油田伴生气乙烷回收HYSYS计算模型研究
Outline:
王勇1
,
王文武1
,
呼延念超1
,
郭亚红1
,
付源2
1. 西安长庆科技工程公司;
2. 大庆油田公司天然气分公司
收稿日期：2010-11-02
作者简介：
王勇:男，1978年生，工程师，2006年毕业于东北石油大学(原大庆石油学院)化工过程机械专业，获硕士学位。现工作于西安长庆科技工程有限责任公司。地址：(710018)陕西省西安市未央路151号长庆大厦B0306室，电话：(029)86592374，电邮：
wy_2005dq@163.com.
摘要：通过考核大庆天然气公司深冷工厂的运行数据，并加以研究计算，提出了深冷计算的HYSYS计算模型。并将该模型计算数据与现场装置运行数据进行比较考核，考核后发现运行数据和计算数据吻合较好，印证了该计算模型的正确性。通过对油田伴生气组分的分析得出，天然气深冷在很大程度上回收了乙烷。该研究模型对于已建或将建深冷装置具有实时调整参数、优化参数、提高产率、降低能耗等设计参考价值。
关键词：长庆油田 伴生气 乙烷 深冷 收率 HYSYS
Research on HYSYS Computation Modelfor Improving Ethane Recovery from Oilfield Associated Gas
Outline:
Wang Yong
,
Wang Wenwu
,
Huyan Nianchao
, et al
Xi'an Changqing Technology Engineer Co., Ltd, Xi'an 710018, Shanxi
Abstract: This article proposes HYSYS computation model by researching on the operation data of cryogenic unit in Daqing Gas Company. Comparative analysis shows that the computation model agrees well with operation data, which corroborates the validity of the computation model. It was concluded that cryogenic unit can recovery ethane greatly by analyzing the components of associated gas. The model has advantages in adjusting and optimizing parameters, improving production rate, reducing energy consumption to the existing or proposed new cryogenic unit.
Key words:
Changqing oilfield associated gas ethane cryogenic production rate HYSYS
油田伴生气回收是天然气处理与加工中一个十分重要而又常见的过程。天然气(尤其是伴生气及凝析气)中除含有甲烷外，还含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类。为了满足商品气或管输气对烃露点的质量要求，或为了获得宝贵的化工原料，需将天然气中除甲烷外的一些烃类予以分离与回收。一般情况下，大多数油田采用冷剂制冷将丙烷以上的重组分回收，而将乙烷作为贫气外输，造成能源的极大浪费。因此, 将天然气中乙烷回收，在能源日益紧缺的今天具有很重要的意义。一方面乙烷不仅能够作为炼油厂化肥、乙烯等产品的原料；另一方面从回收能量的角度，将天然气中的乙烷回收，降低能源损耗，这在能源日益紧缺，倡导“低碳”理念的今天具有很大的经济效益[1]。
1 中压浅冷+冷油吸收工艺
长庆油田目前轻烃回收采用的是中压浅冷+冷油吸收复合工艺。表 1是2010年3月27日长庆油田研究院对西二联合站伴生气分析的数据。
表 1
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表 1 原料气组成
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表 2~表 4是2010年3月27日长庆油田研究院对西二联液化气、轻油、塔顶贫气采样组分分析。
表 2
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表 2 液化气组成
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表 3
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表 3 轻油组成
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表 4
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表 4 脱乙烷塔塔顶贫气组成
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通过表 1至表 4的分析可知：采用中压浅冷+冷油吸收复合工艺，原料气中C1组分由原来的61.48%增加到80.08%；C2组分由原来的14.68%增加到15.17%；C3组分由原来的15.09%降低到0.58%；i-C4组分由原来的1.61%降低到0；n-C4组分由原来的3.1%降低到0.03%；i-C5由原来的0.47%降低到0.16%；C6由原来的0.15%降低到0.09%。从分析得出：原料气中C3以上组分得到了充分回收，经过处理后的伴生气C2组分增长了0.49%，但都是作为贫气外输出去，能源损失大[2]。
2 乙烷回收工艺模拟计算
目前国内多数油田对于伴生气回收均采用中压浅冷工艺或者中压浅冷+冷油吸收工艺。该工艺主要回收丙烷以上组分，而对于乙烷主要以放空或者作为燃料气为主。对于以回收乙烷为主的天然气深冷装置只有大庆油田等少数油田投用。深冷装置未在多数油田投建，其原因很多，其中一个主要原因就是缺少深冷分离的计算。国外设计只提供装置和操作参数，并不将计算模型等核心资料告诉用户。国外设计的天然气深冷装置采用双级膨胀无辅助冷剂的工艺流程，笔者通过考核大庆油田有限责任公司天然气分公司萨南深冷装置的运行数据，建立起了深冷HYSYS计算模型。具体工艺流程可分为三个系统，如图 1所示[3]。
(1) 原料气增压系统。原料气在15.6 ℃、0.15 MPa、69.3 kgmol/h进入原料分离器D0101，除去气体中所带入的水及其它杂质。原料气从D0101出来之后分别进入离心压缩机：C0101、C0102、C0103、C0104、C0105共五级增压，最终压力达到5.1 MPa。每级增压的气体分别经空冷器E0101~E0104冷却。气体从空冷器出来的温度为38 ℃。气体中的冷凝液分别在D0102、D0103、D0104、D0105中分离出来。D0105和D0104中的液体返回到D0103中闪蒸，最后液相在D0103中分离出重烃和水，重烃脱完水后进入脱甲烷塔第8层塔盘，污水返回到D0101进行排污。
