壓力能利用技術(shù)在干氣分離裝置上的應(yīng)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(guó)石化北京化工研究院開(kāi)發(fā)的淺冷油吸收法干氣回收技術(shù)，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(chǎn)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(gòu)成。來(lái)自催化裂化裝置的不飽和干氣經(jīng)過(guò)壓縮、淺冷油吸收后，得到的粗乙烯氣經(jīng)過(guò)脫除砷、汞、硫、O2、NOx和大部分CO2等雜質(zhì)后得到的富乙烯氣，送入乙烯裝置裂解氣壓縮單元［4］。來(lái)自焦化裝置的飽和干氣經(jīng)過(guò)壓縮、脫碳、淺冷油吸收后，粗乙烷氣脫除砷、汞等雜質(zhì)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(jìn)入汽油吸收塔，用重石腦油作吸收劑來(lái)吸收C4，未被吸收的甲烷氫尾氣進(jìn)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(wǎng)。

催化、焦化干氣經(jīng)過(guò)淺冷油吸收分離后得到甲烷氫尾氣，通過(guò)膜分離吸收將粗氫氣分離出后，產(chǎn)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(wǎng)，前后壓降高達(dá)2.7 MPa。若采用減壓調(diào)節(jié)閥等減壓設(shè)備對(duì)尾氣進(jìn)行節(jié)流減壓，則尾氣溫度降低引起管道外壁結(jié)霜。

一旦尾氣帶水，會(huì)引起管道內(nèi)結(jié)冰造成冰阻現(xiàn)象影響生產(chǎn)，甚至發(fā)生凍結(jié)膨脹引起管道局部應(yīng)力增加，導(dǎo)致管道破損引發(fā)可燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)和爆炸事故，且壓力損失造成流體機(jī)械能的大量浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)效益的損失。干氣分離工藝流程見(jiàn)圖1，尾氣的組成見(jiàn)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(shù)

壓力能利用技術(shù)在天然氣長(zhǎng)輸管道（高壓）領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［6］，在石油化工加工裝置上應(yīng)用較少。目前國(guó)內(nèi)外回收利用氣體壓力能的方式主要有發(fā)電和制冷［7］。利用壓力能發(fā)電，產(chǎn)生的電能可進(jìn)入系統(tǒng)電網(wǎng)，或用于發(fā)電站自身生活、生產(chǎn)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?xì)庹{(diào)峰、冷庫(kù)、冷水空調(diào)以及輕烴回收等。研究表明：在天然氣管道的天然氣門站、調(diào)壓站的節(jié)流降壓閥處，可利用各種壓力能回收裝置來(lái)代替節(jié)流閥回收壓力能?；厥盏膲毫δ芸捎糜谏a(chǎn)液化天然氣，或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行深度純化。其中最簡(jiǎn)單回收天然氣管道壓力能的方法是利用透平膨脹機(jī)裝置將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功［9］。

根據(jù)干氣分離裝置特點(diǎn)，結(jié)合該股尾氣物性參數(shù)，最終選擇透平膨脹機(jī)裝置，回收壓力能來(lái)發(fā)電，所發(fā)電量并入裝置電網(wǎng)供裝置自己使用。

2.1 實(shí)施方案

在膜分離出口的尾氣流程上增設(shè)壓力回收裝置，使膜分離尾氣通過(guò)膨脹機(jī)組在膨脹端降壓膨脹，輸出的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)出的電能并入裝置內(nèi)部電網(wǎng)，供裝置內(nèi)部用電設(shè)備使用。降壓膨脹后的尾氣進(jìn)入系統(tǒng)燃料氣管網(wǎng)。尾氣膨脹機(jī)能適應(yīng)上游來(lái)氣的不同工況引起的流量和壓力的變化情況。當(dāng)發(fā)電裝置自身發(fā)生故障時(shí)，緊急關(guān)閉膨脹機(jī)入口切斷閥，同時(shí)快速開(kāi)啟旁路調(diào)節(jié)閥，使尾氣從旁路通過(guò)。壓力回收裝置流程見(jiàn)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(jī)、膨脹機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)、變速箱、主快閉閥、開(kāi)車快閉閥、輔助系統(tǒng)、控制儀表及就地控制盤、速度保護(hù)、機(jī)器防護(hù)系統(tǒng)（MPS）等部分組成，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 壓力能回收裝置參數(shù)

透平膨脹機(jī)機(jī)組集成在2個(gè)撬座上。

（1）透平膨脹機(jī)撬座。含密封氣和分離器（氮?dú)猓┫到y(tǒng)、變速箱及發(fā)電機(jī)，采用先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的徑流式膨脹機(jī)能夠最大限度提高等熵效率。膨脹機(jī)采用一體式齒輪連接，殼體直接安裝在變速箱上，膨脹機(jī)與變速箱共用1個(gè)高速軸。膨脹機(jī)葉輪周圍設(shè)有葉片系統(tǒng)（可調(diào)節(jié)噴嘴），用于通過(guò)改變通流面積來(lái)調(diào)節(jié)工藝氣體流量。噴嘴葉片能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)沖擊減速，同時(shí)提供盡可能寬的流動(dòng)范圍。葉片圍繞其1個(gè)安裝螺栓沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较驑修D(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)是自通風(fēng)、全封閉的緊湊型三相異步電機(jī)，軸本身采用軸承支撐，軸承采用來(lái)自潤(rùn)滑油撬座系統(tǒng)的油進(jìn)行潤(rùn)滑。為了回收膨脹機(jī)的機(jī)械能，采用滑動(dòng)型聯(lián)軸節(jié)將發(fā)電機(jī)連接到膨脹機(jī)的變速器。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)以3 018 rpm轉(zhuǎn)速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。變速箱配備2個(gè)平行軸，低速軸用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，高速軸被膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)。干氣氣封確保工藝氣體與變速箱軸承之間的密封，運(yùn)行中此氣封中泄漏的少量工藝氣體將通過(guò)分離氣（氮?dú)猓┝鞅换厥账突鹁娣趴盏酱髿馀艢饪凇?/p>

（2）透平膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)撬座。潤(rùn)滑油系統(tǒng)是加壓封閉回路，用2個(gè)電動(dòng)螺旋泵（1用1備）來(lái)向變速箱齒輪和發(fā)電機(jī)軸承注潤(rùn)滑，每個(gè)螺旋泵的出口設(shè)置安全閥，避免潤(rùn)滑油系統(tǒng)內(nèi)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(shí)施效果

通過(guò)壓力能回收技術(shù)的實(shí)施，解決了膜分離尾氣通過(guò)調(diào)節(jié)閥減壓產(chǎn)生的能量損失，及管道結(jié)霜的問(wèn)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(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高能量利用效率，節(jié)約裝置用電。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析淺冷油吸收法干氣分離裝置產(chǎn)出的高壓尾氣減壓并網(wǎng)中存在的問(wèn)題，分析了減壓調(diào)節(jié)閥等減壓設(shè)備對(duì)尾氣進(jìn)行節(jié)流減壓的弊端。通過(guò)參考成熟應(yīng)用的天然氣管道壓力能回收技術(shù)，裝置上增設(shè)壓力能回收裝置，利用膨脹機(jī)發(fā)電并網(wǎng)，發(fā)電量供裝置自身使用，解決了高壓氣體通過(guò)調(diào)節(jié)閥減壓引起的管道結(jié)霜問(wèn)題，并提高了裝置整體經(jīng)濟(jì)效益。

此壓力能利用技術(shù)在增加較低的設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用下解決了石油化工裝置運(yùn)行中的問(wèn)題，且獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。