田繪杰 季永強(qiáng) 李海林 彭 杰

（中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地，是中國(guó)石化重要的天然氣生產(chǎn)基地。截至2018 年底，大牛地氣田累計(jì)提交天然氣探明儲(chǔ)量約4 546×108m3，其中可動(dòng)用儲(chǔ)量約354×108m3。目前，大牛地氣田地面工程已建成超50×108m3／a 規(guī)模的集輸系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)氣田集輸系統(tǒng)全覆蓋。自2005 年大牛地氣田10×108m3產(chǎn)能建設(shè)正式啟動(dòng)至今，大牛地氣田已經(jīng)連續(xù)開(kāi)采10 多年，由于天然氣擴(kuò)散作用，大牛地氣田天然氣中甲烷的相對(duì)含量逐漸減少，而乙烷和丙烷的相對(duì)含量逐漸增大并保持在一定范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此有必要對(duì)大牛地氣田天然氣進(jìn)行深加工處理，生產(chǎn)具有高附加值的乙烷、液化石油氣及穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品，提高油氣資源整體利用率，增加經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。

1 天然氣處理現(xiàn)狀與組分變化規(guī)律

1.1 天然氣處理現(xiàn)狀

目前大牛地氣田天然氣主要通過(guò)脫水脫烴站進(jìn)行處理。脫水脫烴站于2015 年建成投入使用，處理規(guī)模為50×108m3／a，處理工藝為“丙烷制冷（-20 ℃淺冷）+冷油吸收”工藝。進(jìn)站天然氣通過(guò)丙烷制冷裝置進(jìn)行脫水脫烴，以此回收天然氣中的部分C3+組分，主要副產(chǎn)品為液化石油氣和穩(wěn)定輕烴［3-4］。處理后的天然氣在增壓站增壓至4.8 MPa 后進(jìn)入“榆濟(jì)線”進(jìn)行外輸。經(jīng)過(guò)脫水脫烴站處理后的外輸天然氣氣質(zhì)指標(biāo)滿足《天然氣：GB 17820-2012》二類指標(biāo)要求。截至2019 年年初，脫水脫烴站累計(jì)生產(chǎn)凝析油和液化石油氣超過(guò)10×104t，經(jīng)濟(jì)效益顯著［5-7］。雖然脫水脫烴站對(duì)天然氣進(jìn)行了一定的處理，但是經(jīng)過(guò)處理后的天然氣組分中仍含有4.6%的乙烷，未對(duì)乙烷進(jìn)行回收；C3+含量為1.83%，液化石油氣回收率僅為13%左右，穩(wěn)定輕烴的回收率僅為30%左右，仍有大部分未進(jìn)行回收［8］。

1.2 乙烷含量規(guī)律及產(chǎn)量趨勢(shì)

大牛地氣田自2005 年進(jìn)入規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，目前共有生產(chǎn)井1 500 余口。通過(guò)對(duì)2005-2018 年共計(jì)5 700多條單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)中天然氣組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，乙烷含量和地質(zhì)開(kāi)采層位有著密切關(guān)系，即開(kāi)發(fā)層位是H1、S2、M5 的乙烷含量均在5%以上，開(kāi)發(fā)層位為T2 的乙烷含量介于4%～5%，開(kāi)發(fā)層位為S1的乙烷含量介于2%～5%，開(kāi)發(fā)層位為H2和H3的乙烷含量低于4%。結(jié)合目前層位開(kāi)發(fā)以及層位未動(dòng)用程度，可以判斷老井的開(kāi)發(fā)繼續(xù)以H1、S1和S2為主；結(jié)合地質(zhì)開(kāi)發(fā)方案及中長(zhǎng)期規(guī)劃，可以判斷未來(lái)新井的開(kāi)發(fā)層位主要以H1、S1、S2 和M5 為主，綜合而言，開(kāi)發(fā)層位乙烷含量均在4%以上。因此，可預(yù)測(cè)乙烷含量整體仍可保持在4%以上，同時(shí)呈現(xiàn)一定上升的趨勢(shì)。

