唐 敏，劉 博，許 騫

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

天然氣乙烷的回收是一種將乙烷和重組分與天然氣中輕質(zhì)組分（例如甲烷）進(jìn)行分離的過程，回收的乙烷、天然氣凝液（NGL）產(chǎn)品可以顯著提高油田的經(jīng)濟(jì)效益[1]。 過去國內(nèi)大多數(shù)凝液回收裝置僅對天然氣中的丙烷及更重組分進(jìn)行了回收，而隨著國際原油價格的逐步升高，以及意識到利用乙烷制備乙烯的優(yōu)勢[2]，目前中石油塔里木、長慶等油氣田正積極投入到乙烷回收工程的建設(shè)中。 大量企業(yè)和機(jī)構(gòu)正在積極倡導(dǎo)研發(fā)高效的乙烷回收流程。

現(xiàn)今乙烷回收流程較多， 其中RSV（Recycle Split Vapor） 流程因其較高的乙烷回收率而得到廣泛應(yīng)用，部分RSV流程的現(xiàn)場運(yùn)用案例見表1[3]。 富氣乙烷回收流程相比貧氣乙烷回收流程換熱結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，用能分析顯得尤為重要[4,5]。

本文選取國內(nèi)某擬建乙烷回收處理廠原料氣工況作為本次研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將帶有丙烷制冷系統(tǒng)的RSV流程與創(chuàng)新設(shè)計的帶有自冷循環(huán)和吸收塔的分流換熱流程進(jìn)行熱力學(xué)分析，由此比較和評價兩種流程的優(yōu)劣。

1 流程介紹

對富氣進(jìn)行乙烷回收往往總能耗較高，但回收凝液多，油氣田經(jīng)濟(jì)效益更好[6]。 本文針對富氣乙烷回收提出兩種適宜的改進(jìn)流程：(1)帶丙烷制冷循環(huán)的RSV改進(jìn)流程（RPC）；(2)結(jié)合吸收塔和自冷循環(huán)的分流預(yù)熱乙烷回收流程（SPAS）。

表1 RSV現(xiàn)場運(yùn)用案例Table 1 Field application examples of RSV processes

表2 原料氣氣質(zhì)工況Table 2 Composition and parameters of feed gas

表3 流程模擬基礎(chǔ)參數(shù)及控制指標(biāo)Table 3 Basic and controlled parameters during simulation

1.1 RPC流程

RSV流程由Ortloff公司開發(fā)，是基于GSP流程的一種改進(jìn)流程[8]。 該流程引入少量外輸干氣冷凝后作為脫甲烷塔塔頂回流，可實現(xiàn)較高的乙烷回收率（＞95%），同時對原料氣氣質(zhì)工況適應(yīng)性也較好，目前塔里木輪南輕烴處理廠和長慶上古天然氣處理廠均采用的此種工藝。

在富氣條件下， 在RSV流程上增加丙烷輔助制冷系統(tǒng)，以提高流程制冷量、降低原料氣預(yù)冷溫度。改進(jìn)流程RPC流程示意圖如圖1所示。

RPC流程在富氣條件下保留了RSV流程高乙烷回收率的優(yōu)點。 同時單一的丙烷輔助制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。RPC流程較高的低溫分離器分離溫度，可增大低溫分離器的分離氣相量，使透平膨脹機(jī)膨脹端進(jìn)氣量增大，增大透平傳輸功。RPC流程丙烷制冷循環(huán)采用兩級制冷， 有效節(jié)省制冷循環(huán)能耗，且制冷循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單。

1.2 SPAS流程

RSV流程通過引入部分外輸干氣作回流可實現(xiàn)較高的乙烷回收率，但此舉會大幅增加外輸壓縮機(jī)功耗。 為研發(fā)低能耗和高回收率的創(chuàng)新乙烷回收流程，本文基于GSP流程，結(jié)合國外的IPSI-1[9,10]、IPSI-2[11]流程的內(nèi)部自冷方法和吸收塔氣提分離工藝，提出一種適宜富氣的創(chuàng)新乙烷回收流程SPAS。 SPAS流程示意圖如圖2。

