【硕士论文】天然气处理装置制冷工艺加湿技术研究.pdf

人庆 油学院丁程顾I 专业学位论文 天然气处理装置制冷工艺加湿技术的研究 摘要 空冷器是用来冷却天然气 原稳脱出气等介质的换热设备 开展空冷器加湿工作 能 够降低冷却空气的温度 从而避免了环境温度对空气冷却环节中天然气温度的影响 使夏 季空冷器出1 3 天然气达到工艺要求 达到提高轻烃收率和增加气中收烃量 稳定系统工艺 参数 本文研究了影响空冷器传热效果的因素 强化空冷器传热的途径和天然气处理装置空 冷器加湿技术 通过对各种加湿方法的比较 确定了空冷器的最优加湿方案是 E 0 1 0 3 选 择高压喷雾加湿 E 0 1 0 4 选择前段出口饱和一级加湿 对E 0 1 0 3 与E 0 1 0 4 之间的压缩机对加湿造成的影响进行了理论分析 结果表明 压缩 过程不会使前级的温降效果降低 同时如果对E 0 1 0 3 进行喷水使得其出口温度降低 可以 降低压缩功 通过理论计算与分析 设计了空冷器喷水流程 喷头结构形式 安装和柿置以及加湿 过程的自动控制等 对萨中深冷E 0 1 0 3 E 0 1 0 4 空冷器进行了加湿实验 结果表明 此加 湿技术可使空冷器夏季出口温度降低5 1 制冷深度提高2 3 C 平均每处理1 0 4 N m 的天然气可多回收轻烃0 1 4t 一个夏季可多回收轻烃4 3 0 吨 达到了提高轻烃收率 稳 定系统工艺参数 提高制冷合格率的目的 具有较高的推广应用价值 关键词 天然气 空气冷却器 加湿 喷头 轻烃 A b s r a c t S t u d yo nt h et e c h n o l o g yo f e f f e c t i v er e f r i g e r a t i n g i nn a t u r a lg a sp r o c e s s i n gu n i tb yh u m i d i f y i n g A b s t r a c t T h ep r e s s u r ea i rc o o l e ri sak i n do fh e a t c h a n g ed e v i c ew h i c hi su s e dt oc o o ln a t u r a lg a s e m e r g e dg a si no i ls t a b i l i z a t i o ne t c T h ep u r p o s eo f h u m i d i f i c a t i o ni st od e c r e a s et h et e m p e r a t u r e o fc o o l e da i ra n dS Ot h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n tt on a t u r a lg a si na i rc o o l i n gi s a v o i d e d A n dt h en a t u r a lg a sa tt h ee x i to fp r e s s u r ea i rc o o l e rc o u l da c h i e v et h ed e m a n do ft h e t e c h n i q u e T h er e c o v e r yo f l i g h th y d r o c a r b o n a n dt h eh y d r o c a r b o ni ng a sc o u l db ei n c r e a s e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h es y s t e ma l s oc o u l db e s t e a d y T h ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e ra n dm e t h o do fi n t e n s i f y i n gh e a tt r a n s f e r f o rp r e s s u r ea i rc o o l e rw e r es t u d i e d T h ee x c e l l e n ts c h e m ew a st h a tt h em e t h o do fh i g h p r e s s u r e s p r a yh u m i d i f i c a t i o nw a sc h o s e nf o rE 0 1 0 3a n dt h em e t h o do ff o r e p a r t e x i t s a t u r a t i o n s t a i r h u m i d i f i c a t i o nw a sc h o s e nf o rE 0 1 0 4t h r o u g hc o m p a r i n gv a r i o u sm e t h o d so f h u m i d i f i c a t i o n T h ei n f l u e n c eo fc o m p r e s s o rb e t w e e nE 0 1 0 3a n dE 