（石油与天然气工程专业论文）西峰轻烃厂回收工艺改进.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 西峰轻烃厂回收工艺的改进 石油与天然气工程 李静( 签名) 陈军斌( 签名) 白俊生( 签名) 摘要 随着我国各油田伴生气的加工及利用技术不断的改进，轻烃回收技术在油田伴生气 回收中起到非常重要的作用。我国油田伴生气的轻烃回收装置从上世纪八十年代以前的 整体从国外引进，到后来转变为各油田设计院各自独立设计，现已全部实现国产化，不 过大都存在能耗过高，浪费投资的现象。为了更好的发展该技术，本人在西峰油田轻回 收装置在设计过程中，针对设计进行优化。 本文以设计西峰油田联合站内轻烃回收装置为目的，介绍了装置的工艺及设备的优 化设计过程。着重介绍油田伴生气轻烃回收设计中，原料气预处理、压缩、脱水、制冷、 分馏等各工艺阶段的工艺方法、工艺参数、设备选型的优化设计。第二章介绍了对工艺 的最优化设计，每一种工艺都进行详细的工艺讨论、优劣比较及模拟计算对比，并得出 最优设计结论。第三章介绍了各类设备的优化设计，包括压缩机、分离器、蒸发器、塔、 冷换设各等，对压缩机的选型进行优化，对非标设备的结构方式进行计算比选。通过优 化设计，减少了投资及运行费用，效果非常显著的。追求可靠的技术、最优化的操作、 经济的投资是工程设计的目标，也是本论文写作的目的。 文中工艺模拟计算采用加拿大著名的油气加工软件h y s y s 模拟，列出部分模拟结 果。文中还对一些主要设备的结构形式进行优化比选，以指导将来的设计工作。 关键词：轻烃回收伴生气压缩脱水制冷分馏优化设计 论文类型：应用研究 i i 三 英文摘要 s u b j e c t ：t h ei m p r o v e m e n to fr e c l a m a t i o nt e c h n o l o g yi nx i f e n gl i g h t - h y d r o c a r b o n c o m p a n y s p e c i a l i t y ：p e t r o l e u m & n a t u r a l g a se n g i n e e r i n g n a m e ：l ij i n g ( s i g n a t u r e ) 丝2 幽 i n s t r u c t o r ：c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r e b a ij u n s h e n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t a sa s s o c i a t e dg a so fp e t r o l e u mw a su t i l i z e di no u rc o u n t r y ， i t sp r o c e s st e c h n o l o g yi s i m p r o v e dc o n t i n u o u s l y a m o n g a l l t e c h n o l o g i e sa p p l i e d ，t h et e c h n o l o g y o f l i g h t h y d r o c a r b o nr e c l a m a t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r ti na s s o c i a t e dg a sr e c l a m a t i o no f o i l f i e l d b e f o r e19 8 0 s ，a l ll i g h t - h y d r o c a r b o nr e c l a m a t i o nu n i t sw e r ei m p o r t e d f r o m19 8 0 s ， d e s i g n i n gi n s t i t u t e so fo i lf i e l di no u rc o u n t r yb e g a nt od e s i g nt h e s eu n i t sb yt h e m s e l v e s b y n o w ， a l lt h e s eu n i t sa r eh o m e m a d e b u tm o s to fp r e s e n tu n i t sa r eh i g h l ye n e r g ya n d i n v e s t m e n tc o n s u m e d i ti su r g e n tt or e a l i z et h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h el i g h t - h y d r o c a r b o n r e c l a m a t