高 超 劉勝國

(上海天然氣處理廠)

東海平湖油氣田是我國東海海域第一個正式投入開發(fā)的油氣田[1]，上海天然氣處理廠是東海平湖油氣田的重要組成部分。它將平湖海上生產(chǎn)平臺管輸過來的天然氣進行加工，生產(chǎn)出合格的干氣供上海浦東居民燃氣使用[2]，并回收液化氣、戊烷和穩(wěn)定輕烴等副產(chǎn)品。隨著油氣田開采到后期，平臺供氣壓力逐年下降，處理廠膨脹機效率隨之下降，導致C3收率不斷降低。為了在不斷下降的供氣壓力下，依然取得較高的C3收率，本研究利用HYSYS模擬軟件對上海天然氣處理廠一期C3回收工藝進行優(yōu)化，分析了影響C3收率的因素。在不進行設(shè)備更換和工藝改造，且外輸壓力保持不變的情況下，確定了不同進氣壓力下提高C3收率的工藝參數(shù)。

1 工藝流程簡述及調(diào)優(yōu)分析

整套生產(chǎn)裝置一期的流程如圖1所示。其中，處理廠的核心工藝設(shè)備如圖2所示，主要包括膨脹制冷單元(冷箱HE-260、膨脹壓縮機E-268/C-269)、脫甲烷塔PV-264、脫乙烷塔PV-290及丙烷制冷單元等[4]。處理廠以提高C3收率為調(diào)優(yōu)目標，但過分追求高收率會加大丙烷輔助制冷負荷，增加能耗。故要對影響C3收率的主要參數(shù)和能耗情況綜合考察。

由圖2可見，冷箱HE-260內(nèi)有三股物流進行換熱，其中A股為天然氣進料， A股出口溫度越低，C3收率越高。A股出口溫度主要受到B、C物流熱量的影響。其中，B物流的熱量由其去冷箱的旁通閥開度以及脫甲烷塔塔底再沸器HE-262的熱負荷來控制。C物流的熱量主要由HE-263、HE-267換熱器出口溫度控制，而HE-263換熱器跟脫甲烷塔塔頂物流換熱，不能作為調(diào)節(jié)手段，故C物流熱量控制主要由丙烷輔助制冷部分提供冷量，控制HE-267出口溫度來實現(xiàn)。

其中值得注意的是，PV-261的材料為碳鋼，不能低于-43 ℃，故A股出口溫度基本固定在-39 ℃以上。當PV-261操作溫度低于-39 ℃時，系統(tǒng)將自動旁通冷箱B物流；DCS設(shè)定PV-261低于-43 ℃時，溫度開關(guān)低低報警連鎖將導致全廠停車。

由此可見，在外輸壓力保持不變的情況下，影響C3收率的可控制參數(shù)為脫甲烷塔再沸器的熱負荷、丙烷制冷負荷(丙烷蒸發(fā)器HE267的出口溫度)、B物料去冷箱比例。

2 研究方法及內(nèi)容

通過采集、篩選穩(wěn)定、準確的一期生產(chǎn)裝置工藝數(shù)據(jù)，利用AspenTech 公司的Aspen HYSYS 流程模擬軟件，對上海天然氣處理廠一期裝置進行了全流程生產(chǎn)過程的穩(wěn)態(tài)模型開發(fā)。HYSYS中的屬性包(Property Package)可以預測混合物的屬性，從輕烴系統(tǒng)到復雜的油氣混合物和高度非理想(非電解質(zhì))化學系統(tǒng)都包括在其中。此次天然氣處理廠工藝模擬采用PR (Peng-Robinson)屬性包。Peng-Robinson開發(fā)了以體積三次方表示的一個新的兩參數(shù)狀態(tài)方程，力圖使模型參數(shù)可用Pc和偏心因子(∞)表示，方程適用于油氣加工中流體性質(zhì)的計算。同時，HYSYS對PR狀態(tài)方程進行了改進，擬合了不同烴類從正常沸點至臨界點之間的蒸汽壓數(shù)據(jù)，計算各種烴類系統(tǒng)時具有較高的有效性和可靠性，能處理油、氣、水組成的三相系統(tǒng)[3]。

通過建模并初步模擬，與實際結(jié)果對比，證明模擬結(jié)果與實際相符。由此認為，該計算方法可靠，模型準確。故用此模型進行了提高系統(tǒng)C3收率的工藝優(yōu)化研究。

