趙發(fā)軍 王曉梅 趙翼

摘要：本文以長(zhǎng)慶油田上古天然氣處理總廠為例，針對(duì)運(yùn)行中存在冷劑壓縮機(jī)能耗過(guò)大和乙烷收率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)狀，進(jìn)行天然氣深冷工藝混合制冷劑配比和工況適應(yīng)性的優(yōu)化研究。本研究運(yùn)用HYSYS流程模擬軟件，搭建天然氣深冷工藝計(jì)算模型，針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的J－T閥模式乙烷液化、J－T閥模式乙烷外輸和膨脹機(jī)乙烷外輸模式三種工況核算出混合冷劑最優(yōu)配比。實(shí)踐表明，冷劑壓縮機(jī)節(jié)約能耗大于原能耗的10%，膨脹機(jī)乙烷外輸模式乙烷收率達(dá)到92.78%，滿足設(shè)計(jì)收率92%的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：天然氣深冷工藝；混合制冷劑；配比優(yōu)化；工況適應(yīng)

長(zhǎng)慶油田上古天然氣處理總廠（以下簡(jiǎn)稱處理總廠）聯(lián)合裝置設(shè)計(jì)天然氣處理負(fù)荷200×108m3/a，設(shè)置4列規(guī)模為1500×104m3/d天然氣處理裝置，是國(guó)內(nèi)最大的大型乙烷回收工廠。裝置采用“冷劑制冷+膨脹制冷+氣氣過(guò)冷+低溫精餾”工藝回收天然氣中C2+組分，精餾分離后得到貧氣、乙烷、液化氣、穩(wěn)定輕烴等產(chǎn)品，年產(chǎn)乙烷105.27萬(wàn)t、液化石油氣35.63萬(wàn)t和穩(wěn)定輕烴9.3萬(wàn)t。

處理總廠投料試車以來(lái)，生產(chǎn)乙烷過(guò)程歷經(jīng)三種不同工況，分別對(duì)應(yīng)制冷機(jī)組的三種工作狀態(tài)，包括J﹣T閥模式乙烷液化、J﹣T閥模式乙烷外輸和膨脹機(jī)乙烷外輸模式，運(yùn)行工況均大程度偏離設(shè)計(jì)“冷劑制冷+膨脹制冷”模式的技術(shù)指標(biāo)。本文根據(jù)實(shí)際工況搭建系統(tǒng)模型，優(yōu)化不同工況下的混合冷劑加注配比，合理調(diào)整混合冷劑壓縮機(jī)參數(shù)和各項(xiàng)工藝指標(biāo)，旨在提高制冷效率，確保產(chǎn)品收率和能耗指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

一、各工況下模型的核算

處理總廠裝置投產(chǎn)過(guò)程中參考長(zhǎng)慶設(shè)計(jì)院提供的混合冷劑組分進(jìn)行冷劑系統(tǒng)的冷劑補(bǔ)充，混合冷劑由甲烷、乙烯、丙烷、異丁烷四種組成，組分比例構(gòu)成為25.77：38.94：19.69：14.6。鑒于混合冷劑制冷過(guò)程是復(fù)雜的熱力學(xué)效應(yīng)交互作用的結(jié)果，本研究的方法是基于長(zhǎng)慶設(shè)計(jì)院提供的初步冷劑組分，首先確定實(shí)驗(yàn)影響因素及優(yōu)化指標(biāo)，再參考實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況，基于主裝置工藝相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝流程和設(shè)計(jì)參數(shù)，利用HYSYS流程模擬軟件建模，根據(jù)各列原料氣組分、混合冷劑組分配比、功耗、壓縮機(jī)實(shí)際工況優(yōu)化調(diào)整冷劑系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)、合理調(diào)整主工藝溫度梯度。通過(guò)建立系統(tǒng)工藝計(jì)算模型，改變冷劑組分以影響冷箱的冷熱換熱曲線、冷箱的夾點(diǎn)溫差，核算冷劑壓縮機(jī)負(fù)荷，從而得到每種工況下混合冷劑最佳配比。

本文采用Aspen plus V11版本，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程圖，基于表1混合冷劑系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在不同工況下，通過(guò)建立的工藝模型進(jìn)行核算，混合冷劑壓縮機(jī)和工藝參數(shù)差異較大，對(duì)J﹣T閥模式乙烷液化、J﹣T閥模式乙烷外輸和膨脹機(jī)乙烷外輸模式等三種工況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，在不同工況下運(yùn)行，混合冷劑系統(tǒng)所匹配的冷負(fù)荷差異較大，尤其是在J﹣T閥模式乙烷液化工況下運(yùn)行，所需混合冷劑負(fù)荷最大，實(shí)際乙烷收率最低。