i o n t h i sp a p e ri n t e n d st od e s i g nt h el i g h t h y d r o c a r b o nr e c l a m a t i o np l a n to fo i l & g a s p r o c e s s i n gc e n t e rs t a t i o no fx i f e n go i lf i e l d ，i n t r o d u c i n gt h ee q u i p m e n t sa n dp r o c e s so f o p t i m i z i n g o p t i m i z e dd e s i g no ft e c h n i q u e s ，p a r a m e t e r sa n ds e l e c t i o no fm a i ne q u i p m e n t so f e a c hs t a g ew h i c hi n c l u d e sp r e t r e a t m e n to fn a t u r a lg a s ， c o m p r e s s i n gs y s t e m ，d e h y d r a t i o n ， r e f r i g e r a t i o n ，f r a c t i o n a t i o n ，e t cw e r ee m p h a s i z e d o p t i m i z e dp r o c e s sd e s i g nw a si n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e ri nw h i c ha l lp r o c e s s e sw e r es p e c i f i c a l l yd i s c u s s e d ， c o m p a r e da n d s i m u l a t e d ，a n do p t i m i z e dd e s i g nc o n c l u s i o n sw e r eg i v e n o p t i m i z e dd e s i g no fe q u i p m e n t s w a si n t r o d u c e di n t h et h i r dc h a p t e r ， i n c l u d i n gc o m p r e s s o r s ，s e p a r a t o r s ，e v a p o r a t o r s ， t o w e r s ，c o o l e r s ，e x c h a n g e r sa n ds oo n ，a m o n gw h i c hc o m p r e s s o r sw e r eo p t i m i z e db y s e l e c t i o n ，b u to t h e re q u i p m e n t sc o u l db eo p t i m i z e do n l yb yc a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o no f t h e i rs t r u c t u r e o p t i m i z e dd e s i g nr e m a r k a b l yr e d u c e di n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t s o f t w a r eh y s y so fh y p r o t e c hc o m p a n yo fc a n a d aw a sa d o p t e df o rc a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o n m a i nr e s u l tw a sl i s to u t i no r d e rt og u i d ed e s i g ni nt h ef u t u r e ，t h es t r u c t u r e df o r m o fs o m em a i ne q u i p m e n tw a sc o m p a r e d ，s e l e c t e da n do p t i m i z e d k e y w o r d s ：l i g h t - h y d r o c a r b o nr e c l a m a t i o n ，a s s o c i a t e dg a s ，c o m p r e s s ，d e h y d r a t i o n ， r e f r i g e r a t i o n ， f r a c t i o n a t i o n ， o p t i m i z ed e s i g n i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：z 避 日期：7 矿尹1 2 ，o 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：丝 导师签名： 日期：砌9 2 ，o 日期。