0 1 0 4t oh n m i d i f i c a t i o nW a sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h ef i r s ts t e pw i l ln o tb e d e c r e a s e db yt h ep r o c e s so fc o m p r e s s i o n a n dt h ew o r ko fc o m p r e s s i o nc o u l db ed e c r e a s e db y r e d u c i n go f t e m p e r a t u r ea tt h eo u t l e tb e c a u s eo f s p r i n k l e rf o rE 0 1 0 3 T h ef l o wd i a g r a mo fs p r a yw a t e r s t r u c t u r eo fs p r a y e r i n s t a l l a t i o na n dd i S p o s a lo fs p r a y e r a n da u t o m a t i o no fh u m i d i f i c a t i o nw e r ed e s i g n e dt h r o u g hc o m p u t i n ga n da n a l y s i si nt h e o r y T h e h u m i d i f i e de x p e r i m e n t sw e r em a d eo np r e s s u r ea i rc o o l e r so fE 0 1 0 3a n dE 0 1 0 4 T h er e s u l t s p r o v e dt h a tt h eh u m i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e sc o u l dd e c r e a s e dt h et e m p e r a t u r eo fp r e s s u r ea i rc o o l e r b y5 1 i ns u m m e r y t h e d e g r e eo f r e f r i g e r a t i o nc o u l db e i n c r e a s e db y 2 Y C t h ea v e r a g e l i g h t h y d r o c a r b o nr e c o v e r yw a si n c r e a s e db y0 1 4 1 0 4 N m j l i g h th y d r o c a r b o nc o u l db er e c o v e r e d m o r et h a n4 3 0 t T h ep u r p o s eo fi n c r e a s i n gl i g h th y d r o c a r b o nr e c o v e r y s t a b i l i z i n gp a r a m e t e r so f t h es y s t e ma n di n c r e a s i n gt h er e g u l a rr a t i oo fr e f r i g e r a t i o nw a sa c h i e v e d A n dt h et e c h n o l o g y w a sa u i t eu s e f u lt ob eg e n e r a l i z e d K e y w o r d s n a t u r a lg a s p r e s s u r ea i rc o o l e r h u m i d i f i c a t i o n s p r a y e r l i g h th y d r o c a r b o n H 人庆石油学院丁程碗I 专业学位论文 第一章绪论 1 1 天然气处理概述 天然气包括气罔气和油田气 天然气主要出甲烷 乙烷 丙烷和丁烷组成 还伴有其 它非烃组分和C 5 以上较重的烃类化合物 非烃类组分包括氮气 硫化氢 二氧化碳 氧硫 化碳 硫醇 二硫化物 氢气 氮气和水蒸气等 这些组分以及较重烃类组分的相对含量 随着气藏的类型而变化 在大部分天然气中也存在着极少量的不饱和烃 如乙烯 丙烯 丁烯等 还可能含有非常少量的环状烃化合物 环烷烃和芳烃 如环戊烷 环己烷 苯 和甲苯等 但是天然气中还含有一部分酸性气体 重烃 水及汞等杂质 易形成水台物 造成设备腐蚀 管道堵塞 为了保证天然气的深冷冻液化过程的稳定操作 有必要对其中 的C 0 2 H 2 S 水 汞 重烃类等进行脱除 天然气处理过程就是对天然气进行脱水i 脱酸 性气体以及硫磺的回收等操作 预处理的主要设备由吸收塔 再生塔及干燥塔组成 图1 1 是天然气处理系统的简图 4 g 卜天然气2 吸收塔3 一空气4 一预冷5 一酸气 6 一再生塔7 一加热8 一干燥塔9 一去液化装置 图1 1 天然气处理系统简图 F i g 1 1S y s t e mo f n a