基于RSV工艺装置提高乙烷收率的工艺技术_崔连来.pdf

基于 工艺装置提高乙烷收率的工艺技术崔连来中国石化中原油田分公司摘要：目的 为研究大型天然气深冷工艺装置因膨胀机未投运、关键工艺参数未及时优化调整造成脱甲烷塔操作难度大等导致装置乙烷收率降低等问题，现采用适时投运膨胀机、优化液烃回收装置关键工艺参数等措施开展提高乙烷收率的工艺技术研究。方法 基于 软件建立装置工艺计算模型，对比分析低温分离器温度、回流贫气和过冷原料气流量及温度等关键设计运行参数对提高乙烷收率的影响，考查上述关键工艺参数对装置乙烷收率的效果。结果 经现场验证得出结论，低温分离器温度优化为 ，回流贫气流量和温度分别调整为（）、，过冷原料气流量和温度分别调整为（）、，装置实现液烃产品年增产 。结论 该项目的应用可实现装置乙烷平均收率由 提高至 以上，每年可以获得较高的经济效益，具有较大的推广价值。关键词：天然气；工艺；深冷工艺；提高；乙烷收率 ：引用格式：崔连来基于 工艺装置提高乙烷收率的工艺技术石油与天然气化工，（）：，（）：，：，（），（），（），（），：；伴随国内炼油行业产业链的快速增长，乙烯工业的产能也随之骤增，乙烯原料供应结构呈现多元化、轻质化的发展态势。其中，利用乙烷生产乙烯收率高达 ，而利用石脑油生产乙烯收率仅为 ，且前者生产成本仅为后者的 ，相较而言，利用乙烷生产乙烯更具优势。因此，开展天然气乙烷回收工艺技术研究，不仅提高了天然气资源的综合利用率，推动天然气产品多元化，而且促进了我国乙烯原料的优质化，实现乙烯石化全产业链效益的最大化。目前，天然气乙烷回收工艺中的低温分离法占据主导地位。其中，国外应用较多的主要有液体过冷工艺（，）、气体过冷工艺（，）、部分干气再循环工艺石 油 与 天 然 气 化 工 作者简介：崔连来，年生，硕士研究生学历，高级工程师，年毕业于天津大学化学工程专业，从事天然气化工方面的工作，发表论文近篇，多次荣获局级科技奖励。：（，）和 高 压 吸 收 工 艺（，）等，工艺应用最为广泛。国内乙烷回收工艺装置主要分布在大庆油田、中原油田、长庆油田和塔里木油田 。其中，工艺是在 的基础上，将压缩后的部分高压贫气在冷箱中与脱甲烷塔塔顶贫气换热降温，经节流后作为塔顶回流返回至脱甲烷塔顶部。回流贫气不断吸收脱甲烷塔塔顶气相的重烃组分（简称），最大限度地减少的损失 。等 研究了 工艺提高换热效率的方法，在其专利中优化了热集成流程，运用低温贫气与原 料 气 等 热物流 换热，提 高 了 换 热 效 率。等 研究了 工艺提高乙烷收率的方法，在其专利中利用增设吸收塔或过冷原料气多级冷凝的方法，充分回收脱甲烷塔物流冷量，提高装置乙烷收率。蒋洪等 在 工艺基础上研究影响装置乙烷收率的关键因素，分别基于原料气气质、冻堵裕量、贫气回流比等关键参数进行定量分析，采取调配原料气气质、提高过冷原料气重烃含量、优化贫气回流比等有效措施，提高装置乙烷收率。因此，立足于天然气深冷装置的生产运行，创建 工艺计算模型，对研究分析提高装置乙烷收率具有重要意义。装置运行问题 概况国内某大型天然气深冷乙烷回收联合装置设计原料气处理负荷为 ，设置列规模为 的天然气深冷装置，操作弹性为 。单列装置采用“冷剂制冷膨胀制冷”组合工艺回收天然气中的，生产贫气、乙烷、液化气、稳定轻烃产品，贫气产品经增压后外输至国家管网，气相乙烷、液化气和稳定轻烃产品输送至下游用户。天然气深冷装 置 核 心 单 元 为 液 烃（，）回收装置，装置通过“冷剂制冷膨胀制冷”组合工艺回收天然气中乙烷及，并精馏分离得到贫气、含碳乙烷气和 混烃。其中，单列装置设计原料气处理量为 ，操作弹性为 ，工艺流程如图所示。运行问题 膨胀机未及时投用对乙烷收率的影响受“新冠”疫情影响，膨胀机 厂家无法到现场对装置进行调试，装置处于阀工况运行，其所需冷量由混合冷剂和阀提供，导致装置乙烷收率降低。而在膨胀机工况下，其冷量由混合冷剂和膨胀机提供。与膨胀机制冷相比，阀制冷效率较低，约为膨胀机效率的 ，由此造成混合冷剂运行负荷较大，如表所列。