王 劍

(中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠)

1 裝置概況

阿姆河第一天然氣處理廠坐落于土庫(kù)曼斯坦列巴普州巴格德雷阿姆河右岸，占地面積71.32×104m2。處理廠設(shè)有4套天然氣凈化裝置：包括脫硫脫碳、脫水、脫烴、硫磺回收工藝單元，同時(shí)設(shè)有鍋爐房、循環(huán)水系統(tǒng)、空氮站等輔助及公用工程設(shè)施。裝置經(jīng)過(guò)2013年技改擴(kuò)能后，原料天然氣處理能力由投產(chǎn)初期55×108m3/a提升至現(xiàn)在65×108m3/a。該處理廠脫烴單元為丙烷脫烴工藝，其裝置主要分為丙烷撬塊制冷和低溫分離兩大部分。脫烴裝置自2009年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)總體運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)產(chǎn)品氣烴含量超標(biāo)的情況[1]。即便處理廠地處沙漠腹地，夏天環(huán)境氣溫達(dá)50 ℃、冬季-15 ℃，單列裝置原料氣處理量最高達(dá)到490×104m3/d的情況下，處理廠產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足長(zhǎng)輸管線要求。

2 丙烷特點(diǎn)及丙烷制冷脫烴的基本原理

2.1 丙烷特點(diǎn)

丙烷化學(xué)式為C3H8，在常溫常壓下為氣態(tài)，經(jīng)壓縮后可變?yōu)橐簯B(tài)[2]，一般經(jīng)過(guò)壓縮成液態(tài)后運(yùn)輸。氣態(tài)丙烷比空氣重(大約是空氣的1.5倍左右)，自然狀態(tài)下丙烷會(huì)下落并積聚在地表附近[3]。常壓下液態(tài)丙烷會(huì)很快變?yōu)檎羝⑶矣捎诳諝庵兴哪Y(jié)而顯白色。丙烷飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而增大，利用該特點(diǎn)可以使用丙烷作為制冷劑對(duì)天然氣進(jìn)行降溫處理[4]。

表1 丙烷飽和蒸汽壓與溫度對(duì)照表

2.2 丙烷制冷脫烴原理

2.2.1丙烷制冷

丙烷制冷屬于相變制冷，是利用液態(tài)丙烷蒸發(fā)時(shí)的吸熱效應(yīng)，不斷從被冷卻天然氣中取出熱量，從而達(dá)到制冷的目的[3]。丙烷制冷系統(tǒng)主要有壓縮、冷凝、過(guò)冷、蒸發(fā)4個(gè)基本過(guò)程，見(jiàn)圖1。

(1) 壓縮——壓縮機(jī)對(duì)丙烷做功(壓縮)，提高丙烷的壓力和溫度；

(2) 冷凝——通過(guò)丙烷冷凝器將壓縮后的氣態(tài)丙烷冷凝成液態(tài)丙烷，進(jìn)入丙烷儲(chǔ)罐；

(3) 過(guò)冷——從丙烷儲(chǔ)罐出來(lái)的液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機(jī)的補(bǔ)充氣入口，液體則進(jìn)一步節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。

(4) 蒸發(fā)——低溫液態(tài)丙烷在丙烷蒸發(fā)器中蒸發(fā)，從干凈化氣中吸熱，干凈化氣被冷卻。丙烷蒸氣經(jīng)氣液分離后進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)吸入口，進(jìn)入下一個(gè)壓縮制冷循環(huán)。

2.2.2低溫分離

3 裝置工藝流程及主要控制參數(shù)

3.1 工藝流程

3.1.1天然氣脫烴工藝流程

為了有效利用能量，自脫硫脫碳裝置的濕凈化氣經(jīng)繞管換熱器與產(chǎn)品干氣換熱后，溫度從40.5 ℃降至30 ℃左右，進(jìn)入濕凈化氣分離器進(jìn)行氣液分離。分離出的天然氣送至脫水裝置，作為該裝置的進(jìn)料天然氣。分離出的含油污水去脫硫脫碳裝置。

