天然氣深冷工藝混合制冷劑配比和工況適應性優化研究

趙發軍 王曉梅 趙翼

摘要：本文以長慶油田上古天然氣處理總廠為例，針對運行中存在冷劑壓縮機能耗過大和乙烷收率達不到設計要求的現狀，進行天然氣深冷工藝混合制冷劑配比和工況適應性的優化研究。本研究運用HYSYS流程模擬軟件，搭建天然氣深冷工藝計算模型，針對運行中出現的J－T閥模式乙烷液化、J－T閥模式乙烷外輸和膨脹機乙烷外輸模式三種工況核算出混合冷劑最優配比。實踐表明，冷劑壓縮機節約能耗大于原能耗的10%，膨脹機乙烷外輸模式乙烷收率達到92.78%，滿足設計收率92%的技術要求。

關鍵詞：天然氣深冷工藝；混合制冷劑；配比優化；工況適應

長慶油田上古天然氣處理總廠（以下簡稱處理總廠）聯合裝置設計天然氣處理負荷200×108m3/a，設置4列規模為1500×104m3/d天然氣處理裝置，是國內最大的大型乙烷回收工廠。裝置采用“冷劑制冷+膨脹制冷+氣氣過冷+低溫精餾”工藝回收天然氣中C2+組分，精餾分離后得到貧氣、乙烷、液化氣、穩定輕烴等產品，年產乙烷105.27萬t、液化石油氣35.63萬t和穩定輕烴9.3萬t。

處理總廠投料試車以來，生產乙烷過程歷經三種不同工況，分別對應制冷機組的三種工作狀態，包括J﹣T閥模式乙烷液化、J﹣T閥模式乙烷外輸和膨脹機乙烷外輸模式，運行工況均大程度偏離設計“冷劑制冷+膨脹制冷”模式的技術指標。本文根據實際工況搭建系統模型，優化不同工況下的混合冷劑加注配比，合理調整混合冷劑壓縮機參數和各項工藝指標，旨在提高制冷效率，確保產品收率和能耗指標達到設計標準。

一、各工況下模型的核算

處理總廠裝置投產過程中參考長慶設計院提供的混合冷劑組分進行冷劑系統的冷劑補充，混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷、異丁烷四種組成，組分比例構成為25.77：38.94：19.69：14.6。鑒于混合冷劑制冷過程是復雜的熱力學效應交互作用的結果，本研究的方法是基于長慶設計院提供的初步冷劑組分，首先確定實驗影響因素及優化指標，再參考實際生產運行情況，基于主裝置工藝相關設備數據、工藝流程和設計參數，利用HYSYS流程模擬軟件建模，根據各列原料氣組分、混合冷劑組分配比、功耗、壓縮機實際工況優化調整冷劑系統各項參數、合理調整主工藝溫度梯度。通過建立系統工藝計算模型，改變冷劑組分以影響冷箱的冷熱換熱曲線、冷箱的夾點溫差，核算冷劑壓縮機負荷，從而得到每種工況下混合冷劑最佳配比。

本文采用Aspen plus V11版本，根據現場工藝流程圖，基于表1混合冷劑系統運行數據，在不同工況下，通過建立的工藝模型進行核算，混合冷劑壓縮機和工藝參數差異較大，對J﹣T閥模式乙烷液化、J﹣T閥模式乙烷外輸和膨脹機乙烷外輸模式等三種工況進行模擬分析。結果表明，在不同工況下運行，混合冷劑系統所匹配的冷負荷差異較大，尤其是在J﹣T閥模式乙烷液化工況下運行，所需混合冷劑負荷最大，實際乙烷收率最低。

在三種不同工況下，優化混合冷劑系統工藝參數，確定不同模式下混合冷劑最佳配比：

（一）J﹣T閥模式乙烷液化工況

JJ﹣T閥模式乙烷液化工況運行時，以混合冷劑壓縮機功率最低為優化指標，使用建立的工藝模型進行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4 ：C2H4：C3H8 ：i－C4=25.7：37.38：17.06：19.86。此時，冷劑壓縮機功耗為9260kW。

