丙烷制冷壓縮功耗分析

費(fèi) 翔

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 概 述

為滿足天然氣長(zhǎng)輸管線的烴露點(diǎn)要求,回收天然氣中有價(jià)值的乙烷、丙烷、丁烷及輕油，油氣田輕烴回收作為各氣田新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),一直以來(lái)受到人們的重視，輕烴回收工藝也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。在眾多的輕烴回收方法中,低溫回收工藝是當(dāng)前主要采用的方法。低溫回收工藝過(guò)程中最主要、最關(guān)鍵的步驟就是制冷工藝，它直接影響裝置的投資、能耗和回收率三大指標(biāo)。制冷的方法有多種，如壓縮制冷、吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷等[1]。由于壓縮制冷具有流程簡(jiǎn)單、工藝成熟等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。丙烷壓縮循環(huán)制冷常用于-60～0℃的制冷領(lǐng)域中。本文通過(guò)對(duì)某處理量200x104Nm3/d天然氣處理廠輕烴回收中三種不同丙烷壓縮制冷工藝的壓縮功耗進(jìn)行比較和分析。

2 丙烷壓縮制冷工藝

2.1 丙烷性質(zhì)

制冷劑是制冷循環(huán)的基礎(chǔ)，影響制冷機(jī)的工作特性。了解制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)模擬計(jì)算參數(shù)的選擇有著重要的影響。表1為丙烷的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)[2]。

表1 丙烷的熱力學(xué)性質(zhì)

表1(續(xù))

從丙烷的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，在天然氣處理裝置中，利用丙烷作為制冷工質(zhì)具有較多有利條件。

(1)丙烷具有較低的沸點(diǎn)溫度，可使原料氣達(dá)到較低的制冷溫度，從而提高裝置的輕烴收率。

(2)丙烷對(duì)環(huán)境友好，泄漏危害小；

(3)獲取丙烷非常便利，節(jié)省投資。

2.2 丙烷制冷工藝

目前，在輕烴回收丙烷制冷工藝上主要分為一級(jí)制冷、二級(jí)制冷及三級(jí)制冷三種工藝。本文通過(guò)對(duì)某處理量為200×104Nm3/d天然氣處理廠的丙烷制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析研究,分析這三種制冷工藝的區(qū)別，選出適合本項(xiàng)目的丙烷壓縮制冷工藝。利用Aspen Hysys軟件對(duì)該廠輕烴回收裝置進(jìn)行模擬計(jì)算，要達(dá)到該廠的C3收率要求，丙烷系統(tǒng)低溫冷卻溫度為-35℃ ,原料氣冷卻溫度為-30℃，冷箱冷卻負(fù)荷為5989kW。

2.2.1 丙烷一級(jí)制冷

丙烷壓縮機(jī)一級(jí)制冷工藝流程如圖1所示，丙烷儲(chǔ)罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 KPa)經(jīng)過(guò)節(jié)流,壓力降至137.4KPa,溫度降為-35℃ ,經(jīng)冷箱換冷后,進(jìn)入壓縮機(jī)入口一級(jí)分離器, 再經(jīng)丙烷壓縮機(jī)增壓至1270KPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲(chǔ)罐，完成循環(huán)。

圖1 丙烷壓縮機(jī)一級(jí)制冷工藝流程

2.2.2 丙烷二級(jí)制冷

丙烷壓縮機(jī)二級(jí)制冷工藝流程如圖2所示, 丙烷儲(chǔ)罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 kPa)經(jīng)過(guò)一級(jí)節(jié)流,壓力降至635.7kPa,溫度為10℃，進(jìn)入二級(jí)分離器,氣相去二級(jí)壓縮機(jī)入口，液相經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流,壓力降至137.4kPa,溫度為-35℃,經(jīng)冷箱換冷后, 進(jìn)入壓縮機(jī)入口一級(jí)分離器, 經(jīng)丙烷一級(jí)壓縮機(jī)增壓至730.8kPa 與二級(jí)分離器氣相丙烷匯合,經(jīng)丙烷二級(jí)壓縮機(jī)增壓至1270kPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲(chǔ)罐，完成循環(huán)。