通過(guò)分析老井存量以及新井增量，可以預(yù)測(cè)大牛地氣田2019-2035 年天然氣產(chǎn)量維持在（20～30）×108m3／a；通過(guò)分析乙烷含量與開(kāi)發(fā)層位的關(guān)系，可以預(yù)測(cè)2019-2035年大牛地氣田天然氣乙烷含量為4.49%～4.88%（如圖1），乙烷產(chǎn)量為（11～15）×104t／a，具有較高的回收價(jià)值。

圖1 2019-2045年大牛地氣田天然氣乙烷含量預(yù)測(cè)圖

2 乙烷回收工程方案

2.1 工程設(shè)計(jì)規(guī)模

根據(jù)大牛地氣田近期的產(chǎn)能建設(shè)方案安排，可以預(yù)測(cè)出大牛地氣田2019-2020年產(chǎn)量分別為28.5×108m3／a和29.6×108m3／a；結(jié)合中石化華北油氣分公司關(guān)于大牛地氣田中長(zhǎng)期規(guī)劃和產(chǎn)量遞減規(guī)律，可以預(yù)測(cè)未來(lái)14 年大牛地氣田天然氣平均年產(chǎn)氣量為21.28×108m3，平均日產(chǎn)氣量為644.86×104m3。因此，推薦大牛地氣田乙烷回收工程設(shè)計(jì)規(guī)模為600×104m3／d，處理范圍為（660～420）×104m3／d。針對(duì)前3年天然氣產(chǎn)量大于處理規(guī)模的情況，建議已建脫水脫烴站與新建裝置同時(shí)運(yùn)行，超出處理規(guī)模的小部分天然氣進(jìn)入脫水脫烴站只回收其中部分液化石油氣和穩(wěn)定輕烴，不進(jìn)行乙烷回收。

2.2 產(chǎn)品方案

天然氣乙烷回收工程產(chǎn)品一般可以分為兩類，一是生產(chǎn)乙烷混合物（C2以上所有組分）單一產(chǎn)品，二是生產(chǎn)乙烷、液化石油氣和穩(wěn)定輕烴3種產(chǎn)品。通過(guò)計(jì)算，大牛地氣田乙烷回收工程乙烷混合物年產(chǎn)量為（20～25）×104t，為就地消耗乙烷混合物，需要在本項(xiàng)目建設(shè)地附近配套建設(shè)乙苯或苯乙烯裝置1座，如此的話需要增加大量的成本，因此在沒(méi)有完善的配套工程依托下，該規(guī)模經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)認(rèn)為經(jīng)濟(jì)效益不可行；如果是生產(chǎn)3種產(chǎn)品，乙烷可以通過(guò)槽車銷售至齊魯石化、中原乙烯或者燕山石化，液化石油氣和穩(wěn)定輕烴可在榆林及周邊市場(chǎng)銷售，銷售成本較低。所以大牛地乙烷回收工程產(chǎn)品方案最終確定為乙烷、液化石油氣和穩(wěn)定輕烴［9-12］。

2.3 回收工藝優(yōu)選

大牛地氣田天然氣乙烷含量約為240 mL／m3，組分較貧；二氧化碳含量較高，達(dá)到1.33%。結(jié)合國(guó)內(nèi)外主要乙烷回收工藝的應(yīng)用情況，理論上可以選擇液體過(guò)冷工藝、氣體過(guò)冷工藝和部分干氣循環(huán)工藝作為回收工藝。采用HYSYS 軟件分別對(duì)液體過(guò)冷、氣體過(guò)冷、部分干氣循環(huán)3種工藝進(jìn)行了模擬分析（表1），結(jié)果顯示部分干氣循環(huán)工藝在增加少量投資與運(yùn)行成本的情況下，乙烷回收率顯著提高，可達(dá)99%，產(chǎn)品效益顯著。因此大牛地氣田乙烷回收工程建議采用部分干氣循環(huán)工藝，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。部分干氣循環(huán)工藝主工藝路線如圖2所示。

