提高轻烃收率的措施及应用
Outline:
张显军
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王磊
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谢军
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李文英
收稿日期：2012-02-29；修回日期：2012-03-19
作者简介：张显军(1975-)，男，工程师，1998年毕业于石油大学(华东)炼制系化工工艺专业，工学学士，现供职于中国石油西南油气田公司川西北气矿江油轻烃厂。地址:(621709)四川省江油市川西北气矿江油轻烃厂。电话：0816-3616443。E-mail：
zxianjun@petrochina.com.cn.
摘要：针对川西北气矿轻烃回收装置的情况，对影响轻烃回收率的因素进行了深入分析，提出了提高轻烃回收率的一系列整改措施。主要包括：膨胀机改造、调整膨胀比、控制密封气压力、调节喷嘴开度。采取以上措施后，取得了明显的经济效果。
关键词：轻烃回收 等熵膨胀 透平膨胀机 收率
Methods and application of improving light hydrocarbon yield
Outline:
Zhang Xianjun
,
Wang Lei
,
Xie Jun
, et al
Northwestern Sichuan Gas District of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Jiangyou 621700, Sichuan, China
Abstract: Aimed at the application situation of light hydrocarbon plant of northwestern Sichuan Gas District of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, this paper deeply analyzed the factors affecting the light hydrocarbon yield. Then, a series of reform measures to improve the light hydrocarbon yield were proposed, which included expander amelioration, expansion rate adjustment, pressure of the seal gas control and opening degree of nozzle adjustment. The result showed that the obvious effect can be obtained after taking above measures.
Key words:
light hydrocarbon recovery isentropic expansion turboexpander yield
液化石油气是一种优质、清洁、高热值的燃料, 无论是市场价格还是单位质量发热值, 都远高于天然气。近年来, 随着石油资源的减少, 液化气的价格一直偏高。同时，液化气将是我国长期短缺的能源产品, 尤其是中国广大农村地区，受天然气管道覆盖率低的限制，天然气使用率较低，仍需要大量液化气。因此, 对轻烃回收技术进行深入的研究, 提高C3+收率，降低装置操作能耗, 具有重要的现实意义。本文针对川西北气矿江油轻烃装置的情况，探索了提高轻烃收率的措施，并取得了可观的经济效益。
1 轻烃回收工艺流程
川西北气矿江油轻烃厂以中坝气田须二气藏的天然气作为原料, 原料气经吸附脱水后在冷箱内与脱乙烷塔顶来的干气换热，冷却后进入分离器分离一次冷凝液。出分离器的原料气进入透平膨胀机，在透平膨胀机内进行近似等熵膨胀，对外做功，气体的焓值减少，使气体本身强烈地冷却，从而使低凝点组分冷凝出来。一次凝液与膨胀机出口原料气分别进入脱乙烷塔脱除甲烷、乙烷后进入脱丙丁烷塔，在脱丙丁烷塔塔顶得到产品液化石油气(C3H8、C4H10)，塔底为稳定轻油。流程见图 1。
从图 1看出，原料气中C3+收率主要与膨胀冷却后的温度有关[1]。而膨胀后的温度与膨胀机效率、操作参数有关，下面就上述因素分别进行分析。
2 影响轻烃回收率的因素分析
2.1 膨胀机效率
2.1.1 膨胀机的机构及其工作原理