(2) 原料气脱水系统。原料气中有游离水，在低温时容易形成水合物，不仅影响天然气的露点，还会阻塞管道和阀门。因此在进入低温分离单元之前，原料气先进入A0201A/B进行脱水，使气体含水量小于1×10-6，脱水器中的干燥介质为4A分子筛。
(3) 低温分馏系统。经过增压和脱水后的天然气从37.8 ℃，5.14 MPa，经过E0301后温度变为-25 ℃，然后进入低温分离器D0301。从D0301中分离出来的气体(2)在板翅式换热器E0302中被进一步冷却到-57 ℃，冷量由塔顶贫气和塔顶侧线抽出液提供，液烃(5)进入低温分离器D0302。从D0301底部出来的凝析油经过节流阀节流后温度变为-42.91 ℃，进入脱甲烷塔第17层塔板。从D0302顶部出来的气体(6)经过高压膨胀机X0301膨胀后气体(7)温度为-96.72 ℃，压力为1.744 MPa，进入脱甲烷塔T-100第28层塔板；从D0302出来的凝析油(8)经过换热器E0302出来后液体(10)温度为-91 ℃，再经过液位控制节流阀节流后的液烃(11)温度为-98.97 ℃，作为脱甲烷塔的塔顶回流。从脱甲烷塔中部第15层塔板引出的液烃(15)温度为-50.89 ℃，经过冷箱E0302被加热，出来的液体(20)温度为-31 ℃，进入脱甲烷塔第14层塔板。从脱甲烷塔底部第9层塔板引出的液烃(21)温度11.86 ℃，经过冷箱E0301被加热，出来的液烃(24)温度为29℃，进入脱甲烷塔第8层塔板。从脱甲烷塔底部第5层塔板引出的液烃(21)温度为29.38 ℃，经过冷箱E0301被加热，出来的液烃(27)温度为30 ℃，与从重烃干燥器过来的重烃温度为38 ℃汇集在一起，液烃(30)温度为30.94 ℃，进入脱甲烷塔第4层塔板。从脱甲烷塔出来的贫气(12)温度为-97.31 ℃，经过E0302加热到-38 ℃，然后再进入到E0301加热到14 ℃，再进入低压膨胀机膨胀到-48.45 ℃，压力变为0.435 MPa，返回E0301冷箱与原料气换热到22.67 ℃，然后外输。塔底产品(31)温度29.38 ℃，压力1.75 MPa，输送到储罐区。
乙烷回收过程中所需冷量完全由透平膨胀机X0301和X0302提供。为回收更多冷量，降低能耗，在塔中抽出2股液相进行中间再沸。压缩机C0104和C0105分别由透平膨胀机X0302和X0301驱动[2-3]。乙烷回收工艺原则流程图如图 1所示[3-4]。
由于原料气的增压、脱水属于常规的算法，故不再用HYSYS软件进行模拟计算。下面重点运用HYSYS工艺模拟软件[5]对低温分馏系统进行模拟计算，模拟界面如图 2所示[5]。
3 模拟计算结果
运用HYSYS的模拟计算结果如表 5、表 6所示。通过表中的参数可以得出：用双级膨胀无辅助制冷剂的工艺使得塔底产品中乙烷摩尔分数由原来的7.92%增加到32.02%；而外输塔顶贫气乙烷摩尔分数由原来的15.17%降低到7.36%，外输气体中乙烷含量减少，大多数乙烷都已液化变成轻烃。乙烷回收率得到了显著的提高[6]。
表 5
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表 5 脱甲烷塔塔底产品组成
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表 6
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表 6 脱甲烷塔塔顶贫气组成
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4 装置考核
通过对大庆油田现场运行装置进行考核，其计算参数与现场运行数据比较吻合，其中关键参数的比较如表 7所示。
表 7
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表 7 HYSYS计算与现场数据对比表
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经过表 7对比发现，表中所列关键参数的设定值和计算值基本吻合。这是因为通过HYSYS模型计算得出，在装置每个设备的设定温度或压力下，整个系统具有最低的能耗和最大的乙烷回收率。而实际值与计算值稍有偏差，这是因为深冷装置从1989年投运以来，随着运行时间增多，装置中设备出现老化现象，其参数达不到设计的标准。但总体来看，计算参数和运行参数吻合较好[5]。
5 结论
通过对油田伴生气组分进行分析研究，提出了乙烷回收的工艺方法。并且通过对LINDE公司深冷装置运行参数的考察分析，建立了低温分馏系统的HYSYS理论计算模型。同时在将装置中运行的关键参数与计算参数进行比较后发现，现场的运行参数与计算参数吻合得较好。这也印证了该HYSYS模型理论与实际结合得较好。通过运用该计算模型对油田伴生气组分进行了分析，分析的结果表明乙烷回收率得到显著提高。回收乙烷能从根本上提高能源的利用效率，这对于不可再生资源和环保资源天然气来说，不仅经济效益显著，而且对于环境和社会具有极其重要的意义，符合当前提倡的能源“低碳”要求。因此，该模型对于国内已建或将建深冷分离装置，具有实时调整参数、优化参数、提高产率、降低能耗等设计参考价值[7]。
| [1] |
王遇冬主编. 天然气处理原理与工艺[M]. 北京: 中国石化出版社, 2006.
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| [2] |
徐文渊, 蒋长安主编. 天然气利用手册(第二版)[M]. 北京: 中国石化出版社, 2006.
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| [3] |
顾安忠, 等. 液化天然气技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.
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| [4] |
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| [5] |
GPSA.Engineering Data Book.11th Education, Tulsa, Ok, 1998.
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| [6] |
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| [7] |
郭揆常. 液化天然气(LNG)应用及安全[M]. 北京: 中国石化出版社, 2008, 1.
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2011, Vol. 40