t u r a lg a st r e a t m e n t 8 1 1 1 天然气脱水 天然气脱水的主要目的有两个 一是可防止天然气中的水分析出 在液化时结冰 使 管道和仪表阀门出现冰堵 发生事故 二是因液态水的存在 使未脱除的酸性组分对压力 管道和容器的腐蚀加剧 可能导致应力腐蚀 天然气脱水的方法主要有3 种 冷却法 甘醇吸收法 固体 如硅胶 活性氧化铝 分子筛 吸附法 三甘醇 T G E 法应用最广 第一章绪论 泛 现主要用第 种 其中 分子筛法一般采用4 A 型分子筛 该方法用于深度脱水 以 往的分子筛常包含有小的沸石类微粒 吸水性能好 但与此同时也造成了较大的气体压力 损失 为解决这个问题 一种新的T R I S I V 吸收系统 2 问世 其新的微粒结构增大了与气体 的接触面积 并缩短了气体流程 减小了气体的压力损失 近年来 膜分离方法也成功地 用于天然气脱水 T G E 法的重要发展是采用结构填料 使装置塔的规模减小 重量减轻 费用降低I 新的脱水工艺是法国I F P 开发的I F P X 一1 2 1 2 艺 该工艺的投资及操作费用都较低 4 表1 1 比较了I F P X 一1 和三种其它工艺的投资费用 表1 1 脱水工艺投资费用比较m T a b l e1 1C o m p a r eo fi n v e s t m e n tb e t w e e nd i f f e r e n td e h y d r a t i o nt e c h n i c s l 5 1 1 1 2 天然气脱硫脱碳 天然气脱硫脱碳方法有化学溶剂法 物理溶剂法 化学物理溶剂法 直接转化法 非 再生脱硫剂法 膜分离方法以及低温分离法等I 胡 其中以化学溶剂法 主要为胺法 和物理溶 剂法 主要是砜胺法 应用最多 表1 2 列出了国外部分主要天然气脱硫脱碳工艺的应用情 况 表1 2 国外气体脱硫脱碳工艺应用情况刚I T a b l e1 2A p p l i c a t i o no fd e s u l f u r i z a t i o na n dd e c a r b o n i z a t i o nt e c h n i c so fg a si nf r e m d n e s s 工艺方法装置数 A d i p a M D E A A m i n eG u a r dF S L o C a t B e n f i e l d C a t a c a r b C h e m s w e e t E c o n am i n e F l e x s o r b I H E X 一2 膜 A m i n e P u r a s p e c P u r i s o l R y a n M o m e S e l e x o ll 峭毒 邺i霎雩 啪瑚醐咐 瑚 如亏 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 续表1 2 工艺方法装置数 S t r e t f o r d S e p a r e x 膜工艺 S u l f 矾h a t S u l F e m x S u l f i n o l 1 5 0 4 0 4 0 0 2 0 2 0 0 注 括号内数字为在建或工程设计装置数 9 0 年代天然气脱硫脱碳工艺总体上进展不大 开发的新工艺也不多 其中较重要的新 工艺有法国I F P 提出的I F P E X 2 工艺和美国G R I 开发的N F M N 甲酰吗啉 物理溶剂工艺 工艺的发展主要体现在以下几方面 1 M D E A 得到广泛应用 M D E A 工艺因具有对H 2 S 选择性吸收好 能耗低 腐蚀小等优点而受到普遍重视 其应用迅速得到推广 采用的 M D E A 工艺主要分为M D E A 基混合醇胺工艺 如M D E A D E A 工艺 S N E A P M D E A 工艺 活化M D E A 工艺和M D E A 基物理化学溶剂工艺 S u l f i n 0 1 M 工艺 等几类 2 更加注重节能 通过采用提高胺液浓度 巧妙安排工艺流程以及应用多种装置优化技术等方式 以达到节 能目的 0 7 艺方法系列化 为适应不同工艺条件和技术要求 各公司将工艺方法实施系 列化 如U n i o n C a rb i d e 公司的U c a r s o l 系列 D O W 化学公司的G a s S p e c 系列 E x x o n 公 司的F l e x s o r b 系列等 4 直接转化技术和脱硫剂工艺应用日益增多 对于流量小 硫含量 低的天然气处理 直接转化技术和脱硫剂工艺具有较佳的技术经济性而得到高度重视 应 用也日益增多 如铁基液相氧化还原工艺的L o C a t 工艺和S u l F e r o x 工艺等 脱硫剂工艺的 S u t f a T r e a t 工艺 C h e m s w e e t 工艺和S u l f a C h e c k 工艺等 在上述工艺中 S u l f i n o l 法是一种物理化学吸收法 该方法中所用的溶剂同时也能使包 括C H 4 在内的烃类大量溶解 并且这些方法大多数成本高 能耗大 近年来 一些L N G 公 司已采用了一些较先进的气体预处理技术 并且已在L N G 工业中起着重要作用 9 对于含 