丙烷制冷在大牛地氣田脫水脫烴站中的應(yīng)用

羅 琴 畢海勝

(1. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司數(shù)字化工程設(shè)計(jì)所；2. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

丙烷制冷在大牛地氣田脫水脫烴站中的應(yīng)用

羅 琴*1畢海勝2

(1. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司數(shù)字化工程設(shè)計(jì)所；2. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

主要闡述了丙烷制冷系統(tǒng)的工藝原理、工藝流程和丙烷制冷系統(tǒng)內(nèi)各橇塊中主要設(shè)備及其作用，并介紹了丙烷制冷系統(tǒng)在大牛地氣田脫水脫烴中的配管安裝設(shè)計(jì)，對(duì)同類型氣田脫水脫烴工藝具有很好的借鑒意義。

壓縮機(jī) 低溫分離 丙烷制冷系統(tǒng) 脫水脫烴

2012年11月，中石化天然氣分公司榆濟(jì)首站1、2#壓縮機(jī)振動(dòng)值隨氣量的提升出現(xiàn)增大現(xiàn)象，11月29日1#壓縮機(jī)振動(dòng)超標(biāo)停機(jī)，2#壓縮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)高值報(bào)警。經(jīng)檢查確定壓縮機(jī)振動(dòng)值偏高的原因?yàn)樘烊粴庵锌赡芎心鏊碗s質(zhì)，導(dǎo)致壓縮機(jī)葉輪和流道結(jié)垢，造成了壓縮機(jī)內(nèi)部氣路堵塞且破壞了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，致使運(yùn)行工況點(diǎn)靠近防喘振控制線。榆濟(jì)首站壓縮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo)，造成壓縮機(jī)壓縮能力無法滿足冬季生產(chǎn)的需要，對(duì)華北管網(wǎng)安全平穩(wěn)供氣造成較大風(fēng)險(xiǎn)。

塔榆管道在塔榆末站與榆濟(jì)管道交接，交接點(diǎn)壓力為4.0MPa，大牛地氣田來氣在塔榆管道末站進(jìn)站，但是在此交接壓力下，來氣的水露點(diǎn)為2～7℃，根據(jù)最新規(guī)范的規(guī)定，已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品天然氣-12℃水露點(diǎn)的外輸要求[1]，特別在冬季實(shí)際運(yùn)行時(shí)，更會(huì)增大下游管線冰堵的風(fēng)險(xiǎn)。按照大牛地氣田開發(fā)規(guī)模，結(jié)合塔榆管道輸氣站場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)在原塔榆增壓站東側(cè)新建一座脫水脫烴站對(duì)天然氣進(jìn)行處理。

新建脫水脫烴站[2]采用低溫分離兼輕油吸收工藝，降低天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)，滿足下游用戶對(duì)水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的要求。采用丙烷制冷方式，將天然氣冷卻至-25℃，滿足脫水脫烴的要求。丙烷作為制冷劑，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種無色氣體，凝固點(diǎn)低，與水不發(fā)生反應(yīng)，與油完全相溶，制冷溫度適合在-40～-35℃之間，滿足低溫分離的要求。

1 脫水脫烴站工藝流程

脫水脫烴站主要功能是接收增壓站來氣，通過低溫分離裝置降低天然氣的水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)，處理后的干燥天然氣再回增壓站增壓外輸，冷凝分離出的凝液進(jìn)行分餾處理，回收輕烴。主要流程框圖如圖1所示。

圖1 脫水脫烴流程框圖

2 丙烷制冷工藝系統(tǒng)

2.1 丙烷制冷工藝原理

丙烷制冷系統(tǒng)為天然氣低溫分離和輕油吸收裝置提供所需冷量，丙烷制冷裝置是為低溫分離裝置提供冷量的核心設(shè)備，能夠把天然氣冷卻至-25℃，甚至更低，以實(shí)現(xiàn)天然氣低溫脫水脫烴的目的。

丙烷制冷系統(tǒng)是一個(gè)壓縮膨脹的循環(huán)過程，目的是通過降低天然氣溫度，脫除天然氣中的水和部分烴類物質(zhì)[3，4]。丙烷制冷循環(huán)過程如圖2所示。

圖2 丙烷制冷循環(huán)過程

2.2 丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程

丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程概括為：天然氣和輕油冷卻系統(tǒng)、丙烷循環(huán)系統(tǒng)、潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)。

2.2.1天然氣和輕油冷卻系統(tǒng)

3股流換熱器來的天然氣(-18℃，2.0～4.5MPa)、吸收油提升泵來的輕油(40℃，2.0～4.5MPa)與蒸發(fā)器內(nèi)的低溫丙烷液交換熱量，將天然氣與輕油冷卻至-25℃，然后進(jìn)入低溫吸收塔分離。

2.2.2丙烷循環(huán)系統(tǒng)

