膜分离设备及膨胀机生产运行参数分析.doc

2011年油气集输大队技术管理座谈会膜分离设备及膨胀机生产运行参数分析完成单位：油气集输大队撰稿人：于修宝 郭昌文 李道忠 李洪明完成时间：2013年6月20日10目 录一、膜分离工艺流程二、膨胀机工艺流程三、生产参数分析四、三类参数的划分五、重点参数的分析六、效益预测七、结束语膜分离设备及膨胀机生产运行参数分析前 言中国石化科技攻关项目轻烃站膜分离轻烃回收装置的开发研制经过两年半来的运作，全部工程圆满结束，提前半年顺利完成了该项目的研制、设计、制造、施工，为完成桩西采油厂、胜利石油管理局的轻烃生产任务奠定了良好的基础，现已达到项目验收条件。针对桩西轻烃站的生产现场参数，油气集输大队进行了分析研究。为简化生产参数的分析，将生产参数划分为三类，即重点参数、辅助参数和基本参数三类，借助辅助生产参数对重点生产参数进行了详细的分析。通过分析，指出了目前生产参数的不足之处，提出了下一步生产参数运行指标范围，为提高轻烃产量出谋划策，达到了预期的效果。一、膜分离工艺流程1、膜分离工艺流程图如下：渗余尾气去外输干气膜分离器12支PV-701PV-601循环富气去原压机V-105顶电加热器过滤器2组2、膜分离工艺简介自高压分离器V-105顶部来的低温气体进入膜前换热器后，进入电加热器EH-101加热，再经过两组三台串联的精密过滤器，除去杂质后进入膜组件。大分子的轻烃组份渗透透过膜形成富气组份浓度较高的循环气，进入原料气压缩机进行循环处理；小分子的轻烃组份则不能透过膜，形成干气组份浓度高的渗余尾气，进入干气管网进行外输。该工艺流程过程中的参数有进膜装置前压力、电加热器前温度、精密过滤器前压力、膜组件前后压力、流量、温度等共13个。二、膨胀机工艺流程1、膨胀机工艺流程图如下：E-103V-105M-101V-103C-101膨胀机2、膨胀机工艺简介膨胀机进口自膜分离工艺出口或高压分离器顶部两个来源可选择其一。工艺过程比较简单，但冷却效果比较好。工作原理也简单，高压气体进入膨胀机进行绝热膨胀，体积增大，温度降低，低温气体给原料气提供冷量，降低制冷温度，达到提高轻烃收率的目的。该工艺流程过程中的参数有膨胀机进出口压力、温度、转速、机油油泵出口压力、油压、前后轴承油压力、膨胀机进口油压、喷嘴后油压、密封气压力等共13个。三、生产参数分析将以上所述膜工艺参数汇总，如下表：表1 膜工艺参数名称膜分离器电加热器精密过滤器富气贫气日期前压力前流量前温度前温度后温度前压力后压力压力流量温度压力流量温度将以上所述膨胀机工艺参数汇总，如下表：表2 膨胀机工艺参数名称膨胀机转速密封气压力油泵润滑油轴承进口出口出口润滑前轴承后轴承日期压力温度油压压力温度压力油压油压油压四、三类参数的划分根据表1、表2中所列的设备工艺参数，将二十余个生产参数按重要程度划分为三类：一类是直接影响轻烃收率的重要参数；二是间接影响收率的辅助参数；三是生产过程中必须按时录取的基本参数。见下表：表3 参数分类表项目膜分离设备膨胀机设备重要参数富气流量 贫气流量进口压力 进出口温度辅助参数膜前流量轴承温度基本参数膜压力 膜温度密封气压力 油压 油温将上表整理一下，重要参数和辅助参数制成表格。同时将化验数据归入该表，以便分析。整理后的表格见下表：表4 生产参数例表格式日期膜分离设备膨胀机设备化验数据收率流量(m3/h)C1C2C3ic4nc4ic5nc5(%)干气进温富气出温贫气出压伴生气五、重点参数的分析将多组数据进行回归分析，并经物料平衡试算，得出下表。见表7根据表7的计算结果，已经得出膜分离回收率为2030%，膨胀机出口温度为-20-28。下面分析四个问题：1、影响膜分离设备回收率的因素；2、膨胀机的冷量供给能力；3、制约膨胀机效率的因素；4、膜分离设备与膨胀机同时运行的优缺点。在工艺流程中，自高压分离器V-105顶部来的气体先进膜分离设备，经膜处理后的贫气进膨胀机进行绝热膨胀，形成的低温干气进入冷箱E-103吸收其他物料的热量而达到制冷的目的。流程图如下：E-103膨胀机膜分离器12支PV-701PV-601V-105膜分离设备图3 分离及制冷部分流程示意图分析一，影响膜分离设备回收率的因素。下表是设计时的物料平衡表。表5 设计物料平衡表项目膜前富气贫气新干气原外输干气温度 oC10.00-2.91-54.78-13.5825.00压力 MPa(G)1.300.050.200.151.35流量 kgmol/h117.8020.1597.6597.65101.03流量 kg/h2639.90566.182073.722073.722198.53流量 Nm3/h2785.32476.412308.912308.912388.85组成C1（v%）66.2041.0071.4071.4069.28C2（v%）15.5429.0512.7512.7513.67C3（v%）4.029.832.822.823.96C4（v%）0.380.920.260.260.42C5（v%）0.040.100.030.030.05N2（v%）5.282.785.795.795.60O2（v%）1.200.961.251.251.22CO2（v%）7.3615.375.705.705.80经过多组数据的回归分析，得到如下的物料平衡数据：表6 现场物料平衡表 项目膜前富气贫气（新干气）原外输干气温度 oC20191925.00压力 MPa(G)1.151.300.050.250.500.45流量 kgmol/h84.0919.2565.42101.03流量 kg/h1714.97407.611299.112198.53流量 Nm3/h1883.53431.241465.362388.85组成C1（v%）75.1671.3377.5969.28C2（v%）14.0716.9112.5013.67C3（v%）4.925.045.213.96C4（v%）1.732.551.0320.42C5（v%）0.270.2110.1460.05N2（v%）O2（v%）CO2（v%）将表5、表6的数据分别填入表4，得到表7。