毕d 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的由来和目的 在油田地面建设工程设计中，常遇到油田伴生气凝液回收问题，七十年代我国设计 了国内第一套轻烃回收装置，解决油田伴生气凝液回收问题，在八十年代在河南油田建 成我国第一套原油稳定及轻烃回收联合净化站，并投产成功。随后各油田相继投资建设 轻烃回收装置。目前，我国大、中、小油田均建有该类装置，在原油全密闭集输、油气 回收及天然气长距离输送方面做出了巨大的贡献。 作为一名工艺设计人员，我曾先后参与长庆西峰油田6 x 1 0 4 n m 3 d ( 2 5 0 0 n m 3 h ) 轻烃回收装置等多处油田轻烃回收项目的设计，及配合施工工作，在设计、施工过程中 遇到和解决一些问题，有许多问题需要在讨论中再探索。 1 2 轻烃回收装置的发展与现状 1 2 1 国外轻烃回收发展与现状 截止1 9 9 7 年底，国外有天然气加工厂1 5 9 0 家，其中美国和加拿大合计约占8 4 ， 美国在8 0 年代末期天然气加工率在8 0 以上，而且其天然气液产量与原油产量之比在l ： 5 左右，具有举足轻重的地位。国外在7 0 年代以前的轻烃回收装置多采用冷凝分离法， 到了7 0 年代以后，冷冻油吸收法在国外曾经被广泛采用，可经过多年的操作实践发现， 从回收率上看，冷冻油吸收法比冷凝分离法较高，但冷冻油吸收法投资及操作费用过高。 从多方一面的经济评价，近年来国外许多公司建设的天然气轻烃装置又回到了冷凝分离 法的方法上。 1 2 2 国内轻烃回收发展与现状 我国的天然气凝液回收装置始建于6 0 年代，均为引进装置。到了8 0 年代河南油田 建成我国第一套原油稳定及轻烃回收装置后，先后在长庆等油田建立许多油田伴生气轻 烃回收装置。轻烃回收装置的建设，使原油全密闭集输、天然气加工及综合利用得以迅 速发展。目前在天然气加工率方面我国已达到较高的水平。但由于我国油田伴生气产量 低，仅为原油产量的0 5 - - 1 大多数建起来的轻烃回收装置规模较小，根据实际情况仅 回收丙烷以上烃类，只有个别装置回收乙烷，且这些小规模的装置多采用中压浅冷工艺， 丙烷回收率实际多在6 0 - - 6 5 ，回收率低。但这并不是说我国的轻烃回收装置落后，这 完全是设计人员在通过经济技术对比后的做出的最好选择。工艺方法的取舍，取决天然 气的类型和数量、回收凝液的目的及产品的用途、价格等，特别是取决于以回收凝液作 为商品还是以净化天然气作为商品为目的经济效益比较。 1 3 原料气 通常我国习惯上把天然气分为伴生气、气藏气和凝析气。 l 两安石油大学硕士学位论文 1 3 1 伴生气 伴生气是指在地下储集层中伴随原油共生，在开采时，伴随原油和水一起采出地面 的天然气。在油田地面建设中，通常将采出的油、气、水的混合物经三相分离器初步分 离。分离出的原油往往蒸汽压较高，为防止其在储运过程中产生蒸发损耗，常将原油经 过原油稳定将原油中溶解的轻烃组分脱除掉。经过以上分离和原油稳定获得的天然气， 其主要成是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上的烃类组分，有时还伴有少量非烃类 气体，以上气体的混合物统称为伴生气。其气体组成c 3 以上组分含量多达2 5 以上，因 此又常称为富气。 1 3 2 气藏气 气藏气，也称为气田气、气层气。它是指在地下储集层中均呈气相存在，采出地面 仍为气相的天然气，其组分比较贫，主要成分是甲烷，其次有少量乙烷、内烷、丁烷和 非烃类气体。我国西气东输的天然气属该类气体，该类天然气在采出后经脱硫、脱水等 净化就可长距离输送，因其气的组分较贫，而不需经过凝液回收。 1 3 3 凝析气 是指产自具有反凝析特征气藏的天然气。在开采过程中当气体温度、压力降至露点 状态以下时会发生反凝析现象面析出凝析油。凝析气除含甲烷、乙烷外，还含有一定数 量的丙烷、丁烷及戊烷以上烃类，直至汽油和柴油馏分等。 1 4 天然气的轻烃回收方法 将天然气中除甲烷及非烃以外的烃类予以分离与回收，回收的液烃混合物称为天然 气凝液，简称液烃，我国习惯上称为轻烃。因此，天然气的凝液回收，在我国常称为天 然气的轻烃回收。天然气中轻烃回收常用的方法常用的基本上可分为冷凝分离法和油吸 收法两种。 1 4 1 冷凝分离回收法 冷凝回收法是利用天然气在一定压力和低温下各组分的挥发度不同，得到一部分富 含较重烃类的天然气凝液，并使其与较轻烃类的气体分离。分离出的液体利用精馏的方 法进一步分离成所需要的液轻产品。 冷凝分离回收法又常分为浅冷、中冷和深冷。浅冷的制冷温度一般在- 4 0 c 以上；中 冷的制冷温度可达7 0 。