液態(tài)的丙烷在蒸發(fā)器內(nèi)和天然氣進(jìn)行熱量的交換，液態(tài)丙烷吸收天然氣熱量變?yōu)闅鈶B(tài)丙烷。蒸發(fā)器來的氣態(tài)丙烷(-30℃，70kPa)經(jīng)吸氣緩沖罐分離后，進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后溫度升高(70℃左右，1 120kPa)，壓縮后的氣態(tài)丙烷進(jìn)入油分離器，將攜帶的潤(rùn)滑油分離后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器，經(jīng)水冷冷卻后溫度降低，氣態(tài)丙烷變?yōu)橐簯B(tài)丙烷(32℃，1 120kPa)流向蒸發(fā)式冷凝器下方的熱虹吸儲(chǔ)罐。再流向丙烷系統(tǒng)儲(chǔ)罐，丙烷液體經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器流向蒸發(fā)器底部，丙烷液體在蒸發(fā)器入口處節(jié)流后壓力迅速降低，溫度降至-30℃左右。低溫丙烷液體與高溫天然氣換熱后成為低壓丙烷蒸汽，經(jīng)壓縮后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2.2.3潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)

丙烷壓縮機(jī)采用螺桿壓縮機(jī)，由于螺桿壓縮機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件在工作時(shí)相互摩擦，為了保證壓縮機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間安全可靠的運(yùn)行，需要注入一定量的潤(rùn)滑油對(duì)各工作部件進(jìn)行潤(rùn)滑。初次啟動(dòng)壓縮機(jī)前，將潤(rùn)滑油加入油分離器中，壓縮機(jī)正常工作后，油分離器中的潤(rùn)滑油流向油冷卻器，與液體丙烷進(jìn)行換熱，降低自身溫度經(jīng)油過濾器后進(jìn)入壓縮機(jī)，當(dāng)丙烷氣體被壓縮后，攜帶潤(rùn)滑油共同進(jìn)入油分離器，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2.3 丙烷制冷系統(tǒng)主要設(shè)備及作用

丙烷制冷系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器橇塊、吸氣緩沖罐、壓縮機(jī)橇塊、輔機(jī)橇塊和蒸發(fā)式冷凝器：

a. 蒸發(fā)器橇塊。蒸發(fā)器是丙烷與天然氣、輕油換熱的場(chǎng)所，液體低溫丙烷與天然氣、輕油充分交換熱量，使天然氣、輕油均冷卻至-25℃，吸熱后的液體丙烷變成丙烷蒸汽經(jīng)過吸氣緩沖罐分離后回到壓縮機(jī)進(jìn)口，繼續(xù)進(jìn)行丙烷循環(huán)。

b. 吸氣緩沖罐。吸氣緩沖罐接收蒸發(fā)器來的丙烷氣體，用緩沖罐自帶的電加熱器對(duì)其加熱，防止進(jìn)入壓縮機(jī)的丙烷流失量增大。

c. 壓縮機(jī)橇塊。壓縮機(jī)選用螺桿式壓縮機(jī)[5]，屬于容積式壓縮機(jī)，通過工作容積的逐漸減少來達(dá)到氣體壓縮的目的。壓縮機(jī)的吸氣量由處于吸氣端的滑閥控制，當(dāng)滑閥的開度大時(shí)，吸氣量就大，反之就小?；y的開度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，也可手動(dòng)調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)橇塊包括螺桿壓縮機(jī)、主電機(jī)、油分離器、油冷卻器、油過濾器。壓縮機(jī)在丙烷制冷系統(tǒng)中的主要功能有[6]：可以提高單位丙烷蒸汽的含熱量，創(chuàng)造可操作的冷凝條件；可以提高制冷丙烷蒸汽的壓力，使該壓力對(duì)應(yīng)的丙烷飽和溫度高于冷卻介質(zhì)的溫度；為整個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)循環(huán)提供動(dòng)力。

d. 蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器是一種將水冷與空冷、傳質(zhì)與傳熱融為一體的新型高效冷凝冷卻設(shè)備[7，8]。它在丙烷制冷系統(tǒng)中的主要作用是吸收高溫高壓氣態(tài)丙烷的熱量，將它冷凝為同等壓力下的飽和液態(tài)丙烷。在實(shí)際運(yùn)行過程中蒸發(fā)式冷凝器的換熱功率還直接控制著丙烷壓縮機(jī)的排氣壓力，對(duì)丙烷制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的影響[9，10]。

e. 輔機(jī)橇塊。輔機(jī)橇塊包括熱虹吸儲(chǔ)罐、經(jīng)濟(jì)器等。虹吸是利用液面高度差的作用力現(xiàn)象，在本循環(huán)系統(tǒng)中，由于油冷卻器的液體被氣化，并且和熱虹吸儲(chǔ)罐連通，使得低處和高處形成壓差，且換熱后蒸汽混合物密度遠(yuǎn)小于液體丙烷的密度，這就為液體丙烷的持續(xù)流動(dòng)制冷提供了動(dòng)力[11]。熱虹吸儲(chǔ)罐中的丙烷蒸汽再返回蒸發(fā)式冷凝器中冷卻。