低浓度酸性气体的原料气 分压小于3 5 0 k P a A m i n eG u a r dF S 流程 l0 1 较为实用 它是包括 一个以胺液为主体的流程和一种U C A R S O L 类胺溶剂 该溶剂成本低 有较好的热的和化 学的稳定性 无腐蚀性 不易起泡 以及该流程除易操作外 与M E A 和D E A 流程相比需较 低的再生热能等优点 其优化了的设计是基于4 0 多年的气体净化经验并已得到技术性杂志 的认可 世界上已有5 5 0 多个工厂采用该流程 B e n f i e l d 流程 它包括K 2 C 0 3 水溶液 加快 溶质传递的活化剂及防腐剂 已被世界上几百个装置所采用 E n f i e l d 流程已有3 0 多年历史 近年来人们对它有所改进 较为典型的有 D B e n f i e l d 一1 0 0 流程 它包括K 2 C 0 3 吸收液 分 子筛等 K 2 c 0 3 吸收液除去酸性气体及C O S 分子筛则除去水分及剩余的酸性气体 产品 中有部分气体回流 用于分子筛的再生 然后再返回原料气 该流程能较彻底地除去含s 化合物 8 0 9 9 C O S 9 5 之1 0 0 甲硫醇及大部分水分 采用新的活化剂 通常 活化剂用于加快C 0 2 的吸收速度 这样可减少装置体积并起节能作用 以往常用二乙醇胺 D E A 砷 甘氨酸作为活化剂 而现在采用一种新的活化剂P l 其效用已被美国三个合 第一章绪论 成氨厂所证实 这些厂每天产氨1 0 0 0 1 5 0 0t 需纯化2 8M P a 压力下含1 7 C 0 2 的1 7 5 0 0m 3 气体 1 1 3 硫磺回收和尾气处理 硫磺回收和尾气处理装置排放的硫化物会造成酸雨及其他严重环境问题 为了减少对 环境的污染 要求不断提高装置的硫回收率水平 硫磺回收和尾气处理工艺的发展以满足 有关的环保标准为目标 不断提高装置硫磺回收率和处理能力 减少有害污染物的排放 并同时降低投资和操作费用 硫磺回收和尾气处理工艺经过不断的改进和完善 形成了一 些工艺系列 如S u p e rC l a u s 工艺 S u l f r e e n 工艺 C l a u s p o l 工艺 S c o t 工艺 B S R 工艺等 系列 1 2 1 3 l 可满足不同的硫收率水平要求 同时 面对新的环保排放标准 工艺的硫磺回 收率达到了9 9 5 乃至9 9 9 的更高水平 尾气处理工艺如L SS c o t 和S u p e r以及 Scot R A R 工艺 1 4 其H 2 S 的净化程度较以往工艺有很大提高 其主要特点如下 1 克劳斯与尾气处 理相结合的工艺 1 5 l 由于采用专门的尾气处理工艺 虽然能得到很高的硫回收率 但相应 的投资及操作费用也相当的高 尤其对于酸气处理量不是太大的情形 经济上极不划算 因此开发出将克劳斯与尾气处理相结合的工艺显得特别重要 如常规C l a u s 与直接氧化工 艺相结合的S u p e r C l a u s 工艺 H i A c t i v i t y 工艺以及与低温C l a u s 相结合的C B A 工艺 M C R C 工艺和C l i n s u l 5 S D P 工艺等 这些工艺简化了流程 降低了投资及操作费用 获得的硫收 率也较高 f 2 1 富氧C l a u s 工艺正同益受到重视 用富氧空气或纯氧替代空气 可提高装置 的处理能力 降低C l a u s 装置和尾气处理设备的占地及投资费用 还能较强地适应酸气浓 度的变化 对于炼厂酸气浓度波动较大的硫磺回收装置尤为重要 而且一些成熟技术如变 压吸附和浸没燃烧等的运用 使富氧C l a u s 工艺在经济上更具竞争力 这些工艺技术将进 一步向系列化 深度化方向发展 1 2 轻烃收率现状 轻烃回收装置就是从天然气中回收有价值的液态烃类的天然气处理装置 轻烃回收的 方法有油吸法 常温或低温 吸附法 冷冻分离法 国内外近2 0 年来已建成的轻烃回收 装置 大多采用冷冻分离法旧 冷冻分离法包括冷剂制冷 膨胀制冷 以及联合采用两种 制冷工艺1 1 8 1 目的是获得低温 在一定的压力下 使原料气中的C 2 及C 以上组分冷凝为 液体 然后分馏成各种产品 1 2 1 万方气收率 2 0 0 5 年 大庆地区1 2 套气装置处理伴生气1 7 6 2 0 3 x 1 0 8 N m 3 原稳不凝气约 6 0 8 3 x 1 0 4 N m 3 回收轻烃3 3 4 4 1 2 x 1 0 4 t 万方气收率1 8 9 8 t 1 0 4 N m 3 其中 伴生气收烃 2 8 1 2 4 3 x 1 0 4 t 收率1 5 9t 1 0 4 N m 3 脱出气收烃5 3 1 6 9 x 1 0 4 t 收率8 7 4t 1 0 4 N m 3 深冷装置处理伴生气3 5 0 3 9 1 0 8 N m 3 占湿气量的1 9 8 9 回收轻烃8 5 0 0 6 x 1 0 4 t 平均收率2 4 3t 1 1 0 4 N m 3 人庆石油学院T 程倾L 业学位论 2 浅冷装置处理伴生气1 41 1 6 4 1 0 8 N m 3 不凝气6 0 8 3 x 1 0 4 N m 3 收烃2 4 9 4 0 6 10 4 t 混合气平均收率l6 9V 1 0 4 N m 3 其中 