在天然氣進廠溫度為20 ℃，處理量為100×104m3/d，進廠壓力分別為4 500 kPa、4 000 kPa和3 600 kPa，外輸壓力為2 000 kPa的條件下，即冷量相對過剩、冷量相對不富裕、冷量相對不足的情況下，分別考察了B物流去冷箱比例、HE-262的熱負荷、HE-267出口溫度對C3收率、丙烷壓縮機的負載、A股出口溫度及燃料氣消耗等系統(tǒng)工藝參數(shù)的影響；并結(jié)合具體的工況，給出了相應的調(diào)優(yōu)建議，使系統(tǒng)C3收率盡可能高，丙烷壓縮機的負載及天然氣能耗盡可能低。

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)冷量相對富裕條件下

3.1.1B物料去冷箱比例對一期主要工藝參數(shù)的影響

為考察B物流去冷箱比例對C3收率、丙烷壓縮機的負載及燃料氣消耗、A股出口溫度等工藝參數(shù)的影響，在天然氣進廠溫度為20 ℃，處理量為100×104m3/d，進廠壓力為4 500 kPa，外輸壓力為2 000 kPa的條件下，假定脫甲烷塔再沸器HE-262、膨脹機C-269、丙烷蒸發(fā)器HE-267出口溫度、出口壓力不變的情況下，通過控制B物流旁通閥開度，使B物流去冷箱比例從0.6到1范圍內(nèi)變化，結(jié)果如表1所示。

表1 B物流去冷箱比例對一期主要工藝參數(shù)的影響

由表1可知，在其他條件不變的情況下，B 物流去冷箱比例在0.6～1 內(nèi)變化時，丙烷機的負載從49.3%增加到50.7%，燃料氣消耗從5 544 m3/d增長到5 565 m3/d,系統(tǒng)C3收率從95.7%上升到96.6%，B物流提供給A 物流更多冷量，使A物流出口溫度下降，這是C3收率提高的主要原因。并且低溫分離器沒有到達報警溫度，C3收率有將近1%的漲幅，丙烷機負載、系統(tǒng)燃料消耗波動較小，系統(tǒng)能耗基本與變化前持平，效益比較明顯。故建議在目前冷量富裕的條件下盡可能關(guān)閉B 物流旁通開度，在系統(tǒng)能耗沒有增加的前提下提高C3收率。

3.1.2HE-262熱負荷對系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響

在3.1.1節(jié)的條件下，把B 物流旁通閥全關(guān)，通過工程模擬使HE-262熱負荷在206～86 kW之間變化，考察了HE-262的熱負荷變化對HE-262出口溫度、系統(tǒng)C3收率、丙烷壓縮機的負載、燃料氣消耗和A股出口溫度的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2 可知，當HE-262熱負荷從206 kW降到86 kW，相應的HE-262 出口溫度從9 ℃到1.29 ℃變化時，由于HE-267 出口溫度維持不變，所以丙烷機的負載基本沒有變化。因HE-262熱負荷降低，系統(tǒng)的燃料氣消耗從5 564 m3/d 降到5 400 m3/d,PV-264塔頂干氣中的C3流量下降，塔底溫度下降，流量大幅增加，脫乙烷塔進料輕組分C2增加。當增加到一定程度，為了保證脫乙烷塔控制指標，盡可能不要把C2帶到液化氣中，影響液化氣質(zhì)量。丙烷機的負載先降低再增加，塔底再沸量也相應地增加，故燃料氣在后面下降緩慢。一期系統(tǒng)C3收率從96.6%升到97.6%，提高了1%，可見在丙烷制冷系統(tǒng)維持不變的情況下，減少HE-262再沸量即減小燃煤油負荷，對一期整個工藝系統(tǒng)C3收率影響較大，并降低了系統(tǒng)燃料氣的消耗。但由于低溫分離器的溫度不能低于-39 ℃，從表2可以看出，當HE-262再沸負荷為125.98 kW，也就是HE-262出口溫度為4.7 ℃時，低溫分離器PV-261溫度(A出口溫度)達到-39 ℃上線值，此時系統(tǒng)C3收率為97.4%。如果繼續(xù)降低HE-262負荷，低溫分離器PV-261達到低溫報警溫度，必須通過開大B股旁通，減少B物流去冷箱冷量，使得A股出口溫度升高，遠離低溫報警溫度，但同時系統(tǒng)C3收率會有所下降。綜上考慮可以得出，在目前的操作條件下，可以降低HE-262再沸負荷，降低系統(tǒng)能耗，HE-262出口溫度控制在1～2 ℃范圍內(nèi)，注意低溫分離器PV-261溫度變化，但HE-262再沸器不能停用，否則對設(shè)備材料有損壞，對后續(xù)分離脫乙烷塔裝置等造成負面影響。