改進(jìn)后的SPAS流程具有以下特點：（1） 原料氣采用分流預(yù)冷， 兩股原料氣預(yù)冷后存在較大溫差，溫度更低的物流進(jìn)入吸收塔塔頂，溫度更高氣相物流從吸收塔下部進(jìn)入對吸收塔中的冷凝重?zé)N進(jìn)行汽提；（2） 使原料氣中的甲烷與乙烷等輕烴在吸收塔中完成預(yù)分離，降低脫甲烷塔的分離負(fù)荷。

圖3描述了吸收塔中各塔板液相組分變化情況。脫甲烷塔底C2+凝液作為自冷循環(huán)制冷劑為原料氣預(yù)冷提供冷量， 顯著提高換熱冷箱的熱集成度，相比丙烷制冷循環(huán)能耗更低。 因C2+凝液量少，不足以對原料氣和脫乙烷塔塔頂氣同時供冷，故此流程增加氣化潛熱更大的異丁烷為脫乙烷塔塔頂氣制冷。 圖2SPAS流程中原料氣上部分流與外輸氣換熱溫差大，可采用常規(guī)板式換熱器以減小設(shè)備成本。

圖1 RPC流程示意圖Fig. 1 Schematic of RPC process

圖2 SPAS流程示意圖Fig. 2 Schematic of SPAS process

圖3 吸收塔中各塔板液相組分變化曲線Fig. 3 Mass fractions of liquid components in trays of absorber

2 流程熱力學(xué)分析

2.1 能耗分析

諸如壓縮機(jī)、 重沸器的供給能源種類不同，而不同能源的獲取代價存在差異，故不能簡單地采用功率對不同裝置的能耗進(jìn)行比較。 可采用《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008）[12]中單位能耗的評價方法描述流程裝置的用能情況。

需特別指出：本文以C2+凝液作為能耗分析用的唯一產(chǎn)品，并忽略空冷器、泵等低能耗設(shè)備的用能情況，本文重沸器采用導(dǎo)熱油供熱，壓縮機(jī)采用電驅(qū)動，導(dǎo)熱油和電能折算為綜合能耗的公式見（1）、（2）[13]。

式中：H1-電耗能折算為綜合能耗值，104MJ/d；Q1-用電功率，kW；C1-電能轉(zhuǎn)換系數(shù)，11.84MJ/kWh。

式中：H2-導(dǎo)熱油傳熱量折算為綜合能耗值，104MJ/d；Q2-重沸器負(fù)荷，kW；C2-導(dǎo)熱油傳熱系數(shù)， 取1.1；C3-導(dǎo)熱油熱效率，取0.85。

利用HYSYS軟件對兩種流程進(jìn)行模擬，各流程能耗如表4所示。 RPC流程分離器分離氣相比SPAS流程吸收塔塔頂氣相更多， 透平膨脹機(jī)進(jìn)氣量更大，故RPC流程具有更多的透平膨脹功。采用外輸氣回流工藝的RPC流程外輸氣循環(huán)量高于SPAS流程，同時由于SPAS流程透平膨脹機(jī)壓縮端和外輸壓縮機(jī)進(jìn)料溫度更低，使得SPAS流程的外輸壓縮機(jī)功耗明顯低于RPC流程。 SPAS流程的自冷及異丁烷的組合制冷方式，相比RPC流程的兩級丙烷制冷工藝，制冷劑循環(huán)量更少，制冷循環(huán)能耗優(yōu)勢明顯。 整個流程SPAS壓縮機(jī)功耗比RPC低2459kW。 SPAS流程的綜合能耗僅為RPC流程的84.7%，RPC流程的單位能耗高出SPAS流程18.1%。 可見，SPAS具有較明顯節(jié)能優(yōu)勢。