表1 大牛地氣田采用3種乙烷回收工藝模擬結(jié)果表

圖2 部分干氣循環(huán)工藝主工藝路線框圖

2.4 主要設(shè)備選型

確定了乙烷回收主工藝路線之后，通過(guò)軟件建立了乙烷回收工藝流程（圖3）模型。從圖3 可以看出，乙烷回收工程的主要工藝設(shè)備包括：增壓/膨脹機(jī)組、塔器、冷箱、丙烷制冷機(jī)組、混合冷劑制冷機(jī)組、BOG 壓縮機(jī)組、乙烷儲(chǔ)罐、乙烷裝車泵和尾氣增壓機(jī)組［13-14］。

1）增壓／膨脹機(jī)組：國(guó)內(nèi)外常用的選型是膨脹端選用透平機(jī)，增壓端選用離心式機(jī)組。大牛地氣田乙烷回收工程膨脹機(jī)入口為飽和溫度氣體，國(guó)內(nèi)大部分機(jī)組在膨脹機(jī)內(nèi)不允許出現(xiàn)液體，而國(guó)外機(jī)組則能夠解決膨脹機(jī)入口少量帶液的問(wèn)題，考慮到工況的變化，建議采用進(jìn)口的增壓/膨脹機(jī)。

2）塔器：選用浮閥板式塔，浮閥選用MV-1 和MV-9。

3）冷箱：選用多股流板翹式換熱器。

4）丙烷制冷機(jī)組：利用已有的脫水脫烴站裝置。

5）混合冷劑制冷機(jī)組：流量調(diào)節(jié)要求高，出口壓力2.43 MPa，選用噴油、螺桿式壓縮機(jī)組，主要優(yōu)點(diǎn)是占地小，可通過(guò)滑閥實(shí)現(xiàn)0～100%流量調(diào)節(jié)。

6）BOG壓縮機(jī)組：進(jìn)出壓力比高，需采用多級(jí)壓縮；BOG 氣量不穩(wěn)定，多級(jí)控制調(diào)節(jié)排氣量，選用往復(fù)式壓縮機(jī)組。

7）乙烷儲(chǔ)罐：采用10 000 m3雙金屬全包容常壓儲(chǔ)罐，提高儲(chǔ)存的安全等級(jí)。

8）乙烷裝車泵：置于乙烷儲(chǔ)罐內(nèi)，時(shí)刻處于低溫狀態(tài)，啟動(dòng)后隨時(shí)可供液。

9）尾氣增壓機(jī)組：進(jìn)出壓力比高，出口壓力達(dá)到4.6～6.0 MPa，選用往復(fù)式機(jī)組。由于入口介質(zhì)成分為90%的二氧化碳和10%的水（mol%），目前國(guó)內(nèi)同類處理規(guī)模機(jī)組處于研發(fā)試驗(yàn)階段，建議采用進(jìn)口設(shè)備。

圖3 乙烷回收工藝流程示意圖

3 乙烷回收工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 投資效益分析

按照確定的大牛地氣田天然氣乙烷回收方案，通過(guò)查詢相關(guān)造價(jià)定額和調(diào)研相關(guān)設(shè)備廠家價(jià)格，預(yù)計(jì)大牛地氣田天然氣乙烷回收工程項(xiàng)目總投資為79 979萬(wàn)元（表2），其中設(shè)備費(fèi)38 200萬(wàn)元，材料費(fèi)2 440萬(wàn)元，安裝費(fèi)11 500萬(wàn)元，建筑工程費(fèi)8 400萬(wàn)元，其他費(fèi)用14 600萬(wàn)元。