c ；深冷的制冷温度一般在1 0 0 以下。 伴生气的压力较低，必经过压缩这一阶段，来回收其轻烃，其制冷多在浅冷操作。 在中压、浅冷下其c 3 回收率达6 5 左右。以上冷凝回收法常采用压缩一脱水一制冷一分 离一分馏这几个过程。其原理流程见图1 1 。 2 第一章绪论 夭然 予气 藏他气 轻涵 图1 - 1 冷凝分离回收法原理流程图 气藏气往往来气压力高，多高达1 0 m p a 以上，不需进行压缩，多进行脱h 2 s 、h 2 0 、 c 0 2 等预处理后，进行膨胀制冷，制冷温度一般可达1 0 0 以下，属深冷回收天然气凝 液。 凝析气往往为使其凝析油析出，常需降压获得凝析油，因此其天然气凝液回收的来 气压力也并不高，也需经过压缩阶段，然后制冷回收其轻烃。 l 。4 2 冷油吸收回收 冷油吸收回收法系利用不同烃类在吸收油中溶解度的不同，从而使天然气中各个组 分得以分离。 我们都知道，气体在液体中的溶解度随体系的压力和温度的变化而变化。一般温度 越低，压力越高，其溶解度越大。根据这一特性，油吸收回收法又常分为常温油吸收回 收法和冷冻油吸收回收法。 常温油吸收回收法的吸收温度一般在2 54 c 4 0 ，以回收c 3 + 为主要目的。吸收油多 采用石脑油、汽油和溶剂油等。炼油厂催化裂化装置中的吸收稳定系统就是采用此种方 法吸收裂化气中的c 3 + 组分的。 冷冻油吸收回收法的吸收温度一般在- 4 0 2 0 。此法常用在油田伴生气的轻烃回 收中，在中压、浅冷及冷冻油吸收的综合c 3 回收率可达8 5 以上。 油田伴生气冷冻油吸收法常采用压缩一脱水一制冷一吸收一分馏几个工艺过程。其 原理流程见图l - 2 。 灵熬 子气 瘦甓气 轻泊 图卜2 冷冻油吸收回收法原理流程图 1 5 小结 轻烃回收装置是油田地面建设中较复杂的装置，了解装置的工艺及国内外发展状况， 是一名油气加工工艺设计人员的基本要求。为了在今后的设计工作中，少走弯路，更快 更好的完成设计任务，需要更好地对该工艺进行全面的优化研究。 为此特选择本人参与设计的长庆西峰油田轻烃回收装置为优化研究对象，分别对装 西安石油大学硕士学位论文 置内的原料气预处理、压缩、脱水、制冷、分馏等各工艺阶段的工艺方法、工艺参数、 设备选型的优化设计研究。对每一种工艺都进行详细的工艺讨论、优劣比较及模拟计算 对比，并得出最优设计结论；对压缩机、分离器、蒸发器、塔、冷换设备等装置内的设 备进行选型优化及结构方式进行计算优化。通过优化设计，减少了投资及运行费用，效 果非常显著的。 文中各系统优化设计论述多是本人参与生产实践积累的经验，一些参数的确定均是 在装置生产中直接取得的，这些宝贵的数据值可以在以后的生产中借鉴。 4 第二章西峰油田轻烃回收工艺优化设计 第二章西峰油田轻烃回收工艺优化设计 由于长庆油田特有的黄土高原丘陵沟壑的地貌特征，油气集输流程大都为开式样程， 长期以来油井井组大量的套管气放空或点火炬，各个集油中转站场的多余缓冲罐气和油 罐挥发气也大量放空，这些伴生气在原油储运过程中造成挥发损耗和资源浪费，还对站 厂的生产生活造成很大的安全隐患，同时油气的散发极大地污染了油区的自然环境。同 时虽然现有的部分工艺对现有的气体进行回收但是在产生的干气中还有大量的可回收成 分，因此为了回收宝贵的伴生气资源，解决环境污染和作业环境安全，对此方案进行一 定的分析研究。 西峰油田轻烃回收装置建设在甘肃省庆阳地区西峰油田联合站旁，由装置区装置和 储运系统构成，公用系统尽量依托联合站。装置设计处理原料气规模6 1 0 4 m 3 d ，弹性 范围2 0 - - 3 0 。主要产品为液化石油气、稳定轻油和燃料干气。设计范围有大罐抽气系 统，原料气增压空冷系统，氨冷冻系统，产品储运系统，及公用工程配套系统。装置自 2 0 0 4 年投产后运行至今，达到了设计指标，效益明显。 2 1 基础数据 2 1 1 料气组成 长庆西峰油田伴生气，其气体组成如表2 1 。 表2 - 1建设单位提供的原料气组成( m o i ) 项目接转站来气三相分离器来气 温度( ) 3 0 3 0 压力( m p a )o 1 5o 1 5 流量( n m 3 d ) 5 6 4 x 1 0 40 3 6 x1 0 4 c l 5 3 8 5 1 9 2 8 2 1 8 3 c 2 17 2 3 3 2 02 0 7 1 4 3 c 3 1 9 3 2 8 7 3 1 7 1 9 3 i c 4 1 7 6 1 93 2 5 7 3 n c 4 5 0 9 0 59 7 7 5 l i c 5 0 3 5 5 20 7 4 0 7 n c 5 1 0 6 0 l2 2 8 0 6 c 6 0 2 7 1 90 6 4 3 0 c 7 0 0 0 9 50 1 7 9 8 c 7 + 0 0 1 0 00 0 2 7 8 h 2 0 0 7 8 8 32 4 4 3 8 建设方提供的伴生气的数据由接转站来气和三相分离器来气两种组成。对这两种原 5 两安石油大学硕士学位论文 料气采用h y s y s 程序进行分析，可以看出两组分均处于不饱和含水状态。