石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (4): 47-52
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    张军辉
    白聪
    天然气液化与轻烃回收联产工艺研究
    张军辉 1, 白聪 2     
    1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司;
    2. 中国石油管道局工程有限公司天津分公司
    收稿日期：2017-04-06
    作者简介：张军辉(1985-)，男，工程师，现就职于中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，主要从事化学工程与工艺方面的工作。E-mail：zhangjh5@cnooc.com.cn.
    摘要：在分析天然气液化、轻烃回收工艺共同点的基础上，提出将混合制冷循环(MRC)天然气液化与吸收塔(DHX塔)轻烃回收等传统工艺结合的联产工艺，用液化过程的混合制冷循环为轻烃回收提供冷量，同时通过轻烃回收过程对原料气中的重组分进行分离、加工。为进一步研究联产工艺在提高产量、降低能耗方面的优势以及适用气质，利用HYSYS分别对7组不同原料气的联产工艺和传统工艺进行模拟。结果显示，在所有气质条件下，两种工艺的C3收率、液化石油气产量、稳定轻油产量基本相等，联产工艺可提高液化过程重组分分离效率，使LNG中C3摩尔分数≤0.3%。联产工艺生产一、二级LNG分别要求原料气中C1、C2摩尔分数y(C1)/y(C2)≥5.67、y(C1)/y(C2)≥3。同时，联产工艺适用于C2+摩尔分数≥7%的原料气，在该条件下，LNG产量提高约71.89%，单位能耗降低约17.66%。
    关键词：轻烃回收    LNG    混合制冷    联产工艺    
    Study on cogeneration of LNG and light hydrocarbon recovery process
    Zhang Junhui1 , Bai Cong2     
    1. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin, China;
    2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation Tianjin Branch, Tianjin, China
    Abstract: On the common base of process of liquefied natural gas and light hydrocarbon recovery, the cogeneration process of LNG and light hydrocarbon recovery has been presented, which provides cold energy for light hydrocarbon recovery process by the mixed refrigeration cycle, meanwhile separates the heavy ends of feed gas through the light hydrocarbon recovery. In order to further research of efficiency of cogeneration process on enhancing yield, reducing energy consumption and the suitable feed gases, the HYSYS simulation software has been developed to simulate the processes with seven groups of feed gas conditions and operating parameters. Results show that the recovery of C3, the yield of liquefied petroleum gas and stabilized light oil are equal basically. The cogeneration process can improve the separation efficiency of liquefaction process, and make the C3 content less than 0.3% in LNG. In order to produce the first degree or the second degree of LNG, y(C1)/y(C2)≥5.67 or y(C1)/y(C2)≥3 of feed gas is required respectively. At the same time, the cogeneration process is suitable for the feed gas whose molar fraction of C2+ is more than 0.07. Under this condition, the LNG production increases 71.89% on average, and the unit energy consumption reduces 17.66% on average.
    Key Words: light hydrocarbon recovery    LNG    mixed refrigeration    cogeneration process    

    随着能源逐渐枯竭以及环境形势愈加严峻，天然气以其清洁、高效性愈加受到人们关注。我国的天然气主要分布在西部和东部地区，开采和运输受地域性因素影响较大。因此，须将天然气通过管输或以液化的形式运送到产量小、消耗大的地区[1]。天然气液化缩小了体积，方便运输。轻烃回收降低天然气烃露点，使其满足管输气要求。两者均是天然气加工利用的重要方法，且均利用制冷工艺，前者将C1降温液化，后者将C2+液化分离。本文提出将混合制冷循环(MRC)天然气液化与吸收塔(DHX塔)轻烃回收等传统工艺结合的联产工艺, 并与传统工艺[2-6]比较，分析了该工艺的适用条件。

    1 工艺流程
    1.1 传统工艺

    DHX塔轻烃回收工艺如图 1所示，原料气1利用混合制冷剂循环提供的冷量降温后在低温分离罐中分离出气液两相。液相4在冷箱中复热后通入脱乙烷塔，气相3通过吸收塔脱除部分C1、C2后，再通入脱乙烷塔进一步除去C1、C2。脱乙烷塔塔底液相6通入脱丁烷塔精馏得到液化石油气和稳定轻油。

    图 1     DHX塔轻烃回收流程简图 Figure 1     Diagram of light hydrocarbon recovery process with DHX tower

    MRC天然气液化流程见图 2，天然气利用制冷循环提供的冷量，初冷后分离出重烃，再经深冷节流后形成液体，其压力和温度分别为100 kPa、-161 ℃。

    图 2     MRC天然气液化流程图 Figure 2     Diagram of natural gas liquefaction process with MRC

    1.2 联产工艺

    联产工艺流程如图 3所示。工艺主要分为混合制冷剂制冷循环部分与天然气液化、轻烃回收部分。

    图 3     联产工艺流程图 Figure 3     Diagram of cogeneration process

    混合制冷剂17经压缩水冷后进入主冷箱降温，然后将物流11通入至分离罐二，塔顶气相13经过冷箱和节流阀，逐级降温后作为冷源为过冷箱提供冷量。液相12则通过节流阀降温后与由过冷箱出来的制冷剂15混合后为主冷箱提供冷量，进行复热。复热后得到常温常压的混合制冷剂17，进而进入下一循环。