从表7中对比两组数据可得出以下三个结论：(1)膜分离工段的C3+回收率：26.2%；(2)系统总C3+回收率：58.9%；(3)外输干气中C3+含量（V%）：6.39%。表7 设计数据与现场数据的对比表设计膜分离设备膨胀机设备化验数据收率流量(m3/h)C1C2C3ic4nc4ic5nc5(%)干气2785进温66.2015.544.020.380.0441.8%富气476出温41.0029.059.830.920.10贫气2309出压71.4012.752.820.260.03伴生气2500m3/h63.7613.726.320.721.530.330.4381.1%现场膜分离设备膨胀机设备化验数据收率流量(m3/h)C1C2C3ic4nc4ic5nc5(%)干气1959进温75.1614.074.921.730.2726.2%富气449出温71.3316.915.042.550.211贫气1519出压77.5912.505.211.0320.146伴生气1975m3/h73.0113.077.211.420.750.39058.9%经过分析，造成指标未达标的原因主要有以下三个方面：（1）膜前气量存在差异。设计膜前气量为2785.32Nm3/h，现场目前膜前气量为1883.53Nm3/h，气量降低了901.79Nm3/h，即21642.96 Nm3/d。（2）干气中C3+含量的差异。与设计相比，膜前气中C3+含量由设计时的4.44%上升到目前的6.92%，C3+含量提高了2.48%，（3）富气量与贫气量比例的差异。该比例由设计时的1:4上升到目前的1:3.4。分析二，膨胀机的冷量供给能力。根据工艺流程，计算冷箱E-103各物流的热量交换。30m3/min原料3518m3/min10-0.6液烃-1525m3/min-20干气8.4kg/min-20丙烷-35-28利用换热公式Q=Cm(t2-t1)，假设在冷箱内保持热量平衡，即有：Q丙烷+Q液烃+Q干气=Q原料气，可以粗略试算各介质的热量交换。经试算，各介质的热量交换基本符合上述热平衡方程。从上述热平衡方程推断，在Q丙烷+Q液烃基本不变的情况下，为使原料气降得更低，达到更好的制冷效果，只有增加Q干气的值，才能达到Q原料气值的增加。即根据Q=Cmt，其中C和m不变，要增加Q干气的值，就需要增加t值，t=t2-t1。其中，t2为干气出口温度，t1为干气进口温度。在热量充分交换的情况下，t2温度低于15左右（冬夏季有差别，与环境有关），因此，只有降低进口温度t1温度，才能达到更好的制冷效果。假设要使原料气出口温度降至-60，利用热平衡方程计算一下干气进口温度t1的温度。经粗略试算，得到结果为进口温度t1=-99。在生产现场，干气经膨胀机后进冷箱温度达不到-99，说明膨胀机的冷量供给较低。下面根据膨胀机进口温度试算，通过求t，从而求t2=t+t1，得到原料气出冷箱能够达到的温度。此时已知膨胀机进冷箱的干气温度可达到-65，以此为依据，经粗略试算，得到结果为t=-68。故：t2=t+t1=35-68=-33。原料气出冷箱能够达到-33。与原料气出口温度-28相比，仅仅低了5。此结果说明干气入口温度降低45，原料气仅降低了5。由此得出结论：膨胀机提供的冷量仅仅降低了原料气温度5，效果很不明显。分析三，制约膨胀机效率的因素。从工艺流程中可以看出，膨胀机入口温度大约为10，是经膜处理后的干气。这是膜设计温度所要求的温度值。由于自高压分离器V-105顶部来的气体可选择进膜或进膨胀机，温度为-20，故当进膜时，利用膜前换热器同原料气进行换热，温度升高到10，渗余尾气仍为10，则膨胀机出口温度只可降至-35以下；当选择直接进膨胀机时，温度仍为-20，则膨胀机出口温度可降至-65以下。这是运行膜分离器时制约膨胀机效率的一个重要原因。制约膨胀机效率的另一个原因是膜分离器的安装位置限制了膨胀机的单独运行，要么停运膜分离器单独运行膨胀机，要么两者都运行。可以设想一种工艺状态，两者都运行时，膜分离器的启停不影响膨胀机的运行。分析四，膜分离设备与膨胀机同时运行的优缺点。优点比较明显：（1）、膜分离器从物料渗透原理回收轻烃重组份；膨胀机从提高轻烃饱和蒸气压角度回收轻烃重组份，两者相辅相成，互为补充。（2）、膨胀机出口干气为原料气提供更多的冷量用以制冷；膜分离器则从干气中进一步提取C3+成分，加以回收生成轻烃产品。（3）、通过膜分离器和膨胀机解决了原流程存在的干气不干的问题。六、效益预测根据以上结论，对同时运行的膨胀机后的化验数据进行了分析计算，同时运行膜和膨胀机时的轻烃回收率由原装置46%52%，提高到了49