实际操作中， 原油初期含水较低，但油井油、气、水混合物中，水相大部分是以游离水存在，且在油 田开发后期，其原油含水率高达8 0 以上，因此，其伴生气必定为饱和含水。 建设单位提供的天然气组成是由于其取样方法或测试方法没有明确，必须对其进行 修正，否则在设计计算时有很大影响，如一级压缩出口冷凝器负荷，一、二级出口分离 器的液量，尤其是天然气脱水时的各种负荷计算等，会出现较大出入。为此，对其加以 修正，修正后的原料气组成见表2 2 。 表2 - 2 修正后的原料组成( m ol ) 项目接转站来气三相分离器来气 温度( ) 3 03 0 压力( m p a ) 0 1 5 0 15 流量( n m 3 d ) 5 6 4 x1 0 40 3 6 x1 0 4 c l 5 2 7 62 8 1 2 c 2 1 6 8 82 0 6 4 3 c 3 1 9 1 l3 1 6 1 i c 4 1 7 33 2 5 n c 4 4 9 99 7 4 i c 5 o 3 50 7 4 n c 5 1 0 42 2 7 c 6 0 2 70 6 4 c 7 0 0 0 70 1 8 c 7 + 0 0 1 0 0 0 2 8 h e o 2 8 02 7 9 对以上两组分混合后得到混合天然气组分为混合原料气的组成。通过h y s y s 程序 模拟计算，得出混合原料气及其干组成，详见表2 3 。 修正后饱和含水的混合气中采用h y s y s 程序中的p e n gr o b i n s o n ( p r ) 状态方程 计算出的6 0 xl0 n m 3 d ( 2 5 0 0 n m 3 h ) 含水量为56 2 6 k g h 。 混合气的相对密度为0 9 6 ，平均分子量2 8 1 6 。在3 0 、1 5 0 k p a c2 1 7 6 p s i ) 时查 天然气露点图，天然气的饱和含水量为2 3 8 0 0 9 1 0 0 0 m 3 。则2 5 0 0 n m 3 h 天然气的含水量 为： = 2 5 0 0 m 3 f h 2 3 8 0 0 9 1 0 0 0 m a = 5 9 5 0 0 = 5 9 s 0k o h 相对密度校正系数c r d = 0 9 8 ，没有与盐水接触，故修正后天然气的饱和含水量为： w = o g a s w o = 0 9 8 5 5 9 5 0 0 9 8 = s 7 4 4 k a h 6 第二章西峰油田轻烃同收t 艺优化设计 表2 - 3 混合原料气组成( m oi ) 项目 接转站来气三相分离器来气 温度( )3 03 0 压力( m p a ) 0 1 50 1 5 流量( n m 3 d )6 0 1 0 4 c l 5 1 2 85 2 7 6 c 2 1 7 1 l1 7 6 0 c 3 1 9 8 62 0 4 3 i c 4 1 8 21 8 7 n c 4 5 2 7 5 4 2 i c 5 0 3 70 3 8 n c 5 1 1 l 1 1 4 c 6 0 2 90 3 0 c 7 0 0 70 0 8 c 7 + 0 o lo o l h 2 0 2 8 0 由上计算可见采用h y s y s 程序计算出的饱和含水量与查露点图所得的饱和含水量非 常接近。 2 1 2 建设规模 西峰油田轻烃回收装置建设规模为日处理天然气6 x 1 0 n m 3 d ，需建装置系统、储运 系统、销售系统和火炬放空系统。 2 1 3 联合站内现状 西峰油田联合站1 0 0xl0 4 池原油集输储运系统先于轻烃回收系统建设，站内设有 原油脱水、脱气、原油储存、原油外输、导热油炉、供水、排水、污水处理、供电、通 信、消防等系统。其中供水、供电、污水处理、消防等系统均考虑轻烃回收装置负荷及 预留位置。 2 2 西峰油田轻烃回收工艺简介 西峰油田轻烃回收装置分原料气压缩系统、乙二醇注入及再生系统、氨制冷系统、 冷凝分离系统及分馏系统。 原料天然气经过计量后进入原料气缓冲罐( 分1 ) ，分液后进入天然气压缩机( 机1 ) 。 天然气压缩机一级压缩压力达0 s 8 7 m p a ，温度达1 2 0 9 c 经冷却水冷凝至4 0 后，将天然 气抽出进一级出口分离器( 分2 ) ，分液后进二级压缩机入口；二级压缩机出口压力为 7 西安石油人学硕士学位论文 2 3 m p a ，温度达1 1 8 。c ，经空冷器( 冷1 ) 冷却至4 0 ，冷却后的天然气进入压缩机二 级出口分离器( 分3 ) 分离。分3 分离出的液相去污水处理系统，气相和液相混合后注 入乙二醇防冻剂后进入多股流冷箱( 换1 ) 。 经换冷后的气、液混合物温度降至1 0 ，然后进入氨蒸发器( 冷2 ) 冷却至一2 5 。 再进入低温分离器( 分_ 4 ) ，在2 0 m p a ，25 c 条件下分离，分出的乙二醇富液去乙二醇 再生塔( 塔3 ) ，再生生成贫液后循环使用；分- 4 分离出的气相经减压至0 7 2 m p a ，降温 至3 4 。