根據(jù)《中石化油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》中關(guān)于油氣田開(kāi)發(fā)改擴(kuò)建項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法的“有無(wú)項(xiàng)目對(duì)比法”，通過(guò)軟件分析，大牛地氣田乙烷回收工程預(yù)計(jì)在14 年評(píng)價(jià)期內(nèi)累計(jì)消耗原料氣16.5×108m3，可生產(chǎn)乙烷166.3×104t、液化石油氣51×104t和穩(wěn)定輕烴22.8×104t。按照天然氣銷售價(jià)格1.24 元／m3（不含稅），乙烷、液化氣和穩(wěn)定輕烴銷售價(jià)格3 000元／t（不含稅）計(jì)算，稅后內(nèi)部收益率為15.19%，投資回收期為6.86 年，年凈利潤(rùn)（含稅）16 479萬(wàn)元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 大牛地氣田乙烷回收工程投資預(yù)算表 單位：萬(wàn)元

3.2 不確定性分析

3.2.1 目標(biāo)市場(chǎng)分析

目前大牛地氣田周邊有乙烯裝置的廠家共有2家。一是中天合創(chuàng)煤加工基地，該基地距離大牛地處理廠約55 km，其現(xiàn)有乙烯裝置不是以乙烷為原料，若要消化本項(xiàng)目乙烷，需要配套以乙烷位原料的乙烯裂解裝置，投資較大；二是中石油蘭州石化榆林乙烷制乙烯項(xiàng)目，兩地相距約為70 km，該裝置乙烷處理能力有限，如果要全年均衡接收，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備裝置重新設(shè)計(jì)及改造。

中國(guó)石化內(nèi)部有乙烯裝置的企業(yè)主要有4家，分別是齊魯石化、中原乙烯、燕山石化和天津石化。綜合考慮各方面因素，最終有能力和意愿接收大牛地氣田乙烷產(chǎn)品的企業(yè)為3家。這3家企業(yè)整體上能夠全部吸收大牛地氣田乙烷回收工程的乙烷產(chǎn)量，但是對(duì)原料乙烷的具體技術(shù)要求還需要進(jìn)一步統(tǒng)一明確。同時(shí)3 家企業(yè)與大牛地氣田距離相對(duì)較遠(yuǎn)（齊魯石化距離本項(xiàng)目約970 km，中原乙烯距離本項(xiàng)目約820 km，燕山石化距離本項(xiàng)目750 km），運(yùn)輸成本較高，長(zhǎng)途運(yùn)輸還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 敏感性分析

大牛地乙烷回收工程評(píng)價(jià)期內(nèi)影響內(nèi)部收益率的主要因素為建設(shè)投資、產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品產(chǎn)量和經(jīng)營(yíng)成本［15］，針對(duì)上面的方案對(duì)其進(jìn)行了單因素變化的稅后敏感性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。從敏感性分析結(jié)果可以看出，產(chǎn)品價(jià)格對(duì)項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響最大，其次是產(chǎn)品產(chǎn)量和建設(shè)投資，經(jīng)營(yíng)成本的變化對(duì)項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響相對(duì)較小。

表3 單因素對(duì)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的敏感性分析對(duì)照表

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過(guò)對(duì)大牛地氣田天然氣老井存量和新井增量的預(yù)測(cè)，2019-2035 年天然氣產(chǎn)量保持在20×108m3／a；通過(guò)對(duì)大牛地氣田乙烷含量規(guī)律的分析，2019-2035 年乙烷含量保持在4.4%～4.9%，波動(dòng)不大，乙烷產(chǎn)量有保障。

2）大牛地乙烷回收工程采用部分干氣循環(huán)工藝，獲得乙烷、液化石油氣及穩(wěn)定輕烴3種產(chǎn)品，乙烷回收率大于95%，技術(shù)路線先進(jìn)、可靠。

3）大牛地氣田乙烷回收工程預(yù)計(jì)投資7.9億元，年凈利潤(rùn)為1.6 億元，內(nèi)部收益率（稅后）為15.19%，投資回收期（稅后）為6.86年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）由于大牛地氣田乙烷回收工程目標(biāo)市場(chǎng)為中石化內(nèi)部3家煉化企業(yè)，分別為齊魯石化、中原乙烯和燕山石化，但是3 家企業(yè)距離大牛地氣田距離較遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本較高，乙烷的具體接收量需要進(jìn)一步協(xié)商確定。