在三種不同工況下，優(yōu)化混合冷劑系統(tǒng)工藝參數(shù)，確定不同模式下混合冷劑最佳配比：

（一）J﹣T閥模式乙烷液化工況

JJ﹣T閥模式乙烷液化工況運(yùn)行時(shí)，以混合冷劑壓縮機(jī)功率最低為優(yōu)化指標(biāo)，使用建立的工藝模型進(jìn)行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4 ：C2H4：C3H8 ：i－C4=25.7：37.38：17.06：19.86。此時(shí)，冷劑壓縮機(jī)功耗為9260kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整機(jī)組混合冷劑比例，實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)如表2所示。

（二）J﹣T閥模式乙烷外輸工況

J﹣T閥模式乙烷外輸工況運(yùn)行時(shí)，以混合冷劑壓縮機(jī)功率最低為優(yōu)化指標(biāo)，使用建立的工藝模型進(jìn)行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4：C2H4：C3H8：i－C4=27.5：35：20：17.5。此時(shí)，冷劑壓縮機(jī)功耗為8427kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整機(jī)組混合冷劑比例，實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)如表3所示。

（三）膨脹機(jī)乙烷外輸工況

膨脹機(jī)模式乙烷外輸工況運(yùn)行時(shí)，以混合冷劑壓縮機(jī)功率最低為優(yōu)化指標(biāo)，使用建立的工藝模型進(jìn)行衡算。此工況下混合冷劑最佳配比為CH4：C2H4：C3H8：i－C4=28.95：34.21：13.16：23.68。此時(shí)冷劑壓縮機(jī)功耗為7532kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整機(jī)組混合冷劑比例，實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)如表4所示。

三種運(yùn)行模式下，主冷箱換熱負(fù)荷情況對(duì)比如表5所示。

經(jīng)對(duì)比以上三種運(yùn)行工況可知，以混合冷劑壓縮機(jī)功率為衡算指標(biāo)，混合冷劑壓縮機(jī)功率在三種運(yùn)行模式中，膨脹機(jī)乙烷外輸工況運(yùn)行為最經(jīng)濟(jì)模式工況。

二、冷劑配比優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過(guò)每種工況下主冷箱換熱效率的核算，最終確定了每種工況下混合冷劑的最佳配比，并進(jìn)行單列冷劑組分調(diào)整，計(jì)算乙烷收率，如表6所示。

（一）J﹣T閥模式乙烷液化工況

2021年4月1日至4月8日，B列裝置開始按照確定

的混合冷劑最佳配比進(jìn)行調(diào)整，乙烷氣液化負(fù)荷由15.96×104Nm3/d緩慢升高至18.90×104Nm3/d后，裝置液態(tài)乙烷產(chǎn)量由188.71t升至216.14 t，當(dāng)月乙烷氣日平均液化負(fù)荷為18.42×104Nm3/d，液態(tài)乙烷日平均產(chǎn)量為214.53t。

（二）J﹣T閥模式乙烷外輸工況

2021年6月12日至6月30日，D列裝置按照確定的混合冷劑最佳配比進(jìn)行調(diào)整，乙烷氣外輸負(fù)荷由42.32×104Nm3/d緩慢升高至51.49×104Nm3/d后，乙烷外輸產(chǎn)量由564.32t上升至686.59t，乙烷氣日平均外輸量為50.34×104Nm3/d，日平均產(chǎn)量為671.26t。

綜上所述，將J﹣T閥模式乙烷液化工況和J－T閥模式乙烷外輸工況，按照工藝模型核算的最優(yōu)混合冷劑配比進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，合理調(diào)整混合冷劑壓縮機(jī)和液烴回收裝置工藝運(yùn)行參數(shù)，提高了冷劑壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，進(jìn)一步提升了乙烷產(chǎn)量和收率，冷劑壓縮機(jī)節(jié)約能耗大于原能耗的10%，J﹣T閥模式乙烷液化和乙烷外輸工況冷劑配比調(diào)整效果如圖1所示。

（三）膨脹機(jī)乙烷外輸工況

自膨脹機(jī)于2021年10月15日投用后，采用模擬核算的混合冷劑配比，依次對(duì)液烴回收裝置低溫分離器溫度、回流貧氣流量和溫度、過(guò)冷原料氣流量和溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)參。低溫分離器溫度優(yōu)化調(diào)整為﹣68.72～﹣68.01℃，過(guò)冷原料氣流量?jī)?yōu)化調(diào)整為7.3817～7.6002×104Nm3/h、過(guò)冷原料氣溫度為﹣100.32～﹣99.78℃，回流貧氣流量?jī)?yōu)化調(diào)整為5.20～5.4836×104Nm3/h，回流貧氣溫度為﹣98.77～﹣98.37℃。關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)上述優(yōu)化后，裝置乙烷收率提高了10%，達(dá)到92.78%，滿足設(shè)計(jì)收率92%的技術(shù)要求?，F(xiàn)將2021年12月4日至12月9日優(yōu)化后的關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)乙烷收率統(tǒng)計(jì)，如表7所示。