管道的天然氣門站、調壓站的節流降壓閥處，可利用各種壓力能回收裝置來代替節流閥回收壓力能。回收的壓力能可用于生產液化天然氣，或對天然氣進行深度純化。其中最簡單回收天然氣管道壓力能的方法是利用透平膨脹機裝置將壓力能轉化為機械功［9］。

根據干氣分離裝置特點，結合該股尾氣物性參數，最終選擇透平膨脹機裝置，回收壓力能來發電，所發電量并入裝置電網供裝置自己使用。

2.1 實施方案

在膜分離出口的尾氣流程上增設壓力回收裝置，使膜分離尾氣通過膨脹機組在膨脹端降壓膨脹，輸出的機械能帶動發電機將機械能轉換成電能，發出的電能并入裝置內部電網，供裝置內部用電設備使用。降壓膨脹后的尾氣進入系統燃料氣管網。尾氣膨脹機能適應上游來氣的不同工況引起的流量和壓力的變化情況。當發電裝置自身發生故障時，緊急關閉膨脹機入口切斷閥，同時快速開啟旁路調節閥，使尾氣從旁路通過。壓力回收裝置流程見圖2。

圖2 壓力能回收裝置

2.2 裝置組成

壓力能回收裝置由透平膨脹機、膨脹機噴嘴調節、發電機、變速箱、主快閉閥、開車快閉閥、輔助系統、控制儀表及就地控制盤、速度保護、機器防護系統（MPS）等部分組成，參數見表2。

表2 壓力能回收裝置參數

透平膨脹機機組集成在2個撬座上。

（1）透平膨脹機撬座。含密封氣和分離器（氮氣）系統、變速箱及發電機，采用先進空氣動力學設計的徑流式膨脹機能夠最大限度提高等熵效率。膨脹機采用一體式齒輪連接，殼體直接安裝在變速箱上，膨脹機與變速箱共用1個高速軸。膨脹機葉輪周圍設有葉片系統（可調節噴嘴），用于通過改變通流面積來調節工藝氣體流量。噴嘴葉片能夠實現無沖擊減速，同時提供盡可能寬的流動范圍。葉片圍繞其1個安裝螺栓沿順時針和逆時針方向樞轉。發電機是自通風、全封閉的緊湊型三相異步電機，軸本身采用軸承支撐，軸承采用來自潤滑油撬座系統的油進行潤滑。為了回收膨脹機的機械能，采用滑動型聯軸節將發電機連接到膨脹機的變速器。發電機設計以3 018 rpm轉速逆時針轉動。變速箱配備2個平行軸，低速軸用于驅動發電機，高速軸被膨脹機驅動。干氣氣封確保工藝氣體與變速箱軸承之間的密封，運行中此氣封中泄漏的少量工藝氣體將通過分離氣（氮氣）流被回收送火炬放空到大氣排氣口。

（2）透平膨脹機潤滑油系統撬座。潤滑油系統是加壓封閉回路，用2個電動螺旋泵（1用1備）來向變速箱齒輪和發電機軸承注潤滑，每個螺旋泵的出口設置安全閥，避免潤滑油系統內超壓。軸承油壓在主泵與備用泵切換期間可能降低，因此濾油器后安裝有集液器，提供不低于6 s的油壓。

2.3 實施效果

通過壓力能回收技術的實施，解決了膜分離尾氣通過調節閥減壓產生的能量損失，及管道結霜的問題。有效回收了膜分離尾氣的壓力能，減少了能量損失。有助于發展循環經濟，提高能量利用效率，節約裝置用電。

3 結束語

通過分析淺冷油吸收法干氣分離裝置產出的高壓尾氣減壓并網中存在的問題，分析了減壓調節閥等減壓設備對尾氣進行節流減壓的弊端。通過參考成熟應用的天然氣管道壓力能回收技術，裝置上增設壓力能回收裝置，利用膨脹機發電并網，發電量供裝置自身使用，解決了高壓氣體通過調節閥減壓引起的管道結霜問題，并提高了裝置整體經濟效益。

此壓力能利用技術在增加較低的設備和運行費用下解決了石油化工裝置運行中的問題，且獲得較大的經濟效益，具有很高的推廣應用價值。