表2 HE-262熱負荷對一期系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的影響

3.2 系統(tǒng)冷量相對不富裕時

3.2.1兩種工況下的主要工藝參數(shù)對比

保持天然氣進廠溫度為20 ℃，處理量為100×104m3/d不變，當上游海上平臺供氣壓力不斷下降，到達天然氣處理廠進廠壓力從4 500 kPa 下降到4 000 kPa 時，因膨脹壓縮比下降，膨脹機效率下降，膨脹后溫度比基礎(chǔ)工況有所上升，在保持HE-267出口溫度不變，脫甲烷塔塔底再沸量以及天然氣出廠壓力不變的條件下，系統(tǒng)C3收率會有一定幅度的下降，此時初步建議將B物流全去冷箱提供冷量，旁通全關(guān)，盡量給系統(tǒng)提供冷量，降低A 股冷箱出口物流溫度，具體模擬結(jié)果見表3。

表3 一期4 500 kPa 與4 000 kPa工況下主要工藝參數(shù)對比

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，系統(tǒng)C3收率下降到89%，膨脹機出口溫度上升到-73.8 ℃，丙烷制冷部分負載下降到40.5%，A 物流出口溫度為-38.8 ℃，一期系統(tǒng)工藝燃料氣的消耗下降到5 006 m3/d，干氣量上升，液化氣量下降。

3.2.2HE-262熱負荷對系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響

由表3得知，供氣壓力下降，C3收率將降低；由3.1節(jié)可知，提高B股去冷箱比例，降低脫甲烷塔塔底再沸器HE-262的熱負荷可提高C3收率。為選擇此工況下合適的HE-262熱負荷，設(shè)定丙烷負載基本不變，即HE-267出口溫度維持在-0.4 ℃時，關(guān)閉B物流旁通，通過工藝流程模擬改變HE-262負荷從101.8 kW 到21.8 kW，即出口溫度在9 ～4 ℃間變化，考察其對整個系統(tǒng)生產(chǎn)操作的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，HE262熱負荷從101 kW 到21 kW 變化時，丙烷機的負載基本維持不變，系統(tǒng)燃料氣消耗從5 006 m3/d下降到4 905 m3/d,系統(tǒng)C3收率從89%上升到92.2%，有3.2%的漲幅，變化幅度很大，燃料氣的消耗降低了101 m3/d，系統(tǒng)整體能耗降低。但從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，當HE-262的熱負荷小于61 kW 時，低溫分離器PV-261的溫度已小于報警溫度-39.5 ℃，如果繼續(xù)減少，HE-262的熱負荷就超過了PV-291 的承受能力，系統(tǒng)會自動打開副線保護，這樣再增加丙烷制冷部分負荷也不會增加C3收率。綜上所述，在目前冷量相對不富裕的操作條件下，要想提高C3收率，還要兼顧設(shè)備條件的限制，HE-262的熱負荷最好控制在61 kW，HE-262出口溫度控制在6～7 ℃，這時系統(tǒng)C3收率能增加將近2%左右，此時丙烷制冷部分不要開大，系統(tǒng)能耗還可降低。

表4 H-E262 熱負荷對一期主要工藝參數(shù)的影響

3.2.3丙烷制冷負荷對系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響

在系統(tǒng)冷量相對不足的情況下，可以加大丙烷制冷的負荷，降低HE-267出口溫度，但也要考慮裝置操作的瓶頸，目前丙烷制冷的負荷在40%左右，如果不降低HE-262熱負荷，提高丙烷制冷負荷到45%，通過模型計算出系統(tǒng)C3收率提高到90.56%，系統(tǒng)燃料氣消耗量也隨之提高到5 054 m3/d，A 物流出口溫度為-39.3 ℃，但相對于減少脫甲烷塔塔底再沸器HE-262 再沸負荷,達到同樣的C3收率的條件下，能耗有所上升。所以，在此情況下不建議提高丙烷制冷負荷來提高C3收率，計算結(jié)果見表5。