川西北气矿江油轻烃厂使用的膨胀机型号为TG-276/35-17，设计处理量为16 585 m3/h, 进口压力3.495 MPa(A), 出口压力1.6 MPa(A)，额定转速为34 000 r/min。该机主要由主机、供油系统、密封气系统、仪表盘及安全保护系统组成。主机主要由膨胀机和增压机组成，膨胀机为单级卧式向心径流反作用式，增压机为单机径向离心式，两者轴承连为一体。主机包括：蜗壳、可调喷嘴(包括传动机构)、转子、轴承、轴封以及机身。可调喷嘴传动机构操纵喷嘴叶片的角度，以改变喷嘴流道的面积大小，调节膨胀机入口气体流量，从而调节膨胀机转速。
工作原理为：高压原料气进入膨胀机蜗壳，然后通过蜗壳将气体均匀分配到每个喷嘴叶片上，使整个工作轮均匀地进气。自蜗壳来的高压气在进入喷嘴后进行一次绝热膨胀，把部分焓降转化为气流动能，推动工作轮对外做功；然后气体在工作轮内进行近似等熵膨胀，将气体的压力能转化为动能，推动工作轮转动对外做功。气体经过膨胀对外做功，降低内能引起的焓降，使得自身强烈降温而获得冷量。同时，膨胀机转子的动能通过轴承传递给增压机工作轮，以提高外输气压力[2]。
2.1.2 膨胀机效率
透平膨胀机的实际制冷量总比理论制冷量要小，因此，膨胀机的效率总是小于1。膨胀机的效率越低，则在相同进、出口压力和进口温度下，膨胀机的单位工质制冷量越小，反映出膨胀机的温降效果越小。膨胀机的效率高低取决于膨胀机内的各种损失的大小。膨胀机内的损失主要包括流动损失、摩擦损失、泄漏损失以及排气损失。这些损失除了与设计、制造水平有关外，还与设备的运转参数、设备内结垢、磨损等有关[3]。因此，选用高效设备、保持设备在设计条件下运转参数稳定以及保持设备内的清洁，同时减少各种损失，对提高膨胀机效率和C3+收率有着重要的意义。
2.2 操作参数
2.2.1 膨胀比
根据理论温降公式：
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(1) |
式中：Δt0为理论温降，℃；t1为膨胀机进口原料气温度，℃；π为膨胀比(p1/p2)；p1为膨胀机进口原料气绝对压力，MPa；p2为膨胀机出口原料气绝对压力，MPa；n为膨胀机转速，r/min。
从理论温降公式(1)可知，提高膨胀比可以有效地降低温度，从而提高C3+收率[4]。实际运行中不同膨胀比运行条件下C3+收率如表 1所示。
表 1
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表 1 不同膨胀比下的C3+收率
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由表 1可知，膨胀比越高，制冷效果越好，C3+收率也有明显提高。
2.2.2 转速
由理论温降公式(1)可知，在膨胀机运行过程中，一定膨胀比下，膨胀机制冷的温降与转速成正比。因此，在膨胀比不变的情况下，膨胀机转速是考查膨胀机制冷效果的重要参数，膨胀机转速高且保持稳定，膨胀机的制冷效果就好[5]。
2.2.3 喷嘴开度
气体在膨胀机内的膨胀过程中，一部分在喷嘴中完成，另一部分在工作轮中完成。如果喷嘴开度过大，气体在喷嘴中进行膨胀焓降减少，气体在进入工作轮前压力就较高。显然工作轮前压力愈大，泄漏的气量将会愈大，泄漏损失也会大，同时引起相对轮盘摩擦损失也增大[3]。因此，通过调节喷嘴开度，可以提高膨胀机效率，获得较为理想的制冷效果。
2.2.4 处理量
处理量是膨胀机的一个关键参数。在处理量达不到设计处理量时，气体在膨胀机内膨胀时降低的内能减少，导致对外做功的能量降低，从而使得膨胀机转速降低，也就达不到设计的制冷效果[6]。
2.2.5 密封气
由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况下，而其轴承、机身处在常温环境之中，为了减少高压低温气体通过密封的泄漏而降低冷量损失，防止轴承润滑油冻结造成整个机组失效，在机组中采用常温的密封气体通入密封中段，以阻止低温气体向轴承段泄漏，保证机组的安全，同时减少冷量损失。这就要求密封气不能带有轻油组分，以免影响润滑油性能；同时也要避免密封气压力过高，窜入到膨胀机叶轮，引起叶轮内气流扰动，加大膨胀机的流动损失，影响膨胀机效率。
3 提高轻烃回收的方法及措施
3.1 膨胀机改造及清洗
2011年8月，对膨胀机密封件进行了改造，采用新型的密封型式及密封材料，有效地减少了内密封的泄漏量，同时降低了轴承及靠背轮的摩擦损失。此外，对膨胀机进行了清洗，清洗掉喷嘴及蜗壳、工作轮内的结垢，减少了流动损失。改造后，膨胀机的泄漏量及摩擦阻力降低，转速明显增加，从而使膨胀机效率有了显著提高。