表混合冷剂压缩机和贫气压缩机负荷情况工况混合冷剂压缩机负荷贫气压缩机负荷阀工况 膨胀机工况 关键工艺参数未及时优化调整对乙烷收率的影响在装 置 投 产 运 行 期 间，低 温 分 离 器 温 度 由 波动至 ，波动幅度高达，造第 卷第期 崔连来基于 工艺装置提高乙烷收率的工艺技术成 脱 甲 烷 塔 侧 线 流 量 由 增 至 、脱甲烷塔运行压差由 增至 ，且回流贫气和过冷原料气温度和流量等关键工艺参数波动造成脱甲烷塔精馏段发生液泛，最终导致脱甲烷塔运行不稳定，直接降低了脱甲烷塔生产通 量 和 分 离 效 率，导 致 乙 烷 收 率 降 低，仅 为 ，关键工艺参数运行趋势如图所示。提高乙烷收率工艺参数优化研究基于天然气深冷工艺装置生产运行状况，通过创建 工艺计算模型，对比分析低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键设计工艺参数，实现单列装置乙烷收率由 提高至 。理论模型分析基本条件 原料气组分数据天然气 深冷工艺装置原料气气源中摩尔分数为 ，其设计值为 ，相比较而言，实际原料气中乙烷摩尔分数降低约 ，原料气组成如表所列。表原料气组成原料气组分实际摩尔分数设计摩尔分数 注：原料气组成取自 年月日的实验数据。基本参数装置原料气进站压力（表压）为 ，温度为 ，原料气处理量为 ，处理负荷为 ，装置原料气关键参数如表所列。表装置关键参数工艺参数数值单列装置原料气负荷（）原料气来气压力 原料气来气温度 原料气中实际摩尔分数 原料气中设计摩尔分数 工艺模型的搭建液烃回收工艺主要包含脱甲烷塔工艺、脱乙烷塔工艺、乙烷液化工艺等，其主要工艺参数如表所列，基于上述工艺流程、原料气基本参数和装置设计及运行参数，通过 化工软件搭建液烃回收装置工艺计算模型。表液烃回收装置工艺运行参数项目设计数据原料气处理量（）干燥原料气进冷箱温度 干燥原料气出冷箱温度 天然气进冷箱压力 低温分离器出口温度 膨胀机入口压力 脱甲烷塔塔顶压力 脱甲烷塔塔顶温度 脱甲烷塔塔底温度 脱甲烷塔塔板压差 回流贫天然气流量（）回流贫天然气出冷箱温度 过冷原料天然气流量（）过冷原料气出冷箱温度 复热贫气出主冷箱温度 冷剂分离器出口温度 冷剂进主冷箱压力 冷剂出主冷箱温度 液态乙烷出主冷箱压力 液态乙烷出主冷箱温度 脱乙烷塔进料凝液温度 脱乙烷塔操作压力 脱乙烷塔塔顶温度 脱乙烷塔塔底温度 脱乙烷塔回流液流量（）关键工艺参数优化基于建立的 工艺计算模型，立足膨胀机工况石 油 与 天 然 气 化 工 下装置实际运行情况，在装置主要工艺参数和大型压缩 机 组 运 行 稳 定 情 况 下，以 满 足 两 种 约 束 条 件（乙烷收率，混合冷剂压缩机负荷 ）为目标，对比参数设计数据，分别校核低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键工艺运行参数。低温分离器温度对目标参数的影响当低温分离器温度为 时，装置乙烷收率及混合冷剂压缩机负荷随温度变化的关系见图图。由 图可 知，当 低 温 分 离 器 温 度 由 降至 时，乙烷收率由 增至 。由图可知，当低温分离器温度由 降至 时，混合冷剂流量由 增至 ，混合冷剂压缩机负荷由 增至 。综上所述，随着低温分离器温度的降低，装置乙烷收率、混合冷剂流量和负荷均呈上升趋势。为满足上述两种约束条件（下同），确定低温分离器温度控制范围为 。回流贫气流量和温度对目标参数的影响当回流贫气流量为（）、回流贫气温度为 时，装置乙烷收率、混合冷剂流量及压缩机负荷随回流贫气流量及温度变化的关系见图图。由图和图可知，伴随回流贫气流量的增加，乙烷收率由 增至 ，混合冷剂流量由 增至 ，混合冷剂压缩机负荷由 增至 。由图和图可知，伴随回流贫气出主冷箱温度的降低，第 卷第期 崔连来基于 工艺装置提高乙烷收率的工艺技术乙烷收率由 增至 ，混合冷剂流量由 增至 ，混合冷剂压缩机负荷由 增至 。综上所述，伴随回流贫气流量增加和出主冷箱温度的降低，乙烷收率、混合冷剂流量和压缩机负荷均呈上升趋势。确定回流贫气流量范围为（），其温度控制为 。