表5 系統(tǒng)關(guān)鍵指標

3.3 系統(tǒng)冷量不足時

3.3.1兩種工況下的主要工藝參數(shù)對比

保持天然氣進廠溫度為20 ℃，處理量為100×104m3/d不變，當進廠壓力從4 000 kPa下降到3 600 kPa時，膨脹機效率繼續(xù)下降，膨脹后溫度進一步升高，在保持HE-267出口溫度、脫甲烷塔塔底再沸量以及天然氣出廠壓力不變的條件下(其他條件與進廠壓力4 000 kPa一致)，系統(tǒng)C3收率會有一定幅度的下降，此時系統(tǒng)冷量嚴重不足，理論上建議B物流全去冷箱提供冷量，旁通全關(guān)，降低A股冷箱出口物流溫度，模擬結(jié)果見表6。

表6 一期4 000 kPa與3 600 kPa工況下主要工藝參數(shù)對比

由表6可知，壓力為3 600 kPa(G)時，系統(tǒng)C3收率與4 000 kPa 相比下降到80%，膨脹機出口溫度上升到-68.5 ℃，丙烷制冷部分負載為33%，A物流出口溫度為-37.7 ℃，膨脹機出口溫度為-68.5 ℃，一期系統(tǒng)工藝燃料氣的消耗量為4 649 m3/d，干氣量上升，液化氣量下降。

3.3.2HE-262熱負荷對系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響

由表6得知，供氣壓力下降到3 600 kPa，C3收率大幅降低；由3.1節(jié) 可知，提高B股去冷箱比例，降低脫甲烷塔塔底再沸器HE-262的熱負荷可提高C3收率。為選擇此工況下合適的HE-262熱負荷，設(shè)定丙烷負載基本不變，即HE-267 出口溫度維持在-0.4 ℃時，關(guān)閉B物流旁通，通過工藝流程模擬使HE-262負荷在101.82 kW到21.82 kW間變化，考察其對整個系統(tǒng)生產(chǎn)操作的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，HE-262熱負荷在55 kW，丙烷制冷負荷在33%左右，低溫分離器溫度在卡邊位置(-39 ℃)，此時系統(tǒng)C3收率為81.56%，是該工況下所能實現(xiàn)的最高C3收率。

4 結(jié) 論

(1) 通過以上模擬分析可知，在進廠壓力較高(4 500 kPa)、系統(tǒng)冷量相對富裕、C3收率較高(95%以上)的情況下，增加進冷箱的B物流比例有助于提高C3收率，相比去冷箱比例為60%時的系統(tǒng)C3收率約增加1%; 降低HE-262 熱負荷有利于C3收率的提高，且可降低系統(tǒng)能耗。當熱負荷降到125.98 kW時，丙烷機負載基本維持不變，系統(tǒng)C3收率增加到97.4%左右，燃料氣消耗也相應下降，但不能使HE-262 熱負荷過低或者停用，否則會使系統(tǒng)低溫分離器溫度過低，從而超過材質(zhì)極限。

(2) 在進廠壓力降到4 000 kPa、系統(tǒng)冷量相對不富裕、C3收率不高(小于90%)的情況下，應關(guān)閉B 物流旁通，降低HE-262熱負荷至61 kW，此時C3收率為90.2%；增加丙烷負載也可以提高C3收率，但要考慮和HE-262的平衡關(guān)系，不要觸及PV-261低溫報警。應優(yōu)先調(diào)節(jié)HE-262的熱負荷，比調(diào)節(jié)丙烷熱負荷更節(jié)能。

(3) 在進廠壓力降到3 600 kPa、系統(tǒng)冷量不足、C3收率較低(低于80%)的條件下，為提高系統(tǒng)C3收率，并降低系統(tǒng)能耗，應關(guān)閉B物流旁通，繼續(xù)降低HE-262熱負荷至55 kW，調(diào)節(jié)丙烷機的負載至33%左右，此時系統(tǒng)C3收率可達81.56%。從經(jīng)濟上來考慮，可以控制丙烷機組的負載能力以提高系統(tǒng)C3收率，但要觀察低溫分離器溫度變化，不要使低溫分離器達到報警溫度。

參考文獻

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