混合制冷劑制冷工藝在石油伴生氣液化上的應(yīng)用

崔杰詩(shī)，季中敏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 低溫與超導(dǎo)技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

油田伴生氣是一種在油層中伴隨石油一起逸出的氣體，除含有較多甲烷、乙烷外，還含有少量易揮發(fā)的液態(tài)烴及微量的二氧化碳、氮、硫化氫等雜質(zhì)［1］，相對(duì)其它天然氣產(chǎn)區(qū)，單井產(chǎn)量低，而且用戶(hù)不集中，開(kāi)采年限少。國(guó)內(nèi)對(duì)于油田伴生氣的回收，主要是將伴生氣回收后直接進(jìn)入輸油管線進(jìn)行密閉混輸?shù)铰?lián)合站后統(tǒng)一進(jìn)行油氣分離處理，偏遠(yuǎn)小區(qū)塊則多利用撬裝輕烴回收裝置，就地處理伴生氣，加壓或液化后外輸［2］。國(guó)外則更多地將新技術(shù)、新材料應(yīng)用于邊遠(yuǎn)油氣田的伴生氣回收，如渦流管技術(shù)、膜分離技術(shù)等，在天然氣的分離、凈化、提純、加工等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用［3］。油田伴生氣利用管道運(yùn)輸就要面臨成本高的問(wèn)題，但采用天然氣液化技術(shù)，一方面可以根據(jù)氣源條件“量體定做”不同規(guī)模的液化廠，有效解決了石油伴生氣資源分布“偏、散、小”而造成的無(wú)法就地開(kāi)發(fā)的問(wèn)題;另一方面，也解決了石油伴生氣難以?xún)?chǔ)運(yùn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)利用的難題。石油伴生氣的回收和利用在減少直接燃燒時(shí)造成的能源浪費(fèi)的同時(shí)還能創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［4］。

1 課題初始條件

本課題的目標(biāo)氣源組份見(jiàn)表1，是石油伴生氣中比較典型的一種組份，處理量為10 ×104Nm3/d，原料氣經(jīng)過(guò)凈化工藝，脫除水分、CO2等雜質(zhì)后進(jìn)入液化系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上針對(duì)小型液化裝置進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)液化工藝進(jìn)行分析。

表1 石油伴生氣組份

2 石油伴生氣液化工藝分析

天然氣液化的主要工藝有雙級(jí)氮膨脹液化循環(huán)、氮甲烷膨脹液化循環(huán)和單級(jí)混合制冷劑液化循環(huán)［5］，根據(jù)石油伴生氣所處的地理環(huán)境和對(duì)液化系統(tǒng)的要求，需要對(duì)這幾種常用的液化流程進(jìn)行比較。前兩種由于液化工藝及設(shè)備配置簡(jiǎn)單，雖然能耗要高40%左右［6］，但在小型液化裝置中還是常被采用。單級(jí)混合制冷液化循環(huán)能耗雖然最低，但需要配置乙烯、丙烷和異戊烷制冷劑的儲(chǔ)罐［7］，增加了占地面積，制冷劑的外購(gòu)和裝卸也比較麻煩，導(dǎo)致這種方案的可操作性較差，是不被采用的主要原因［8］。

分析本課題的目標(biāo)氣源，里面含有較多的乙烷、丙烷、丁烷和戊烷［9］，可以在石油伴生氣中設(shè)置脫乙烷塔和輕油分離塔來(lái)提取上述各種制冷劑成份，如果采用其中的組分來(lái)配比混合制冷劑，就可以解決上面提到的單級(jí)混合制冷劑循環(huán)工藝的主要問(wèn)題。圖1 為帶分離塔的混合冷劑制冷工藝流程。

圖1 混合制冷劑制冷工藝流程示意圖C1 －原料氣壓縮機(jī);C2 － 制冷劑壓縮機(jī);U1 － 凈化系統(tǒng);T1 －冷吸收塔;T2 －脫乙烷塔;T3 －輕油分離塔;V1 －LPG儲(chǔ)罐;V2 － 輕油儲(chǔ)罐;V3 － 重?zé)N分離器;V4 － LNG 儲(chǔ)罐;E1 －板翅換熱器;JT－冷劑節(jié)流閥