表4 兩種流程主要用能對比Table 4 Energy consumption comparison of two processes

2.2 熱集成分析

圖4展示了RPC預(yù)冷換熱器LNG-101和深冷換熱器LNG-102的組合曲線。 由于RPC采用了共沸制冷劑-丙烷，且由于外輸回流干氣溫度較高（45℃），導(dǎo)致RPC流程中的預(yù)冷換熱器在丙烷換熱階段和預(yù)冷換熱器熱端換熱溫差均較大。而SPAS采用兩個換熱器（LNG-101、E-101）對原料氣進(jìn)行預(yù)冷，在換熱器LNG-101中的冷組合曲線更加貼近熱組合曲線（如圖5）。 而對于深冷換熱器LNG-102，二者的換熱效果則相差不大。 可見原料氣的分流換熱和自冷更加有利于換熱物流的溫度匹配，流程熱集成度也更高。

SPAS流程的換熱器E-101大溫差換熱雖然會增大換熱過程的不可逆性，但是可提高吸收塔底進(jìn)料物流溫度，降低換熱后的外輸氣溫度，即增強(qiáng)了吸收塔的氣提效果， 又可有效降低外輸壓縮機(jī)負(fù)荷。E-101也可采用更經(jīng)濟(jì)的管殼式換熱器， 這是分流換熱流程的一大優(yōu)點。

圖4 RPC換熱器熱組合曲線Fig. 4 Composite curves of heat exchangers in RPC

圖5 SPAS換熱器熱組合曲線Fig. 5 Composite curves of heat exchangers in SPAS

2.3 制冷循環(huán)分析

RPC流程的壓焓圖和溫熵如圖6和圖7所示，RPC采用兩級丙烷制冷系統(tǒng)分別對原料氣和脫乙烷塔頂氣供冷， 而脫乙烷塔頂氣所需的丙烷溫位約-12℃（點P8）， 此時對應(yīng)的蒸發(fā)壓力約為320kPa。RPC流程丙烷制冷循環(huán)能耗較高的主要原因有：（1）制冷循環(huán)兩級壓比不均勻，特別是二級（P3→P4）壓比較大，約5.3；（2）脫乙烷塔頂氣需冷量較大，有1200kmol/h的丙烷用于脫乙烷塔頂氣制冷， 分離器（V-104） 分離出1886kmol/h的氣相進(jìn)入二級壓縮機(jī)，而進(jìn)入深度制冷的丙烷僅1714kmol/h。大流量和大壓比造成丙烷制冷循環(huán)二級壓縮機(jī)的能耗較高。

圖6 RPC丙烷制冷循環(huán)壓焓圖Fig. 6 Pressure-enthalpy diagram of propane cycle in RPC

圖7 RPC丙烷制冷循環(huán)溫熵圖Fig. 7 Temperature-entropy diagram of propane cycle in RPC

圖8 SPAS自冷循環(huán)壓焓圖Fig. 8 Pressure-enthalpy diagram of self-cooling cycle in SPAS

SPAS內(nèi)部自冷循環(huán)的壓焓圖和溫熵圖如圖8和圖9。 SPAS流程的內(nèi)部自冷循環(huán)也采用兩級壓縮流程，一級節(jié)流至900kPa后分離出多余的輕組分可有效減小一級壓縮機(jī)的處理量， 分離器V-103分離出的飽和液相經(jīng)過二級節(jié)流至250kPa（-48.1℃），相比單一的丙烷制冷可提供更低的溫位，更有利于乙烷回收率的提高。 相比于丙烷制冷，SPAS的混合制冷劑只對原料氣預(yù)冷， 沒有RPC流程脫乙烷塔頂氣耗冷過多的情況，因此SPAS的兩級制冷壓縮機(jī)壓比更均勻（一級4.1，二級3.1），整個循環(huán)量相比RPC的丙烷制冷劑也更小，節(jié)能效果明顯。

圖9 SPAS自冷循環(huán)溫熵圖Fig. 9 Temperature-entropy diagram of self-cooling cycle in SPAS