根據計算結果調整機組混合冷劑比例，實際運行工況數據如表2所示。

（二）J﹣T閥模式乙烷外輸工況

J﹣T閥模式乙烷外輸工況運行時，以混合冷劑壓縮機功率最低為優化指標，使用建立的工藝模型進行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4：C2H4：C3H8：i－C4=27.5：35：20：17.5。此時，冷劑壓縮機功耗為8427kW。

根據計算結果調整機組混合冷劑比例，實際運行工況數據如表3所示。

（三）膨脹機乙烷外輸工況

膨脹機模式乙烷外輸工況運行時，以混合冷劑壓縮機功率最低為優化指標，使用建立的工藝模型進行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4：C2H4：C3H8：i－C4=28.95：34.21：13.16：23.68。此時冷劑壓縮機功耗為7532kW。

根據計算結果調整機組混合冷劑比例，實際運行工況數據如表4所示。

三種運行模式下，主冷箱換熱負荷情況對比如表5所示。

經對比以上三種運行工況可知，以混合冷劑壓縮機功率為衡算指標，混合冷劑壓縮機功率在三種運行模式中，膨脹機乙烷外輸工況運行為最經濟模式工況。

二、冷劑配比優化后現場應用效果

通過每種工況下主冷箱換熱效率的核算，最終確定了每種工況下混合冷劑的最佳配比，并進行單列冷劑組分調整，計算乙烷收率，如表6所示。

（一）J﹣T閥模式乙烷液化工況

2021年4月1日至4月8日，B列裝置開始按照確定

的混合冷劑最佳配比進行調整，乙烷氣液化負荷由15.96×104Nm3/d緩慢升高至18.90×104Nm3/d后，裝置液態乙烷產量由188.71t升至216.14 t，當月乙烷氣日平均液化負荷為18.42×104Nm3/d，液態乙烷日平均產量為214.53t。

（二）J﹣T閥模式乙烷外輸工況

2021年6月12日至6月30日，D列裝置按照確定的混合冷劑最佳配比進行調整，乙烷氣外輸負荷由42.32×104Nm3/d緩慢升高至51.49×104Nm3/d后，乙烷外輸產量由564.32t上升至686.59t，乙烷氣日平均外輸量為50.34×104Nm3/d，日平均產量為671.26t。

綜上所述，將J﹣T閥模式乙烷液化工況和J－T閥模式乙烷外輸工況，按照工藝模型核算的最優混合冷劑配比進行調整優化，合理調整混合冷劑壓縮機和液烴回收裝置工藝運行參數，提高了冷劑壓縮機的運行效率，進一步提升了乙烷產量和收率，冷劑壓縮機節約能耗大于原能耗的10%，J﹣T閥模式乙烷液化和乙烷外輸工況冷劑配比調整效果如圖1所示。

（三）膨脹機乙烷外輸工況

自膨脹機于2021年10月15日投用后，采用模擬核算的混合冷劑配比，依次對液烴回收裝置低溫分離器溫度、回流貧氣流量和溫度、過冷原料氣流量和溫度等關鍵工藝參數進行精細調參。低溫分離器溫度優化調整為﹣68.72～﹣68.01℃，過冷原料氣流量優化調整為7.3817～7.6002×104Nm3/h、過冷原料氣溫度為﹣100.32～﹣99.78℃，回流貧氣流量優化調整為5.20～5.4836×104Nm3/h，回流貧氣溫度為﹣98.77～﹣98.37℃。關鍵參數經上述優化后，裝置乙烷收率提高了10%，達到92.78%，滿足設計收率92%的技術要求。現將2021年12月4日至12月9日優化后的關鍵工藝參數對應乙烷收率統計，如表7所示。