3.1.2丙烷壓縮機(jī)工藝流程

液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收熱量后變?yōu)楸檎羝?，同時(shí)使進(jìn)料天然氣溫度降至-16 ℃。丙烷氣體分離出挾帶的液體后進(jìn)入丙烷壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后丙烷氣體表壓從0.16 MPa升至1.2 MPa，溫度從-20 ℃升至65 ℃。壓縮后丙烷氣體經(jīng)丙烷冷凝器全部冷凝為液體。丙烷液體進(jìn)入丙烷儲(chǔ)罐，再經(jīng)節(jié)流閥降壓至0.5 MPa后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機(jī)的補(bǔ)充氣入口，液體則進(jìn)一步節(jié)流降壓至0.16 MPa后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收被冷介質(zhì)的熱量，蒸發(fā)為丙烷蒸汽，從而完成整個(gè)制冷過(guò)程循環(huán)。

3.2 主要工藝參數(shù)和控制參數(shù)

3.2.1主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

脫烴單元的原料主要為來(lái)自脫水裝置的干凈化氣，其主要參數(shù)如下：

干凈化氣流量： 395.31×104m3/d(20 ℃，101.325 kPa)

溫度：32 ℃

表壓：5.63 MPa

表2 脫烴裝置原料氣組成

表3 脫烴裝置產(chǎn)品氣組成

產(chǎn)品氣流量： 394.3×104m3/d

溫度：35.5 ℃

表壓：5.56 MPa

烴露點(diǎn)：-15.5 ℃(在5.56 MPa下)

3.2.2主要控制參數(shù)

脫烴單元主要包括原料天然氣預(yù)冷卻及丙烷致冷、氣液烴分離兩部分?？刂频闹饕獏?shù)是壓縮機(jī)撬的過(guò)程參數(shù)，通過(guò)控制蒸發(fā)器內(nèi)丙烷壓力，利用丙烷在不同飽和蒸汽壓下的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，達(dá)到脫烴的目的。同時(shí)需要嚴(yán)格控制干氣聚結(jié)器和濕凈化氣中分離出來(lái)的液烴液位，防止竄壓情況發(fā)生。

表4 脫烴裝置主要控制參數(shù)

4 裝置運(yùn)行性能評(píng)價(jià)

阿姆河第一天然氣處理廠脫烴裝置自2009年12月投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，從未出現(xiàn)過(guò)一例產(chǎn)品氣烴含量超標(biāo)的情況，總體運(yùn)行安全、平穩(wěn)、可靠。該單元丙烷撬塊采用螺桿式壓縮機(jī)，該撬塊相對(duì)于膨脹透平等制冷設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)較簡(jiǎn)單，故障率低，有利于沙漠等惡劣環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)該壓縮機(jī)組控制點(diǎn)少，自動(dòng)化程度高，啟停、日常操作簡(jiǎn)單，非常有利于裝置在異常情況下快速?gòu)?fù)產(chǎn)。

該裝置的低溫產(chǎn)品氣與脫硫脫碳裝置來(lái)的濕凈化天然氣進(jìn)行換熱，不僅充分回收利用了裝置冷量，而且由于降低了濕凈化氣溫度，經(jīng)分離后可除去氣體中所含的大量飽和水，從而使脫水單元的脫水負(fù)荷減少40%左右，可節(jié)約脫水裝置建設(shè)投資和減少操作費(fèi)用。該裝置預(yù)冷采用先進(jìn)高效的繞管式換熱器換熱，大大提高了本裝置的冷量回收，減少了丙烷壓縮致冷系統(tǒng)的負(fù)荷。

同時(shí)，氣液烴分離采用了低溫分離器與聚結(jié)器兩級(jí)分離，且低溫分離器中使用了高效分離內(nèi)構(gòu)件，可使液烴與干氣充分分離，確保天然氣烴露點(diǎn)合格。