c 进入冷箱，换热后作为干气外输；分- 4 分出的液相经也经冷箱升温至2 0 c 后进 入脱乙烷塔( 塔1 ) 。 脱乙烷塔顶操作压力控制在1 7 m p a ，塔顶设内回流氨蒸发冷凝器，塔顶温度控制在 一1 5 c ；塔底设重沸器，塔底温度控制在6 7 ( 2 。脱乙烷塔顶气相经降压( 0 7 2 m p a ，温 度2 8 。c ) 后，进入冷箱与原料气换热利用其冷量，然后外输，也可进入压缩机入口进一 步回收其中的c ”组分；脱乙烷塔底液相进入液化气塔( 塔2 ) 。 液化气塔顶操作压力控制在1 4 m p a 塔顶设内回流水冷凝器，塔顶温度控制在8 0 ： 塔底设重沸器，温度控制在1 4 5 。液化气塔顶气相经空冷器( 冷3 1 ) 冷却至4 0 后 进入液化气缓冲罐，放出少部分不凝气，经计量后进入液化石油气储罐；塔底产出的稳 定轻油经空冷器( 冷一3 2 ) 冷却至4 0 ，计量后进入稳定轻油储罐。 西峰油田轻烃回收工艺原则流程图见图2 1 。 2 3 冷凝压力和温度的优化 由天然气相图可见，在升高压力、降低温度下，其凝液回收率越高。 气体加工常采用s r k 、p r 状态方程进行计算。采用s r k 方程在预测液相密度时 不够精确，对除甲烷外的烃类组分，普遍较实验数据小；p r 状态方程是在s r k 方程基 础上作了一些改进提出的，较接近实验数据。 p r 状态方程： 盯 口(乃p =一一：一 。 l ，一6 v ( v + 6 ) + b ( v 一6 ) 也可写成： z 3 一( 1 一a ) z 2 + ( a 一3 8 2 2 8 ) z 一( 船一8 2 8 3 ) = 0 式中： a = 羔君= 警矿= 了z r 8 第二章西峰油田轻烃回收工艺优化设计 图2 - 1 西峰油田轻烃回收装置工艺流程图 混合物的混合规则p r 方程采用s o a v e 规则 9 躯 察翻争窘辩r擎麓藿瓢扩 枣 西安石油大学硕士学位论文 口= x 。口u6 = x 。 口u = ( 口；吩) m 5 ( 1 一七盯) i = 1 j = lj = l 可解出z 有一个或三个实根，在两面相区最大根是气相，最小根是液相，中间根无 物理意义。长庆西峰油田混合原料气( 干基) 的冷凝温度、冷凝压力的变化，对c 2 、 c 3 组分液化率的影响，采用油气加工工艺模拟软件h y s y s 中的p r 状态方程对其模拟 计算。 西峰油田混合原料气干基组成见表2 3 。不同压力温度下c 2 、c 3 冷凝液液化率见表 2 _ 4 。 表2 - 4 不同压力温度下c 2 、c 3 冷凝液液化率 温，良组 压力”a _ 1 02 0 3 0 4 05 0 5 0分 c 2 1 2 0 01 3 5 22 2 6 43 3 8 34 6 4 05 9 3 27 1 3 9 1 6 0 02 2 3 23 3 1 l4 5 1 05 7 4 36 9 1 37 9 3 4 2 0 0 03 0 5 54 2 0 45 3 9 86 5 5 57 5 9 78 4 7 l 2 4 0 03 7 9 34 9 5 56 1 0 6 7 1 7 6 8 1 7 68 8 7 l 2 8 0 04 4 4 4 5 5 9 06 6 8 47 6 7 28 5 1 49 1 6 9 3 2 0 05 0 1 86 1 3 47 1 7 08 0 8 58 8 5 69 4 8 1 c 3 1 2 0 03 9 9 05 7 5 87 2 3 28 3 0 99 0 2 79 4 7 3 1 6 0 05 3 9 66 8 7 98 0 0 88 7 9 79 3 1 39 6 3 2 2 0 0 0 6 3 3 57 5 6 38 4 6 29 0 7 8 9 4 7 99 7 2 7 2 4 0 06 9 8 08 0 1 58 7 5 79 2 6 29 5 9 09 7 9 4 2 8 0 07 4 4 3 8 3 3 48 9 6 6 9 3 6 4 9 6 7 3 9 8 4 8 3 2 0 07 7 9 18 5 7 39 1 2 39 4 9 79 7 4 l9 8 9 7 注：液化率同一组分在凝液中的摩尔量与原料气中的摩尔量之比 在一定的冷凝温度下，提高冷凝压力，冷凝液量增多，但是压力提高到一定程度， c 3 + 的凝液量的增加幅度远比c 2 组分凝液量增加得少，见表2 5 。该表列出在更宽的压力 范围，在2 5 。c 时，c 2 - - c 3 的液化率。由表可见，在2 5 时，c 3 液化率自2 0 0 k p a 增加到 2 2 0 0 l ( p a ，增加幅度大。但由2 2 0 0 k p a 增加到3 4 0 0 k p a ，增加幅度变小，c 2 液化度在压力 高时比c 3 增加得多。将表2 5 制作成图2 2 则更为直观。 