SPAS流程脫乙烷塔頂氣單獨采用氣化潛熱更大的異丁烷制冷， 可有效降低循環(huán)量和壓縮機(jī)能耗。 異丁烷制冷系統(tǒng)采用單級壓縮流程，流程結(jié)構(gòu)形式簡單，也易于實際控制。 圖10和圖11描述了異丁烷制冷系統(tǒng)的壓力和焓以及溫度和熵的變化過程。 SPAS采用了自冷和異丁烷組合的方式，相對于RPC將增加一臺壓縮機(jī)和控制系統(tǒng)。

圖10 SPAS異丁烷制冷循環(huán)壓焓圖Fig. 10 Pressure-enthalpy diagram of isobutane cycle in SPAS

圖11 SPAS異丁烷制冷循環(huán)溫熵圖Fig. 11 Temperature-entropy diagram of isobutane cycle in SPAS

制冷系數(shù)（COP）是評價制冷系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)， 表示消耗單位功耗所能獲得的冷量，即為制冷劑在換熱器（蒸發(fā)器）中吸收的熱量（Qev）比上壓縮機(jī)對制冷劑增壓所消耗的功（Wco）。COP的計算公式[14]如下：

表5 各流程COP計算結(jié)果Table 5 COP calculation results of each process

由表5的計算結(jié)果可知，RPC采用兩級丙烷制冷產(chǎn)生兩級溫位對兩處物流供冷，雖然壓縮能耗較高但其COP高于同樣是兩級壓縮制冷的SPAS自冷循環(huán)。而SPAS脫乙烷塔頂氣采用的異丁烷單級制冷循環(huán)的制冷效率較高，可達(dá)2.536，可見采用單一制冷劑減小制冷溫位數(shù)量有利于提高制冷循環(huán)COP。 從COP角度綜合比較， 兩種流程制冷循環(huán)的制冷性能接近。

3 結(jié)論

針對中國某擬建乙烷回收處理廠的原料氣工況， 通過將帶有丙烷制冷循環(huán)的RSV流程和帶有吸收塔和自冷循環(huán)的SPAS流程進(jìn)行模擬及對比分析，得到的主要結(jié)論有：

（1）RPC流程采用兩級丙烷制冷系統(tǒng)分別為原料氣和脫乙烷塔頂氣提供冷量，在富氣條件下具有較高的乙烷回收率。創(chuàng)新提出的SPAS流程增設(shè)吸收塔強(qiáng)化原料氣中輕組分與重組分的預(yù)分離，并利用脫甲烷塔底C2+凝液作為自冷循環(huán)制冷劑為原料氣供冷并結(jié)合異丁烷制冷循環(huán)為脫乙烷塔頂氣供冷，兩套制冷循環(huán)獨立，SPAS流程在富氣條件下也可保證回收率在95%以上。

（2）對比兩種流程的能耗發(fā)現(xiàn)，RPC流程透平膨脹功更高，自身外輸氣循環(huán)量大，外輸壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度高， 導(dǎo)致RPC流程外輸壓縮機(jī)功耗明顯高于SPAS流程外輸壓縮機(jī)。 由于SPAS流程采用內(nèi)部自冷循環(huán)， 相對RPC流程具有更小的循環(huán)量，SPAS流程的制冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗遠(yuǎn)低于RPC流程，SPAS流程綜合能耗僅為RPC流程的84.7%。 從能耗角度來看，SPAS流程明顯優(yōu)于RPC流程。

（3） 通過對比RPC和SPAS流程的熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)采用內(nèi)部混合制冷劑的SPAS流程在多股流換熱器LNG-101中的熱集成度明顯優(yōu)于采用丙烷制冷循環(huán)的RPC流程。 SPAS的換熱器E-101大溫差換熱雖然會增大換熱過程的不可逆性，但增強(qiáng)了吸收塔的氣提效果，又可降低外輸壓縮機(jī)負(fù)荷。 從兩種流程的制冷循環(huán)壓焓圖和溫熵圖來看，兩級壓比不均勻造成RPC流程制冷壓縮機(jī)能耗遠(yuǎn)大于SPAS流程。