乙烷與甲烷的性質(zhì)較接近，分離也較困難，如果為了分離出乙烷就需要在脫甲烷塔的塔底設(shè)置再沸器，在脫乙烷塔的塔頂設(shè)置冷凝器。由于冷凝溫度較低，需要引入一股制冷劑，同時(shí)為了分離丙烷、丁烷和戊烷成分，至少需要再設(shè)置3 個(gè)分離塔［10］，這樣會(huì)使得系統(tǒng)太過(guò)復(fù)雜，不適合應(yīng)用在這種小型液化裝置上。

混合制冷劑本身就是幾種物質(zhì)的混合，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以不必將各種制冷劑提純。在上面提到的產(chǎn)品方案中設(shè)置的脫乙烷塔頂?shù)幕旌蠚庵兄饕煞菔羌淄?33%)、乙烷(34%)、丙烷(16．4%)，塔底的主要成分則是液化石油氣(LPG)，絕大部分組份為丙烷和丁烷，戊烷和己烷含量很少，完全可以作為制冷劑。輕油中含有較多的己烷，在低溫下容易凍堵?lián)Q熱器，不能用作制冷劑。

因此基于減少制冷劑的儲(chǔ)存種類(lèi)的考慮，針對(duì)石油伴生氣自身的組份中含有的烴類(lèi)工質(zhì)，本課題開(kāi)發(fā)了另外兩種液化工藝來(lái)盡可能減少制冷劑的外購(gòu)和儲(chǔ)存:一種是制冷劑全部采用系統(tǒng)的副產(chǎn)品作為混合制冷劑;另一種是采用系統(tǒng)的副產(chǎn)品再配以某一種純組分作為混合制冷劑。將這幾種混合制冷劑液化工藝?yán)脙?yōu)化后的流程參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同種類(lèi)的制冷劑配比對(duì)制冷壓縮機(jī)軸功率的影響，綜合比較后選擇出合適的制冷劑配比和流程參數(shù)。

3 混合制冷劑制冷工藝方案比較

通過(guò)上述分析，根據(jù)混合制冷劑制取及配比的不同，本課題設(shè)計(jì)了四套制冷劑配比方案:

方案一:采用的是純工質(zhì)進(jìn)行配比，但是需要設(shè)置異戊烷、丙烷和乙烯三種純工質(zhì)的儲(chǔ)存系統(tǒng)。

方案二:采用脫乙烷塔頂部氣體、底部液體LPG和氮?dú)饣炫渲评鋭?，全部利用石油伴生氣中的產(chǎn)品作為制冷劑，不需要外購(gòu)和儲(chǔ)存制冷劑。

方案三:采用脫乙烷塔底部液體LPG、凈化天然氣、純乙烯和氮?dú)庾鳛橹评鋭?，只需要外?gòu)和儲(chǔ)存乙烯。

方案四:采用脫乙烷塔頂部氣體、異戊烷、LPG和氮?dú)庾鳛橹评鋭?，只需外?gòu)和儲(chǔ)存異戊烷。

表2 中列出了對(duì)四種制冷劑配比方案的比較，其中壓縮機(jī)的漏率是按照循環(huán)量的0．1%計(jì)算，用以進(jìn)行工質(zhì)消耗的比較。制冷劑壓縮機(jī)的軸功率按等熵效率值為0．79 進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際壓縮機(jī)的功耗會(huì)有差別。制冷劑中的甲烷取自?xún)艋蟮奶烊粴?，氮?dú)馊∽怨霉こ?，因此補(bǔ)充量中不予考慮。

表2 四種制冷劑配比方案的比較

方案一按常規(guī)混合制冷劑循環(huán)工藝設(shè)計(jì)，能耗最低，以此為比功耗的基數(shù)。這種設(shè)計(jì)避免不了制冷劑的采購(gòu)、存儲(chǔ)以及配比問(wèn)題，成為推廣應(yīng)用的瓶頸。