过冷原料气流量和温度对目标参数的影响当过冷原料气流量为（）、过冷原料气温度为 时，装置乙烷收率、混合冷剂流量及压缩机负荷随过冷原料气流量及温度变化的关系见图图。由图和图 可知，伴随 过冷 原 料 气贫气流量的 增 加，乙 烷 收 率 由 增 至 ，混 合 冷 剂 流 量 由 增至 ，混合冷剂压缩机负荷由 增至 。由图 和图 可知，伴随过冷原料气温度的降低，乙烷收率由 增至 ，混 合 冷 剂 流 量 由 增 至 ，混合冷剂压缩机负荷由 增至 。综上所述，随着过冷原料气流量增加和出主冷箱温度的降低，乙烷收率、混合冷剂流量和压缩机负荷均呈逐 渐 上 升 趋 势。确 定 过 冷 原 料 气 流 量 范 围 为（），其温度范围为 。模拟关键工艺参数优化结果综上所述，装置在膨胀机工况下运行，以实现乙烷收率 和混合冷剂压缩机负荷 为目标，确定了低温分离器温度、回流贫气石 油 与 天 然 气 化 工 流量及温度、过冷原料气流量及温度等关键工艺运行参数，见表。表液烃回收装置关键工艺参数优化结果工艺参数膨胀机工况核算数据原料气处理负荷（）低温分离器温度 回流贫气流量（）回流贫气出冷箱温度 过冷原料气流量（）过冷原料气出冷箱温度 脱甲烷塔塔顶温度 脱甲烷塔塔底温度 膨胀机转速（）单列装置乙烷收率 提高乙烷回收率优化结果验证 关键运行参数的应用适时投运膨胀机，在确保贫气、混合冷剂等大型压缩机组平稳运行的基础上，装置处于膨胀机工况安全平稳运行。基于模拟的关键工艺运行参数范围，依次精细优化低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度：将低温分离器温度优化调整为 ，脱 甲 烷 塔 运 行 压 差 降 低 至 运行，如图 所示；将回流贫气流量优化调整为（），其温度相应优化为 ，如图 所示；过冷原料气流量优化调整为（），其温度相应优化为 ，如图 所示。上述优化措施保证了脱甲烷塔的生产通量和分离效率，乙烷平均收率提高至 以上，如图 所示。应用效果分析经上述措施高效实施后，在保证乙烷、液化气和稳定轻烃等产品质量满足设计指标的基础上，装置液烃产量呈增长趋势，液烃产品增产 ，其中，乙烷、液化气及稳定轻烃三种产品的累积增产占比分别为 、。因此，装置乙烷产量显著提高，相比优化前增加约 ，乙烷产品分布由 提 升 至 ，乙 烷 平 均 收 率 由第 卷第期 崔连来基于 工艺装置提高乙烷收率的工艺技术 提高至 以上。表装置调试前后原料气及产品产量变化项目对比原料气累积处理量（）贫气累积外输量（）乙烷累积产量液化气累积产量稳定轻烃累积产量累积液烃产品总产量同期相比 平均相比 单列相比 注：装置冬季安全平稳生产工况下的生产数据统计。结论立足 天然气深冷工艺装置理论模型，在分析影响乙烷收率的关键因素的基础上，通过优化低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键运行参数，并指导装置精细调参，将装置乙烷平均收率由 提高至 以上。基于 工艺理 论 模 型 分 析，控 制 混 合 冷 剂 负 荷 为 ，经效果验证得出以下结论：（）在膨胀机工况下运行，液烃回收装置低温分离器温度优化为 ，降低脱甲烷塔运行压差至 ，保证了脱甲烷塔的生产通量和分离效率。（）在膨胀机工况下运行，将回流贫气流量和温度分别优化为（）、，可提高乙烷平均收率至 以上。（）在膨胀机工况下运行，将过冷原料气流量和过冷 原 料 气 温 度 分 别 优 化 为（）、，可提高乙烷平均收率至 以上。参 考 文 献王松汉乙烯装置技术与运行北京：中国石化出版社，李明宇，宋洁天然气凝液回收技术发展现状探析中国石油和化工标准与质量，（）：崔连来天然气深冷工艺装置提高乙烷收率工艺技术的研究与应用石油与天然气化工，（）：，：，（），（），（）：，：邱鹏，常志波，刘子兵，等“混合冷剂预冷膨胀机制冷双气过冷”乙烷回收工艺天然气工业，（）：李建刚中原油田第三气体处理厂改扩建工程技术总结石油与天然气化工，（）：王修康，张辉，颜世润，等具