伴生气产烃1 96 2 3 7 x 1 0 4 t 收率j3 9U 1 0 4 N m 3 气 装置收烃构成见图1 2 1ol 1 箍j 瑟 q 浅冷姬伴生5 9 气 州深冷k 伴生2 5 气 122 组份收率 万方气收率反映的是万方气收烃量 不反映装置的收率水平 反映装黄收率水平的 是组份收率 即各组份回收量占原料中各组份回收量的比例 一般的 评价气装嚣的设计 或管理水平 通常用关键组份收率进行比较 深冷为c 2 浅冷为C 3 各气装置纽份收率 见图1 3 从罔l 一3 中看出 2 0 0 5 年浅冷装置各组份平均收率分别为c 2 5 7 5 C 2 90 9 C 4 6 3 2 7 C s 8 36 5 C 6 9 2 O C 7 1 0 0 其中关键组份c 3 的收率 比设 计标准下限s o f 氐了2 0 个百分点 2 0 0 0 8 0 替6 4 0 2 0 0 C 2 lI 璺 1 3 浅冷装置各组份平均收率 F i g1 3R e c o v e mo f v a r i o u sc o m p o s i t i o n sf o rn a t u r a lg a ss h a l l o wf r e e z i n gu n i t 由于天然气公司装簧制冷温度 操作压力均低于设计值 造成实际关键组份的收率低 5 第一章绪论 于设计值 其中5 0 0 下降了1 1 7 个百分点 国产浅冷下降了1 0 1 个百分点 深冷下降了 4 6 0 个百分点 1 2 3 影响轻烃收率的因素 无论在冬季还是夏季 在原运行工况条件下 轻烃收率均低于设计指标 尤其在夏季 偏低更多 其主要原因在于压缩后气体冷却系统中冷却介质 空气 循环水 的温度偏高所 致 这是环境因素所造成 无法改变其现状 由此引起的结果是蒸发器温度比富气温度偏 高 在蒸发器制冷负荷一定的条件下 致使制冷深度不够 达不到预期的制冷效果 1 3 天然气处理装置制冷工艺概述 关于天然气处理装置制冷工艺 根据原理可以分为两类 一类是天然气通过压缩使气 体温度升高 然后通过与制冷剂换热耿走热量 合适的选择制冷剂 通过几个冷却级 即 可达到天然气的液化 另一类同样是通过压缩使气体温度升高 用换热取走气体的热量 然后气体通过膨胀机或节流阀降压 根据焦耳一汤姆逊效应I 使气体温度降低 此低温 气体与降压前的气体换热 这样可以使降压后的气体达到液化温度 目前工业上采用的天 然气液化过程 多数是综合了以上两类过程 因此 天然气的液化过程实质上就是通过换 热不断取走天然气热量的过程 迄今为止 在天然气液化技术领域中成熟的液化工艺有 阶式制冷循环 混合制冷剂 制冷循环 膨胀机制冷循环 2 0 J 各种液化方式都有自己的工艺特点 1 3 1 冷剂制冷 冷剂制冷工艺包括单一冷剂制冷和混合冷剂制冷 其中单一冷剂制冷无法达到深冷所 要求的制冷温度 混合冷剂制冷工艺虽然可达到深冷所要求的制冷温度 但在实际操作中 必须严格控制冷剂的配比 否则很难使产品合格 从操作稳定 管理方便角度出发 浚工 艺不可取 阶式冷剂制冷同样可达到深冷所要求的制冷温度 但根据目前所掌握的资料 显示 工业上还没有天然气凝液回收装置采用此种工艺 1 阶式制冷循环 阶式制冷循环通常由丙烷 乙烯 或乙烷 甲烷三级独立的制冷系统来提供冷量 典 型的阶式制冷循环流程如图1 4 所示 从图1 4 可以看出 净化后的天然气首先用丙烷作为 第一冷却级冷却至 3 5 C 左右 分出C 5 以上的重烃后进入第二冷却级 丙烷蒸发器中蒸发出 来的丙烷气体经压缩机增压 冷却水冷却后重新变为液体回到丙烷蒸发器 22 1 第二冷却级 用乙烯 或乙烷 作为制冷剂 天然气在这一级中被冷却至大约 9 7 C 左右 并被液化后进入 第三冷却级 乙烯蒸发器蒸发出来的乙烯气体经增压 冷却水冷却 通过丙烷蒸发器换热 后 用节流阀降压降温成为液体再进入到乙烯蒸发器中 第三冷却级用甲烷作制冷剂提供 冷量 第二级已液化的天然气在这一级中继续被冷却到 1 5 0 C 左右 然后通过节流阀降温 降压 温度降至一1 6 2 压力降至常压 用泵将液化天然气输送到专门的储罐中 该流程 液化循环能耗最小 是目前天然气液化循环中效率最高的一种 所需换热面积小f 相对于混 人庆 油学院T 程坝l 专业学位论义 合制冷剂循环 且制冷循环与天然气液化系统各自独立 相互影响少 操作稳定 适应性 强 技术成熟 其缺点是流程复杂 机组多 至少要有3 台压缩机 要有生产和储存各种 制冷剂的设备 各制冷循环系统不允许相互渗漏 管线及控制系统复杂 管理维修不方便 对制冷剂的纯度要求严格 只有在较少的特定情况下 j 能显示出低能耗和小换热面积 节省费用的优点 并弥补由于多级独立制冷系统增加费用和流程复杂性的缺点 所以 阶 式循环最适用于大型装置 图1 4 阶式循环流程 F i g 1 4F l o wo fs c a l a r i f o r mc y c l e 通过优化机器的选择 阶式循环可以与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预 冷的混合制冷剂循环相竞争 近年来 为了进一步降低成本 提高效率 增加产量 科技 工作者们对原有工艺进行革新和技术改进 P h i l l i p s g j 阶式循环工艺进行了优化1 2 它是通 过优化方法 