1 0 第_ 二章西峰油田轻烃回收工艺优化设计 表2 - 52 5 时压力变化对液化率的影响 化率 压力k p a 组分 4 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 018 0 0 c 2 3 2 58 6 71 5 2 l2 1 6 92 8 0 23 3 6 73 9 0 04 3 6 2 c 3 1 5 2 03 3 0 84 7 6 75 7 9 4 6 5 4 3 7 0 7 6 7 4 8 97 7 9 7 芯化率 压力k p a 组分 2 0 0 02 2 0 02 4 0 02 6 0 02 8 0 03 0 0 03 2 0 03 4 0 0 c 2 4 8 0 05 1 7 65 5 3 75 8 4 56 1 4 76 4 0 66 6 6 46 8 8 6 c 3 8 0 5 28 2 4 98 4 2 08 5 5 58 6 7 99 7 7 98 8 7 48 9 5 l 1 0 0 9 0 8 0 7 0 n6 0 纂 獬s o 4 0 3 0 2 0 1 0 o _ 。一 乡 一 一p 7 r f哆 j | 二 。 4 0 0 8 0 01 2 0 01 6 0 1 02 0 0 02 4 0 02 8 0 0 3 2 0 0 墨鸯k p a 图2 - 2 - 2 5 1 2 时不同压力下c 2 、c 3 液化率曲线图 在一定的冷凝压力下，降低冷凝温度，冷凝量增多。随着冷凝温度的降低，冷凝量 增加的越少，参见表2 - 6 。 表2 - 62 3 0 0 k m p a 时温度变化对液化率的影响 液化温度 警 3 02 01 00_ 1 02 03 0- 4 05 0 组分 c 2 2 9 88 2 71 5 8 32 5 3 03 6 1 74 7 7 95 9 4 37 0 3 47 9 9 2 c 3 8 1 92 1 7 33 8 1 9 5 4 4 66 8 3 97 9 1 78 6 9 49 2 2 29 5 。6 5 由表2 - 4 可见，在一3 0 c 时，压力从1 2 0 0 k p a 增加到2 0 0 0 k p a ，c 2 液化率增加了5 9 6 ， c 3 液化率增加了1 7 0 ，压力愈高，两者增加值相差愈大。 表2 6 列出在更宽的温度范围，在2 3 0 0 k p a 时，c 2 c 3 的冷凝率。由表可见，在 西安石油大学硕士学位论文 2 3 0 0 k p a 时，c 2 液化率自o 降低到5 0 增加了2 1 5 9 ，c 3 液化率自0 c 降低到5 0 c 增加了7 5 6 。 c 2 液化度在温度低时比c 3 增加得快。 由上计算看，冷凝压力愈高愈好，但势必造成原料气压缩机负荷过大，压缩机级数 过多，流程复杂，能耗过高，且小型国产压缩机也难以实现。冷凝温度是愈低愈好，但 采用简单的制冷方法制冷温度较高，采用混合制冷法及膨胀等制冷法工艺复杂，能耗高。 由图2 2 的曲线情况及综上分析，针对该原料气，冷凝压力在2 0 0 0 k p a ，冷凝温度 在2 5 时，冷凝回收轻烃较好。 2 4 原料气预处理 原料气预处理的目的是脱除原料气中携带的油、游离水、砂子、机械杂质以及h ：s 、 c 0 2 等酸性组分。一般进入装置的天然气中h 2 s 含量不要超过1 0 p p m ( 体积) ，一个是 1 0 p p m 是人长期接触的极限值，另外h 2 s 含量过高，则腐蚀严重主要表现为应力腐蚀， h 2 s 失重腐蚀则通常比c 0 2 或0 2 腐蚀要小。采用浅冷分离工艺时，只要原料气中c 0 2 含量不影响商品天然气的质量要求，可不必脱除原料气中的c 0 2 ；当采用深冷分离工艺 时，由于c 0 2 会在低温下形成固体，堵塞管线或设备，故应将其含量脱除到允许范围之 内。 一般是原料气预处理的顺序是除去油、游离水、砂子一脱除酸性组一脱水。在我国 油田伴生气中，h 2 s 的含量一般极小，有些不含h 2 s 气体；气田气中，往往h 2 s 气体含 量较大。因此油田伴生气大多数原料气预处理时不需脱h 2 s ，这里也不做天然气脱硫的 详细论述。 西峰油田轻烃回收原料气为非酸性天然气，需脱除其中携带的油、游离水、砂子和 饱和含水。脱除油、游离水、砂子及机械杂质必须在进压缩机之前进行，以防止压缩带 液和磨损，引起压缩机不正常操作。在原料进压缩机之前设一个原料气缓冲分离器，该 缓冲分离器有几个作用。对压缩机进口气体流量起平稳作用，分离天然气中携带的 油、游离水及同体杂质，收集压缩机一级出口分离器凝液，收集装置内零位罐回收的 液烃，停工检修作吹扫回收临时储罐之用。经过缓冲分离器分离后的天然气，其携带 的液滴直径小于1 0 p r o 。 由于油田伴生气压力比较低，天然气凝液回收需要压缩。天然气脱水在高压下有利 于脱水，因此天然气脱水应放在压缩之后进行。另外，由于压缩后的原料气在冷却之后 将会析出一部分游离水，这样可减少脱水与制冷负荷。 2 5 原料气压缩工艺优化 西峰油田伴生气来气压力为1 5 0 k p a ，前边已经论述了在2 0 0 0 k p a 、2 5 时，c 3 液化 率己达8 l 。因为压缩机出口至低温分离器要经过空冷器、二级出口分离器、冷箱、氨 蒸发器，因此考虑增压至2 3 0 0 k p a 较为合适。