3.2 调节膨胀比
要调节膨胀比，首先就要控制膨胀机进出口压力。川西北气矿江油轻烃装置进出天然气压力由配气站的压力决定。目前配气站高压气压力一般在3.1 MPa(G)左右, 干气压力在1.5 MPa~1.7 MPa(G)左右。由于进口压力基本无法调整，因此只能在增压后调整外输气体的压力。实践中，在进口压力稳定在3.0 MPa~3.2 MPa(G)左右，并保证膨胀机不喘振及干气能外输的前提下，适当降低增压段出口压力(设定值为1.6 MPa~1.7 MPa(G)左右)，使膨胀机出口压力在1.45 MPa~1.6 MPa(G)左右，并使膨胀比维持在2.0左右(设计值2.18)，从而获得较高的C3+收率。
3.3 调节密封气压力
川西北气矿江油轻烃装置膨胀机的密封气由冷却分离一次凝液的一股高压气、进装置高压原料气换热后的天然气及出膨胀机的密封气作为加热炉及锅炉燃料。由于轻烃组分基本被冷凝分离，对润滑油质量基本无影响。通过摸索，设定密封气压力比喷嘴处高0.1 MPa时，既保证了润滑油不窜油，又避免了密封气窜入到膨胀机工作轮，扰动工作轮内气流引起膨胀机因流动损失造成的效率降低。同时，由于加热炉及锅炉为间断操作，在两者处于停运状态时，作为燃料气的密封气需要放空。将密封气压力降低后，减少了放空到火炬的天然气量，降低了能耗。
3.4 调节喷嘴开度
一般认为膨胀机喷嘴的开度无需经常进行调整，只有在气量发生重大改变时，才对喷嘴开度进行调整。实际运行过程中，由于原料气干燥脱水后仍含有一些水分，喷嘴处温度较低，时间长了会在喷嘴处形成类似水合物的物质，影响进气量，从而造成转速降低影响制冷效果。在运行中，若发现其他条件不变时，膨胀机转速降低，可调节一下喷嘴开度后将其调整回原来开度，以去除喷嘴处形成的物质，使膨胀机转速恢复到原来转速。在运行中发生气量较大波动时，要及时调整喷嘴开度，保持稳定膨胀比，从而保持相对稳定的膨胀机转速和良好的制冷效果。
4 应用效果及结论
4.1 应用效果
2011年8月通过上述改造及优化操作后，膨胀机转速明显增加，其效率和C3+收率也有了显著提高。在装置正常生产下，C3+平均收率由82.9%升至95.8%，每吨产品的综合能耗由7947.1 MJ降至5808.4 MJ, 日均产量增加2.95 t，年增加产量可达885 t(按300天/年计)，取得了可观的经济效益。
4.2 结论
(1) 膨胀机改造：采用新型密封填料及方式，减小了膨胀机泄漏量及摩擦阻力，提高了膨胀机转速，降低了膨胀机的泄漏损失及摩擦损失，有效地提高了膨胀机效率。
(2) 调整膨胀比：在确保膨胀机增压端不喘振及干气外输正常的情况下，适当降低增压端出口压力，使膨胀比保持在2.0左右。
(3) 控制密封气压力，在保证不窜油的情况下，调节密封气压力，使其比喷嘴处压力高0.1 MPa，可以有效防止密封气窜入工作轮扰动工作轮气流引起的流动损失，同时降低放空天然气量。
(4) 在其他条件不变的情况下发生膨胀机转速降低现象，应在短暂调节喷嘴开度后再恢复至原开度，以除去喷嘴处类似水合物积累；流量发生变化时也要及时调整喷嘴开度，以便保持膨胀机相对稳定转速，从而取得良好的制冷效果。
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| [2] |
诸林. 天然气加工工程[M]. 北京: 石油工业出版社, 1996.
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| [3] |
计光华. 透平膨胀机[M]. 北京: 机械工业出版社, 1989.
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| [4] |
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| [5] |
沈永红. 轻烃回收装置及操作[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 1993.
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| [6] |
陈钟秀, 顾飞燕, 胡望明. 化工热力学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001.
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2012, Vol. 41