采用窄点分析和工艺模拟研究出来的一种工艺技术 进料气的预处理采用适 合于特定进料组分和情况的标准处理工艺 进料气预处理包括酸性气体的脱除 脱水和汞 的脱除 在脱水器之前进行一级丙烷制冷剂冷却 处理气体然后经过其它各级丙烷冷却 从最后一级丙烷冷却器出来的进料和再循环液流在乙烯制冷剂冷却器中进行冷却和冷凝 从乙烯冷却器出来的冷凝产品进入一个丌式制冷剂循环 此循环产生的再循环气流和L N G 产品被送人储罐中 从储罐出来的b o i l o f g a s 混入X 艺回收的再循环气流中 干净的燃料气 在足够的压力下压出 这样就不需要使用独立的燃料压缩机 P h i l l i p s 的工艺以 t w o t r a i n s i n o n e 双重制冷原理而闻名 此原理使制冷工艺有最大的运行灵活性 出 T r i n i d a d 币I l T o b a g o 组成的大西洋液化天然气集团在T r i n i d a d 液化天然气装置的建设中选用了 这种工艺 2 4 1 此工艺技术可以简化装置丌车 在进料量和气体组成有较大变化的情况下能 保持装置操作稳定 专家预测 此工艺技术在本世纪将在全世界得到广泛应用1 2 2 混合制冷剂循环 第一章绪论 混合制冷剂循环 M R C 不像阶式循环使用多种纯制冷剂 它使用单一混合制冷剂 混 合物成分是精确规定的 所以液体制冷剂在与被液化的天然气相似的温度范围内气化 通 常采用氮气和烃类 C I C s 的混合物作为制冷剂 采用这种混合物作为制冷剂既包含了 天然气液化所需的全部温度范围 又可只用一台压缩机 这样使流程大为简化 同阶式制 冷循环相比 混合制冷液化循环具有流程简单 机组少 投资费用低 对制冷剂的纯度要 求不高等优点 但单级混合制冷剂循环的能耗要比阶式制冷循环高 因此 为了降低能耗 可采用多级混合制冷剂循环 国外技术人员对多级循环特性的评价结果表明 随着级数的 增加能耗将有所降低 通过技术经济优化 采用三级混合制冷剂循环较为合理 如图1 5 所示 图1 5 典型的三级混合制冷剂循环 M R C 2 6 1 F i g1 5R e p r e s e n t a t i v et h i r dc l a s sm i x e dr e f r i g e r a n tc y c l e M R C 2 6 有效的制冷足以使进入的液相制冷剂过冷却 使进入的气相制冷剂部分冷凝以及使天 然气冷却或冷凝 进入的气相制冷剂流经部分冷凝后 经历相分离 气相和液相进入与一 级换热器操作相似的二级换热器 用于使液体制冷剂过冷却和使气体制冷剂冷凝的制冷量 在总工作量中占有很大比例 部分冷凝 分离和膨胀的最佳级数取决于资本费用 操作复 杂性或灵活性和操作费用 级数越多 能量效率越大 但同时也提高了复杂性 例如 一 个二级循环消耗的功率比一级循环小 而且机器费用的减少通常不只是抵消附加的机器费 用 还可以减少总的资本费用 当级数增加时 就要使级数的增加对机器能量和资金消耗 的影响最小 而且只增加设备的复杂性和总的资本费用1 2 对混合制冷剂循环的评估 见表 1 3 表明了级数的增加对功率消耗的影响 通常 一个三级循环在能量效率和设备复杂 性之间存在平衡 接近最优化 改进的多级混合制冷剂循环 M R c 已经得到了发展 它使 用小型铝质板翅式换热器以减少功率消耗 多股流板翅式换热器的温度驱动力小而且能量 高度结合 所以其热力学效率很高 这使热股流和冷股流的曲线匹配得很好 多级分离与 单一混合制冷剂循环相比 其制冷剂流量小 因此功率消耗小 因而 可以达到阶式循环 的功率要求 并且机器配置相对简单 对一个固定驱动器 柬潍 液化天然气产量可以达到 最优化 因此 可以以具有竞争力的价格建造中小型工厂 近几年来 在M R C 工艺基础上 经过改进又开发了带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺 预冷方式有丙烷预冷 混合工质预 R 人庆石油学院T 程硕I 专业学位论文 冷 利用氨吸收制冷来预冷等 在大型的M R C 流程中采用带预冷系统 原因是它比用混合 制冷来冷却液化前的天然气效率高 而且预冷系统中压缩机设备的费用也较适中 2 引 表1 3 混合制冷剂循3 乐 M R C 性能的评估 陛坦 2 星型 型 罂 尘盥 生 g 型 z 级数 23 4 5 相对于一级循环所需的功率 无因次 1 0 009 3 0 9 0O 8 8o 8 7 1 3 2 膨胀机制冷 在膨胀机循环最简单的形式中 循环制冷是由单一组份气流的压缩和膨胀做功来实现 的 高压循环气在与回流冷循环气体的逆流换热中被冷却 图1 6 o 图1 6 典型的膨胀机循环 单一膨胀机 2 9 F i g 1 6R e p r e s e n t a t i v ee x p a n d e rc y c l e s i n g l ee x p a n s i o nt u r b i n e 2 9 在合适的温度下 循环气体以等熵方式通过膨胀涡轮 其温度降到比通过焦耳一汤姆 逊节流阀膨胀达到的温度更低的温度 产生的有用功通常通过升压压缩机回收 升压压缩 机是主循环压缩机的补充 由图1 6 可知 来自膨胀机的低压冷气流通过各级换热器回流 在换热器中将进入的天然气和循环气体制冷 