大涝坝集气站天然气处理装置的工艺流程如图 1所示, 原料气经入口分离器进入三塔分子筛脱水系统, 脱水后的天然气经过粉尘过滤器除去分子筛粉尘, 再经过冷箱预冷后, 进入低温分离器分离出气液两相, 气相进入膨胀/压缩机组的膨胀端, 经过膨胀降温后的物流作为脱乙烷塔塔顶进料。
液相经液位调节阀后进入冷箱, 经冷箱复热后作脱乙烷塔中部进料。脱乙烷塔顶气相经过冷箱回收冷量后, 进入膨胀/压缩机组的同轴压缩机, 增压后作为干气进入外输管线。脱乙烷塔底液相作液化气塔中部进料, 液化气塔顶产品为液化气, 送入到液化气储罐; 塔底产品为轻油, 经液化气塔进料换热器降温后进入轻油储罐。
原料天然气气量为40×104 m3/d, 天然气进装置的压力约为6.0 MPa, 温度约为30℃, 外输干气压力约为2.6 MPa, 进装置天然气组成如表 1所示。
目前, 装置日处理天然气在30×104 m3以上, 超过了设计处理能力25×104 m3, C3收率约为63%左右, C3+的回收率约76%左右。液化气产量约20 t/d, 稳定轻烃约6.5 t/d。且大约10×104 m3的天然气未经过严格处理直接进入外输管网, 这样装置存在的问题如下:
(1) 外输干气中C3+的含量偏高。
(2) 因装置处理量的变化, 部分设备无法满足生产要求, 且操作参数偏离设计值, 致使装置的C3或C3+收率下降。
(3) 部分未经彻底脱烃、脱水的天然气直接进入外输管网, C3+组分未得到充分回收。造成经济效益损失, 且外输天然气烃露点产品指标无法得到保证。
目前, 考虑大涝坝天然气处理量增加, 为了保证C3以上组分的收率以增加经济效益; 同时也为了保证外输天然气烃露点产品指标, 需对装置的工艺进行改进, 满足装置超负荷运行的要求。
装置现有脱乙烷塔、液化气塔能够满足处理量为40×104 m3/d的需要, 但是脱水系统和制冷系统无法满足处理量增加的需要, 因此, 需要对分子筛脱水系统和制冷系统进行改造[1]。
(1)分子筛脱水系统的改造。大涝坝原来的分子筛脱水系统为三塔流程, 为满足处理量增加的需要, 现改造为四塔流程。
(2)制冷系统的改造。针对处理量超负荷的问题, 提出副冷箱加双膨胀机流程方案, 即在原先的制冷系统中新增副冷箱制冷系统。两个制冷系统并行以增加系统的冷量, 满足处理量增加的需要。
装置改造后的工艺流程如图 2[2]。
与原流程相比, 该工艺在设备上增加了一个分子筛脱水塔、两个副冷箱、一台膨胀机、一个低温分离器和两个J-T阀。
原料经过分子筛入口分离器后进入四塔分子筛脱水系统进行脱水, 脱水后的天然气经过粉尘过滤器除去分子筛粉尘, 出粉尘过滤器的天然气经过副冷箱1预冷后分成了两个部分。一个部分为主冷箱系统, 这个部分基本上与原流程一样, 唯一不同的地方就是在低温分离器的液相出口增加了一个J-T阀, 低温分离器底部的液烃经过J-T阀节流降压降温后再进入主冷箱进行复热; 另一个部分为副冷箱系统, 这个部分是新增加的。出副冷箱1的部分天然气经副冷箱2进一步预冷, 然后进入低温分离器2进行气液分离。分离的气相经过膨胀/压缩机组的膨胀端膨胀制冷后与主冷箱系统膨胀端出口物流混合后作为脱乙烷塔的顶部进料; 分离的液相经节流阀2节流后与经主冷箱复热后的液烃混合作为脱乙烷塔中部进料。
本文采用PR方程作为工艺计算模型, 对改造后的处理装置进行了模拟计算。方程的形式和热力学物性计算式如下:
(1) 方程形式:
(2) 热力学物性计算式:
① 气相或液相混合物中i组分逸度系数:
② 气相或液相混合物中i组分焓差:
式中,
③ 气相或液相混合物中i组分熵差:
式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中的参数详见参考文献[3]。
通过对图 2流程模拟计算, 将改造后的处理量、产品产量、产品收率、外输干气烃露点及组成分别同改造前的处理量、产品产量、产品收率、外输干气烃露点及组成进行对比, 对比的结果见表 2、表 3和表 4。
从表 2、表 3和表 4可以看出, 改造后装置的处理量由原先的25×104 m3/d上升到40×104 m3/d, 增加了15×104 m3/d; C3的收率由原先的63.0%上升到80.4%, 增加了17.4%;C3+收率由原先的76.0%上升到87.8%, 增加了11.8%;液化气产量由原先的22.0 t/d增加到40.6 t/d, 增加了18.6 t/d; 稳定轻烃产量由原先的6.5 t/d上升到9.1 t/d, 增加了2.6 t/d; 改造后外输干气中C3的质量分数由原先的1.43%降到0.78%, 下降了0.65%, 烃露点由原先的-37.9℃下降到-62.9℃, 降低了25℃。
(1)改造后装置的处理量增加了。改造后装置的分子筛脱水系统为四塔流程, 制冷系统新增加了副冷箱制冷系统, 回收了未经严格处理后的那部分天然气, 处理量由原先25×104 m3/d上升到40×104 m3/d, 增加了15×104 m3/d。
(2)改造后装置的产品产量和收率大大提高了。改造后C3的收率由原先的63.0%上升到80.4%, 增加了17.4%;C3+收率由原先的76.0%上升到87.8%, 增加了11.8%;液化气产量由原先的22.0 t/d增加到40.6 t/d, 增加了18.6 t/d; 稳定轻烃产量由原先的6.5 t/d上升到9.1 t/d, 增加了2.6 t/d。
(3)改造后装置的烃露点温度降低了。改造后的装置外输干气的烃露点由-37.9℃下降到-62.9℃, 降低了25℃, 保证了外输天然气烃露点和天然气外输管道的安全运行, 增加了经济效益。