方案二采用脫乙烷塔頂部氣體、LPG 和氮?dú)饣炫渲评鋭?，脫乙烷塔頂氣體成分復(fù)雜，乙烷氣體含量?jī)H為34%，使得混合制冷劑中的乙烷含量較設(shè)計(jì)值低，只能通過(guò)加大甲烷的含量來(lái)補(bǔ)充，使得系統(tǒng)偏離優(yōu)化的混合制冷劑組成，制冷功耗增加較多。

方案三中混合制冷劑是由脫重?zé)N后的天然氣、純乙烯、LPG 和氮?dú)饨M成，LPG 中的正丁烷和異丁烷作為混合制冷劑中的重組分，代替了原設(shè)計(jì)中的異戊烷，脫戊烷塔的塔頂產(chǎn)品是LPG，塔底為輕油，通過(guò)控制塔頂?shù)睦淠鞯睦鋮s負(fù)荷和塔底再沸器負(fù)荷，使得塔頂?shù)募和楹靠梢越档胶艿?，所以方案三的可靠性高，制冷壓縮機(jī)軸功率比方案二小11.3%。

方案四與方案三類(lèi)似，由補(bǔ)充乙烯改為補(bǔ)充異戊烷，需要用脫乙烷塔頂產(chǎn)品氣，由于LPG 中已含有重組份，所以需要更多地補(bǔ)充氮?dú)?，軸功率和異戊烷的補(bǔ)充量均超過(guò)方案三。

如果選用方案三，同樣的處理量，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，混合制冷劑循環(huán)的制冷壓縮機(jī)軸功率為1 047 kW;氮甲烷循環(huán)次之，為1 382 kW;氮膨脹循環(huán)的功耗最高，為1 592 kW。單級(jí)混合制冷劑循環(huán)在制冷系統(tǒng)能耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，比雙級(jí)氮膨脹節(jié)省52%，比氮甲烷節(jié)省32%，即使采用上述方案二，利用天然氣本身的副產(chǎn)品進(jìn)行配比，也要分別節(jié)省37%和19%。

綜合以上比較，方案三最為合理，整套系統(tǒng)最多只需外購(gòu)一種制冷劑，通過(guò)將制冷劑壓縮機(jī)前緩沖罐作為混配系統(tǒng)的混配罐后，制冷劑的混配系統(tǒng)也可以省略掉，不用設(shè)置各種制冷劑的儲(chǔ)罐，降低了混合工質(zhì)液化循環(huán)的復(fù)雜程度，使得更加符合偏遠(yuǎn)地區(qū)小型石油伴生氣液化裝置的需要。氮膨脹循環(huán)雖然比混合工質(zhì)循環(huán)更加簡(jiǎn)單，但在石油伴生氣的處理中，由于重組分的含量增加，液化過(guò)程中需要的高溫區(qū)的冷量更多，使得氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)相對(duì)于單級(jí)混合制冷劑循環(huán)的冷劑循環(huán)量增加的更多，相應(yīng)能耗也增加了很多，所以在石油伴生氣的液化裝置中采用優(yōu)化后的單級(jí)混合工質(zhì)液化工藝有著極大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本課題針對(duì)石油伴生氣氣源自身就可以生產(chǎn)制冷劑特點(diǎn)，對(duì)選定的混合制冷劑的來(lái)源和配比進(jìn)行了分析，得到如下的結(jié)論:

(1)改進(jìn)后的混合制冷劑液化工藝明顯優(yōu)于雙級(jí)氮膨脹液化循環(huán)和氮甲烷膨脹液化循環(huán);

(2)改進(jìn)后的混合制冷劑液化工藝雖然能耗略有升高，但復(fù)雜程度大大降低，更適用于在偏遠(yuǎn)地區(qū)的石油伴生氣源處建設(shè)液化裝置;

(3)利用石油伴生氣自身的組分可以有效解決天然氣液化裝置中混合制冷劑的外購(gòu)和貯存的難題，為混合冷劑液化工藝在類(lèi)似氣源條件下的應(yīng)用提供了新的思路和方法。

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