2009年裝置建成投產(chǎn)后單列裝置450×104m3/d運(yùn)行測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。2012年8月在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度達(dá)到50 ℃的情況下分別對(duì)單列裝置和全廠全裝置高負(fù)荷測(cè)試。測(cè)試期間單套裝置原料氣最高處理量達(dá)到500×104m3/d，出口天然氣溫度均能控制在(-18±1) ℃范圍內(nèi)。各項(xiàng)工藝參數(shù)以及丙烷壓縮機(jī)撬各性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表5 處理量及制冷效果

表6 處理量及產(chǎn)品氣烴露點(diǎn)(在表壓5.56 MPa下)

5 存在問(wèn)題及建議

雖然該裝置4年來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，但經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)實(shí)際，現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)還存在以下問(wèn)題：

(1) 丙烷壓縮機(jī)組運(yùn)行所需丙烷純度高(R290)，資源國(guó)及周邊國(guó)家該產(chǎn)品純度達(dá)不到要求，只能從哈薩克斯坦或者中國(guó)等其他國(guó)家遠(yuǎn)距離采購(gòu)，增加了運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)。建議采購(gòu)丙烷時(shí)選擇優(yōu)質(zhì)可靠的丙烷供應(yīng)商，確保運(yùn)輸安全。

(2) 當(dāng)機(jī)組需要檢修時(shí)，設(shè)計(jì)考慮的是可以利用丙烷機(jī)組與丙烷儲(chǔ)罐間的壓力差來(lái)回收壓縮機(jī)組內(nèi)的丙烷。但在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于丙烷蒸汽壓和溫度相對(duì)應(yīng)，冬季機(jī)組壓力比丙烷罐壓力高，可以實(shí)現(xiàn)回收丙烷，但在夏季環(huán)境溫度高達(dá)50 ℃時(shí)，丙烷儲(chǔ)罐的壓力可達(dá)到1.6 MPa，遠(yuǎn)比壓縮機(jī)組1.1 MPa壓力高。為此，夏天機(jī)組檢修時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)利用壓力差將機(jī)組內(nèi)的丙烷壓回至儲(chǔ)罐，此時(shí)機(jī)組需要檢修就只能損失機(jī)組內(nèi)約3.5 t丙烷，將其泄放至放空系統(tǒng)。

建議丙烷儲(chǔ)罐日常儲(chǔ)備一定數(shù)量的丙烷，根據(jù)需要隨時(shí)通過(guò)丙烷泵向壓縮機(jī)組補(bǔ)充丙烷，同時(shí)做好丙烷罐的遮陽(yáng)設(shè)施。目前阿姆河第一天然氣處理廠日常儲(chǔ)存有約50 m3丙烷備用。且正在丙烷儲(chǔ)罐上方建設(shè)遮陽(yáng)棚，防止夏季陽(yáng)光直射丙烷儲(chǔ)罐。

6 結(jié) 語(yǔ)

阿姆河第一天然氣處理廠丙烷制冷工藝自2009年裝置投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)運(yùn)行非常平穩(wěn)、可靠，適合脫除天然氣中烴組分以滿足長(zhǎng)輸管道要求。4年來(lái)均未進(jìn)行過(guò)停產(chǎn)檢維修。具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、制冷速度快、復(fù)產(chǎn)迅速、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。在高負(fù)荷運(yùn)行條件下，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)仍有一定富裕，表明丙烷制冷工藝在含硫天然氣脫烴領(lǐng)域具有可靠的適應(yīng)性，可為同類型天然氣脫烴的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行等提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王劍， 喻澤漢， 羅斌，等.阿姆河第一天然氣處理廠投產(chǎn)運(yùn)行評(píng)價(jià)[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(增刊1):18-21.

[2] 尹代益.天然氣化學(xué)[M].四川:成都科技大學(xué)出版社,1993.

[3] 李國(guó)誠(chéng),諸林.油氣田輕烴回收技術(shù)[M].四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[4] 諸林.天然氣加工工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995.

[5] 朱利凱.天然氣處理及加工[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997.

[6] 李明,魏志強(qiáng),張磊,等.一種特殊氣質(zhì)分子篩脫水方案設(shè)計(jì)[J]. 石油與天然氣化工,2011,40(2):141-145.