2.4 丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝

2.4.1設(shè)備布置

蒸發(fā)器撬塊與輔機(jī)撬塊布置在低溫分離單元框架地面上，且處于同一水平高度。目的是為了防止蒸發(fā)器內(nèi)的液位倒流，導(dǎo)致下次開機(jī)時(shí)液位過低報(bào)警，無法開機(jī)。緩沖罐布置在低溫分離單元框架地面上，為防止增加丙烷流失量，將緩沖罐放在盡量靠近壓縮機(jī)的位置。蒸發(fā)式冷凝器布置在低溫分離單元框架二層平臺(tái)，它的出液口與排液總管高度差為2m。目的是為了抵消制冷劑在蒸發(fā)式冷凝器盤管中的壓降，若不消除此壓降就會(huì)降低有用的冷凝面積，會(huì)使排氣壓力間接升高，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的效率，壓縮機(jī)布置在廠房地面上，基礎(chǔ)高出地面200mm。丙烷制冷系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖3所示。

圖3 丙烷制冷系統(tǒng)設(shè)備布置圖

2.4.2配管設(shè)計(jì)

管道安裝時(shí)按照P&ID要求，進(jìn)行安裝[12]。大牛地脫水脫烴站丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝時(shí)，需要進(jìn)行以下管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

a. 從蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線(圖4)，由3臺(tái)蒸發(fā)器匯入總管后坡向吸氣緩沖罐(2%坡度)，防止液體聚集在管道中，避免下次開機(jī)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)造成液擊。

b. 吸氣緩沖罐到壓縮機(jī)入口管線，為避免液體進(jìn)入壓縮機(jī)，管線由壓縮機(jī)坡向吸氣緩沖罐。但根據(jù)實(shí)際配管情況，壓縮機(jī)配管情況如圖5所示。

c. 供液總管到熱虹吸儲(chǔ)罐管線(圖6)，由供液總管坡向熱虹吸儲(chǔ)罐，并且該供液總管要接入回氣總管上，作用是為了使供液總管中產(chǎn)生的氣泡能順利通過回氣總管回到熱虹吸儲(chǔ)罐中。

d. 壓縮機(jī)出口至蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口管線(圖7)，由壓縮機(jī)坡向蒸發(fā)式冷凝器。目的是避免液體流回到壓縮機(jī)橇塊中的油分離器，對(duì)油分的濾芯造成影響。但根據(jù)實(shí)際配管情況，壓縮機(jī)比蒸發(fā)式冷凝器安裝高度低，故無法達(dá)到該要求，與廠家溝通后將進(jìn)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口水平主管抬高，保證進(jìn)口分支管線低進(jìn)。

e. 平衡管路是加在熱虹吸儲(chǔ)罐與蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)口管線之間的管路(圖8)，它主要是保持儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，壓力穩(wěn)定才能保證冷凝器的液體可自由的進(jìn)入儲(chǔ)罐，維持系統(tǒng)的恒定性。

f. 蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)、出口管道，采用對(duì)稱布置方式(圖9)。冷凝器出口進(jìn)熱虹吸儲(chǔ)罐管路要求有一定的液包高度(300mm)，同時(shí)管線上設(shè)置2%坡度，為保證冷凝器進(jìn)熱虹吸儲(chǔ)罐管路上充滿丙烷液，不會(huì)存在氣態(tài)丙烷。

g. 螺桿壓縮機(jī)進(jìn)口管線、出口管線，經(jīng)過一次應(yīng)力和二次應(yīng)力計(jì)算分析，確定管線走向和支撐設(shè)計(jì)形式(圖10)。

圖4 蒸發(fā)器到吸氣緩沖罐入口管線配管安裝

圖5 壓縮機(jī)入口管線配管安裝

圖6 供液總管到熱虹吸儲(chǔ)罐管線配管安裝

圖7 蒸發(fā)式冷凝器入口管線配管安裝

圖8 平衡管路配管安裝

圖9 蒸發(fā)式冷凝器出口管線配管安裝

圖10 丙烷制冷系統(tǒng)應(yīng)力分析模型

3 結(jié)論

3.1大牛地脫水脫烴站采用丙烷制冷進(jìn)行天然氣處理，滿足脫水脫烴要求，集中控制外輸天然氣質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕烴回收。

3.2丙烷壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)溫度易于控制，整套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定高效，操作方便靈活。

3.3丙烷制冷系統(tǒng)配管安裝不僅滿足了配管設(shè)計(jì)特殊要求，同時(shí)運(yùn)用應(yīng)力建模分析，合理優(yōu)化了管道走向和支撐形式。

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*羅 琴，女，1986年4月生，工程師。山東省東營(yíng)市，257000。

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0254-6094(2016)04-0526-04

2015-09-16，

2015-10-21)