圖2 丙烷壓縮機(jī)二級(jí)制冷工藝流程

2.2.3 丙烷三級(jí)制冷

丙烷壓縮機(jī)三級(jí)制冷工藝流程如圖3所示, 丙烷儲(chǔ)罐內(nèi)的丙烷(35℃，1250 kPa)經(jīng)過(guò)一級(jí)節(jié)流,壓力降至730.8kPa,溫度為15℃，進(jìn)入三級(jí)分離器,氣相去三級(jí)壓縮機(jī)入口，液相經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流,壓力降至344.6kPa,溫度為-10℃，進(jìn)入二級(jí)分離器,氣相去二級(jí)壓縮機(jī)入口，液相經(jīng)過(guò)一級(jí)節(jié)流,壓力降至137.4kPa,溫度為-35℃,經(jīng)冷箱換冷后, 進(jìn)入壓縮機(jī)入口一級(jí)分離器, 經(jīng)丙烷一級(jí)壓縮機(jī)增壓至344.6kPa,與二級(jí)分離器氣相丙烷匯合,經(jīng)丙烷二級(jí)壓縮機(jī)增壓至730.8kPa,與二級(jí)分離器氣相丙烷匯合，經(jīng)丙烷三級(jí)壓縮機(jī)增壓至1270kPa,經(jīng)空冷器冷卻至35℃后,回丙烷儲(chǔ)罐，完成循環(huán)。

圖3 丙烷壓縮機(jī)三級(jí)制冷工藝流程

3 計(jì)算結(jié)果

利用Aspen Hysys模擬軟件對(duì)這三種流程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算對(duì)比如表2所示。

表2 三種工藝計(jì)算對(duì)比表

由上表的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同制冷負(fù)荷下，一級(jí)丙烷制冷壓縮機(jī)總功耗為3630kW，二級(jí)丙烷制冷壓縮機(jī)總功耗為3075kW，三級(jí)丙烷制冷壓縮機(jī)總功耗為2900.8kW。從壓縮機(jī)的功耗上看三級(jí)丙烷制冷壓縮機(jī)總功耗最少,且一次丙烷循環(huán)量為1894 kmol/h，也是最少的。

4 小結(jié)

三種丙烷壓縮制冷工藝的壓縮機(jī)功耗分析：

(1)丙烷制冷的原理主要是利用低溫液相丙烷氣化潛熱作為冷源,通過(guò)換熱方式冷卻熱介質(zhì)的溫度。本項(xiàng)目的液相丙烷在137.4kPa時(shí),其飽和溫度為-35℃ ,釋放出來(lái)的潛熱可以將天然氣冷卻至-30℃。

(2)丙烷壓縮制冷過(guò)程中,節(jié)流后的液態(tài)丙烷氣化率是丙烷冷量高低的關(guān)鍵因素,氣化率越高,丙烷冷量低；反之氣化率越低,丙烷中冷量越高。本項(xiàng)目，一級(jí)制冷工藝中,節(jié)流后的氣化率0.43；二級(jí)制冷工藝中,分為兩次節(jié)流, 兩次節(jié)流的綜合氣化率為0.4；三級(jí)制冷工藝中,分為三次節(jié)流, 兩次節(jié)流的綜合氣化率為0.39。

(3)通過(guò)比較，在相同的換熱負(fù)荷下，三級(jí)制冷工藝制冷的壓縮功耗和丙烷循環(huán)量最小，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，建議采用三級(jí)丙烷壓縮制冷工藝。

[1] 肖敦峰，李 舒，夏 吳.制冷裝置節(jié)能降耗影響因素及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化[J].化肥設(shè)計(jì)，2011:49(3)：19-21.

[2] 陳睿謙，武麗娜．氨、丙烯、丙烷壓縮制冷能耗分析[J]．化工設(shè)計(jì)，2015,25(4):3-8．