故压缩机最后出口压力应设计为2 3 0 0 k p a 。 1 2 第二章西峰油田轻烃回收工艺优化设计 长庆西峰轻烃回收装置原料气由压力 ( 4 17 n m 3 m i n ) 。压缩机轴功率为4 2 0 k w 。 1 5 0 k p a 增压至2 3 0 0 k p a ，流量2 5 0 0 n m 采用单级压缩压缩比太大，排气温度过高， 压缩制造困难：若采用二级压缩则每级压缩的压缩比在3 - - 4 之间，符合压缩机设计要求； 若采用三级压缩由工艺模拟计算则中间均需设冷却分离设备，工艺复杂。 原料气压缩工艺设计是否合理，是轻烃回收装置平稳运行的关键。压缩机各级出口 是否设计出口分离器，完全看原料气的组分。当组分非常重时，应考虑压缩机级间设出 口抽出分离器：当组分轻时可不必设置级间抽出分离器，级间冷却生成的凝结水可由压 缩机设各本身自带的分液包处理，不必再设级间抽出分离器。下面采用h y s y s 程序对 西峰油田轻烃回收原料气( 包括接转站来气和三相分离器来气) 组分进行模拟，模拟流 程图见图2 - 3 ，计算结果表2 7 。 围2 - 3西峰油田轻烃回收原料气压缩幂统h y s y s 模拟流程 模拟计算时要注意，是否你所选择的两级压缩机的为等功率压缩。若两级压缩为等功 率压缩，则模拟计算时可选择调节单元，使两缓压缩的功率相等，调节一级出口的压力； 若不是等功率压缩则应按厂家的要求规定一级出口压力。 在西峰油田轻烃回收设计时，建设单位提出将来在联台站内建设原油稳定装置的意 向，以减少原油储运损耗，同时增加原油中溶解气( 伴生气) 的拔出率，因此要求轻烃 回收装置设计时考虑将来能接收原油稳定装置的稳定气。因为稳定气组分非常富，在设 计轻烃回收装置设计时必须考虑其因素。为此，采用h y s y s 软件模拟出原料气( 包括 接转站来气、三相分离器来气和原油稳定气) 组成并模拟其压缩系统流程图，其计算结 果见表2 - 8 。 从计算结粜可以看出原料气一级压缩机出口在冷却到4 0 c 时，只有冷凝水析出， 流量为3 05k g m ：含原油稳定的原料气一级压缩机出口在冷却到4 0 时，不但有冷凝水 析出，而且还有大量的液烃液化，其液量为2 5 89 1 c g m 。为此，第一种原料气压缩时可不 西安石油火学硕士学位论文 设级间抽出分离器，含有稳定气的原料气压缩时应设级间抽出分离器，以避免压缩机二 级入口带液，造成压缩机不能正常的运行。 另外，由以上计算还可看出，对于以上两种原料气，在一级压缩机进口气量都为6 0 1 0 4 n m 3 d ，且压力、温度均相等，且二级出口压力均为2 3 0 0 k p a 的情况下，贫一点的原 料气其压缩机的总功率为3 1 3 2 k w ，而富的原料气其压缩机的总功率却为2 9 5 4 k w ，这 与我们平时想象的不太一样。这是因为，富的原料气在一级压缩之后有一部分变为凝液 而被分离掉了，并没有参与二级压缩，所以其压缩做功也就少了。但如果两种组分在压 缩过程中均无有凝液析出，那么此时肯定较重组分的压缩机做功要大些。 表2 - 7 西峰油田轻烃回收原料气压缩系模拟计算结果 弧m ，ei2 345 v 8 p o u rf r a c t i o n i 0 0 l 柏1 o 哺砌0 ，9 8 4 8o 积 x 1 o i 】i ) o t e m t 。e r a m c el c l 粥0j 1 9 4劬04 0 04 1 ) 0 p r 麟眦l k p a l i 髫，o5 85 粥85 弛35 铀8 m o 瓣f l 蛳f k 刚o l e t h 】 l l i 、6 f 扪l i i6 r ) 【耵l l l 瞎ml6 9 2 8l ( 伽7 2 m a 黼n mi 碡，h l，1 4 2 8 嘲蜡31 4 2 8 9 9 531 4 2 8 9 嚣53 t j 4 9 5 63 l1 2 4 0 2 9 l i q m dv r , h m l eh 口wi m 3 _ h j 7 ，7 啦羚7 7 憾97 讯1 1 9u m 3 l 掩7 6 7 嚣3 h 缄f l o , 【“伽 一1 0 2 7 2 0 1 7 ，99 阳8 5 8 32一1 0 3 0 7 3 4 54_ 4 8 1 1 4 1 19 8 2 6 2 0 4 3 m d i 嘞eo 。5 1 2 鬈0 。5 1 2 8o 。5 1 2 8o 组l x j05 2 0 7 e t t m n , oo1 7 j j0 。j 7 l lo 1 7 l l1 ) 锚* mo 1 7 3 7 p m p 岫c o 、i 鳃60 ，1 9 8 6o 。l 孵60 ， 耗l x 0 2 0 1 7 i b m 珊w0 0 1 8 2o o 1 9 2o o 1 9 2t ) 曲x mo 0 1 9 5 n - b u “嘲c0 0 5 2 70 。0 5 2 70 0 5 2 7o x x x 0 【5 3 5 i i 蝴l n e0 0 0 、7o 瑚3 70 0 0 3 70 a x 砌o q ) ，8 n - p