气体被主循环压缩机和升压压缩机再压缩 所用的制冷剂循环气体可以是甲烷或氮气 当天然气温度下降时 使用氮气可以过冷却到 足够低的温度以除去闪蒸气体 膨胀机循环与阶式循环和混合制冷剂循环相比有一些优 点 它能够较迅速和简单的启动和停工 当预计生产中有较频繁的停工时 使用此循环是 非常重要的 例如在赤峰厂 因为制冷剂总是气态的 而且换热器在相对大的温差下运行 所以当制冷回路变化时 气体进料的成分可以变化不大 膨胀机循环的温度控制不像混合 制冷剂厂的温度控制具有决定性作用 而且它的循环性能更加稳定 由于循环流体保持在 气相 所以不存在气液相分开进入换热器的问题 与阶式循环和混合制冷剂循环相比 膨 胀机循环的主要缺点是它的功率消耗大 但是 循环的简易性可以弥补高的功率消耗 尤 其是在功率消耗不很重要的小型工厂 为了提高这种单一膨胀机循环的效率 有必要对其 q 第一章绪论 进行一定的改进 如 使用带传统蒸气压缩的天然气预冷循环可以减少大约2 0 的功率消 耗 典型的代表是丙烷 这就增加了额外的复杂性 但是如果循环机器的尺寸和费用的减 少可以抵消额外的机器费用 还是会节省成本的 丙烷预冷的另一个替代物是在不同温度 等级上运行的双膨胀机 这是2 0 多年来氮气和氧气液化的传统惯例 双膨胀机的加热和冷 却曲线比单膨胀机匹配得更好 从而减小了温度驱动力 并提高了热力学效率 不使用隔 离的制冷系统就可得到与预冷单膨胀机循环相似的功率消耗 甲烷膨胀循环已经用于调 峰 通常是进料气的 部分被降到低压进入一个低压分配系统 在英国的格雷恩岛 他们 利用低压分配系统的压力以低操作费用生产液化天然气 训 这类循环已经较成熟 自2 0 世 纪早期以来 类似的循环就已经用于低温空气分离 由于膨胀机循环功率需求大 所以它 最适合小型工厂 膨胀机循环已经用于需要短期年度运行以及快速启动和停工很重要的地 方 例如调峰厂 在海上 膨胀机循环对任意大小的工厂都是有益的 目前膨胀制冷循环 主要采用以下3 种形式 1 天然气直接膨胀制冷 主要用于原料气有压力能可利用 甲烷 含量高的场合 其液化率主要取决于膨胀比 膨胀比越大 液化率也越大 该循环具有流 程简单 设备紧凑 投资小 调节灵活 工作可靠等优点 2 氮膨胀制冷 它是直接膨胀 制冷的一种变型 其优点是对原料气组分变化有较大的适应性 液化能力强 整个系统简 单 操作方便 其缺点是能耗比较高 比混合制冷剂循环高4 0 左右 3 氮气 甲烷混合 膨胀制冷 它是氮膨胀制冷循环的一种改进 与混合制冷剂循环相比较 具有流程简单 控制容易 启动时间短 比纯氮气膨胀制冷节省1 0 2 0 的动力能耗 但是其设计复杂 目前国内还没有成熟的经验 膨胀机制冷工艺可分为单级膨胀制冷和两级膨胀制冷 单级膨胀制冷p 1 1 理论上可达到 深冷工艺要求的制冷温度 但对原料气较富的回收装置 制冷量需求较大 如采用单级膨 胀制冷工艺则原料气的压缩功会太大 能耗较高 并由于较高的原料气压力使操作稳定性 降低 两级膨胀制冷工艺 3 2 慷然可达到深冷所要求的制冷温度 但由于实际操作中对原料 气组成波动的适应性较差 冷平衡建立较难 从操作稳定 管理方便角度出发 该工艺不 是最佳选择 1 3 3 联合制冷 冷剂制冷工艺流程比较复杂 投资较高 但稳定性最好 膨胀机制冷工艺流程比较简 单 投资较少 但稳定性较差 对原料气组份波动适应能力差 膨胀机制冷和冷剂制冷相 结合的制冷工艺 不但冷源稳定可靠 而且对原料气组份波动适应性较强 因此膨胀 单级 辅助冷剂 丙烷 的联合制冷工艺成为目前较为常用的制冷工艺印l 如辽河欢一联 欢二联 欢三联 大港马西轻烃装置 吉林乾安等浅冷装置均采用了单级膨胀的制冷工艺 胜利临 盘轻烃装置 中原第一气体处理厂 百口泉轻烃装置等中深冷装置均采用了丙烷 膨胀机 的联合制冷工艺 综上所述 各种制冷工艺对比情况见表卜4 人庆在油学院工程硕 f 专业学位论文 外部制冷剂与膨胀机制冷相结合的制冷工艺的典型流程见图1 7 在这个流程中 经 脱水处理后的原料天然气经原料预冷箱回收脱甲烷塔塔底物流和脱甲烷塔塔顶物流的冷 量后 进入低温分离器进行气液分离 分离器底部液相物流经节流减压后进入脱甲烷塔中 部 分离器顶部气相进入膨胀机膨胀制冷 低温气体进入脱甲烷塔上部 然后经原料预冷 箱放出冷量后 经膨胀机同轴压缩机增压后 作为销售气外输 脱甲烷塔塔底物流经泵增 压后进入脱乙烷塔 塔顶物流经丙烷冷剂冷却后 与脱甲烷塔塔顶物流换热进入脱甲烷塔 顶部 脱乙烷塔塔底物流则进入液相产品分馏系统 从图1 7 的流程描述可以看出 装置 的动力消耗主要是丙烷制冷系统的丙烷压缩机和燃料气系统的燃料气压缩机 有些装置可 不必对燃料气进行增压 为了能够得到尽可能高的产品回收率 通常的做法一是求得尽 可能低的压力 以获得更高的膨胀比 从而得到更低的原料气温度 二是提供大循环量的 丙烷制冷系统 以使原料气温度变得更低 在降低膨胀后压力 获得高膨胀比方面 往往 受到一些因素的制约 首先是来自用户方面的要求 销售气压力是由下游用户确定的 不 能随意降低 其次 来自工艺上的考虑 比如 膨胀后压力太低 那么在销售气外输之前 势必要进行增压 燃料气压力太低也需增压 再生气量一般为装置处理气量的百分之十 为了能够最终进入系统也必须增压 这就需要增加增压设备 另外 对来自原料气本身性 质的判断 不同地区开采出来的天然气 甚至同一地区不同区块开采出来的天然气 其性 质大不相同 制约天然气制冷温度深度的组分为C O 组分含量的不同 操作压力的不同 都要影响 干冰 形成的温度 在设计中就必须使天然气的制冷温度控制在形成 干冰 温度以上 提供大循环量的丙烷制冷系统 使原料气温度变得更低是理想的方案 但丙烷 第一章绪论 制冷设施是天然气处理装置能耗的关键 3 5 该设施的能耗对上述方案的要求产生制约 应 合理控制这一部分能耗 提高装置的经济效益 1 3 4 循环效率比较 2 0 1 一干燥后天然气进主装置2 一原料预冷箱3 4 9 10 一丙烷5 一低温分离器6 一膨胀机一同轴压缩 机7 一脱甲烷塔8 一天然气一乙烷冷箱1 卜丙烷蒸发器1 2 一回流罐 13 回流泵 1 4 一脱乙烷塔 15 一脱甲烷塔底泵16 一重沸器1 7 18 热媒19 液烃去分馏系统2 0 一天然气外输 图卜7 外冷源与膨胀制冷结合的天然气处理装置典型流程 1 7 F i g 1 7F l o wd i a g r a mo fn a t u r a l 艘t r e a t m e n td e v i c ew h i c hi sc o m b i n a t i o no fo u t s i d er e f r i g e r a t i o na n d e x p a n s i o nr e f r i g e r a t i o n L 1 相对于阶式循环 每种循环所需的功率如表1 5 所示 表1 5 各种液化循环效率比较1 3 6 I 生 i 巴E 堑 z 坚幽 垫生 z 竺 循环 与阶式循环的相对功耗 无因次 阶式循环 单级混合制冷循环 带丙烷预冷的混合制冷循环 多级混合制冷循环 单膨胀机循环 带丙烷预冷的单膨胀机循环 双膨胀机循环 1 0 0 1 2 5 1 1 5 1 0 5 2 0 0 1 7 0 1 7 0 由于进料组分和压力对每种循环的影响不同 所以功率消耗的比较不可能非常精确 例如 膨胀机循环的功率大大取决于冷凝气体的焓一温度曲线的曲率 它受操作压力和c 2 1 2 人庆 油学院T 程硕一I 专业学位论文 的影响 3 7 由表1 5 可以看出 阶式循环与最有效的混合制冷剂循环相比 其功率消耗的差 别是很小的 由于其机器的复杂性高 故只用于生产能力大的装置 生产每千克L N G 所需 的实际能量取决于进料和环境条件以及压缩机效率 它依赖于压缩机的类型和尺寸 但是 对阶式循环来说 每千克L N G 需要0 3 3k W h 电量是很典型的 综上 混合制冷剂循环同阶式制冷循环相比 混合制冷液化循环具有流程简单 机组 少 投资费用低 对制冷剂的纯度要求不高等优点 单级混合制冷剂循环的能耗要比阶式 制冷循环高 为了降低能耗 采用多级混合制冷剂循环 一般采用三级混合制冷剂循环较 为合理 在大型系统中 一般采用带预冷的混合制冷剂循环 膨胀机循环能够较迅速和简 单地启动和停工 但是功耗大 1 4 天然气N r 装置空冷器加湿研究的意义 天然气分公司的气处理装置及原稳装置中的空冷器是用来冷却天然气 原稳脱出气等 介质的换热设备 采用加湿技术的目的是解决夏季空冷器出口温度高 造成装置收率和制 冷合格率下降的生产难题 空冷器入口天然气温度为9 3 1 0 3 出口温度设计要求4 0 夏季大庆地区最高气温可达3 3 平均气温为2 8 由于水泥地面的辐射效应 空冷器 冷却空气的温度可达3 5 左右 加之换热管上灰尘和机械杂技的附着 换热系数下降 致 使空冷器偏高 单纯使用空冷器难以达到设计的温度要求 如浅冷装置 压缩后高温天然 气经空冷器和水冷器进行预冷却 生产中 由于冷却空气和循环水温度与环境温度同步变 化 造成天然气预冷温度的昼夜性 季节性波动 装置工艺参数也随环境温度频繁波动 特别在6 8 月份的1 0 0 0 1 6 0 0 时段 空冷器出口天然气温度为4 5 5 5 制冷温度 下降到一1 5 一1 8 C 达不到设计要求 2 0 2 一2 5 2 C 影响装置的轻烃收率及制 冷合格率 为解决这个问题 丌展空冷器加湿工作 能过对空冷器的冷却空气进行加湿处 理 来降低冷却空气的温度 从而避免了环境温度对空气冷却环节中天然气温度的影响 使夏季空冷器出口天然气达到工艺要求 达到提高轻烃收率和增加气中收烃量 稳定系统 工艺参数 空冷式换热器 以下简称空冷器 是石油化工厂的一种重要换热设备 它具有运转费用 低廉 使用寿命较长 节省能耗和减少环境污染等特点 空冷器在天然气分离装置中位于 始端 担负着天然气预处理的任务 它的工作稳定性是整个回收装置稳定工作的基础 大 庆地区夏季最高气温可达到3 3 C 平均气温为2 8 C 加上水泥地面的辐射效应 使得空 气在空冷器进口的温度可达3 5 C 左右 加之换热管上灰尘和机械杂质的附着 换热系数下 降 致使天然气在空冷器出口的温度偏高 影响了回收装置的轻烃收率及制冷合格率 针 对大庆地区高温时间短的特点 采用低成本的对空冷器空气侧进行高压喷雾加湿的方法 3 8 对天然气回收装置进行改造 这种加湿方法 一方面雾化水在空气中蒸发吸热 使空冷器 进口处空气发生等焓增湿变化 温度降低 另一方面 随空气进入空冷器的雾化水由于空 气温度的升高继续蒸发吸热 同时 另一部分打在换热器表面上蒸发吸热 充分利用了水 高蒸发潜热的特点 这样 就可以大大提高空冷器整体的