    原料气通过主冷箱降温通入低温分离器，气相4进入吸收塔(DHX塔)，液相3通过冷箱升温进入脱乙烷塔。重接触塔塔顶出口气相10通入过冷箱降温，再通过节流阀降温至-161 ℃后流进储罐。脱乙烷塔塔顶气相8通过冷箱降温后作为重接触塔的吸收剂，塔底液相9通入脱丁烷塔精馏得到液化石油气和稳定轻油。

    2 流程模拟及分析
    2.1 进料条件

    为研究联产工艺适用气质，依次按贫气到富气过渡，选取7组经脱硫、脱碳、脱水处理后的不同组成气样作为原料气，基于HYSYS在相同的进料条件(温度为25 ℃，压力(表压)为2 800 kPa，流量为38.61×104 m3/d)下考察传统与联产工艺差异。原料气组成见表 1。

    表 1    典型原料气组成 Table 1    Composition of feed gas

    2.2 模拟流程

    利用HYSYS软件分别对7组气质的传统工艺与联产工艺流程进行模拟，模拟流程见图 4~图 6[7-9]。

    图 4     混合制冷剂制冷轻烃回收模拟流程图 Figure 4     Simulation process diagram of light hydrocarbon recovery with mixed refrigeration cycle

    图 5     MRC天然气液化模拟流程图 Figure 5     Simulation process diagram of natural gas liquefaction with MRC

    图 6     联产工艺模拟流程图 Figure 6     Simulation process diagram of cogeneration process

    两种工艺均在相同操作参数下运行(见表 2)。

    表 2    主要操作参数 Table 2    Main operation parameters

    2.3 结果与分析

    7组气样分别通过两种工艺得到的液化天然气、液化石油气及稳定轻油组成如表 3所示。

    表 3    产品组成对比 Table 3    Comparison of production composition

    由表 3中液化天然气的组成对比可知，联产工艺能将更多的C2+从LNG中脱除，并保留C1、C2。如图 7所示，随原料气中C2+含量增加，传统工艺所得LNG中C4摩尔分数均为0.3%左右，C3摩尔分数呈上升趋势，最高达到2%。联产工艺LNG中C3摩尔分数成下降趋势，且均低于0.3%，C4摩尔分数接近0。原料气中C2+摩尔分数越多，两种工艺LNG中C3、C4摩尔分数差异越大，联产工艺重组分脱除效率越高。由于联产工艺加工LNG脱除了绝大部分C2+后，保留了原料气中大部分C2，使C1的摩尔分数下降。由表 4可知，为了满足LNG技术指标要求，使用联产工艺原料气必须满足式(1)、式(2)要求。

    图 7     两种工艺LNG中C3、C4随原料气组成变化 Figure 7     Effect of gas composition on C3, C4 in two LNG processes

    表 4    液化天然气部分技术指标 Table 4    Some technical indicators of LNG

    一级LNG:

    $ y\left( {{{\rm{C}}_1}} \right)/y\left( {{{\rm{C}}_2}} \right) \geqslant 0.85/\left( {1 - 0.85} \right) = 5.67 $ (1)

    二级LNG:

    $ y\left( {{{\rm{C}}_1}} \right)/y\left( {{{\rm{C}}_2}} \right) \geqslant 0.75/\left( {1 - 0.75} \right) = 3 $ (2)

    式中：y(C1)为原料气中C1的摩尔分数；y(C2)为原料气中C2的摩尔分数。

    对比表 3中不同工艺的液化石油气与稳定轻油的组成情况可知，联产工艺与传统工艺回收轻烃的组成相差不大。

    在相同操作条件下，联产工艺与传统工艺的模拟结果见表 5。

    表 5    联产工艺与传统工艺模拟结果对比 Table 5    Comparison of simulation results between cogeneration process and conventional process

    由表 5中两种工艺模拟结果的对比可知，对于不同组成原料气联产工艺与传统工艺的C3收率、液化石油气产量、稳定轻油产量基本相同。同时，通过联产工艺能有效减少单位能耗。

    将7组原料气的联产工艺与传统工艺的LNG产量和总能耗随C2+摩尔分数变化关系作图，示于图 8~图 9。

    图 8     LNG产量与原料气中C2+摩尔分数关系 Figure 8     Effect of C2+ content of feed gas on the output of LNG

    图 9     总能耗与原料气中C2+摩尔分数关系 Figure 9     Effect of C2+ content of feed gas on the total energy consumption

    由图 8可知，当原料气中C2+摩尔分数≤7%时，LNG产量随C2+摩尔分数的增加而增加，传统工艺LNG产量大于联产工艺。当原料气中C2+摩尔分数≥7%时，LNG产量随C2+摩尔分数的增加而减少，联产工艺降低幅度较小。通过式(3)计算可知，联产工艺LNG产量较传统工艺平均高出71.89%。

    $ {\eta _1} = \frac{1}{5}\sum\nolimits_{\text{n} = 3}^7 {\frac{{{\mathcal{C}_{\rm{联n}}} - {\mathcal{C}_{\rm{传n}}}}}{{{\mathcal{C}_{\rm{传n}}}}}} \times 100\% = 71.89\% $ (3)

    式中：$\mathcal{C}$联n为第n组气样联产工艺LNG量，t/d; $\mathcal{C}$传n为第n组气样传统工艺LNG量，t/d。

    由图 9可知，随原料气中C2+摩尔分数增加，总能耗呈上升趋势。同时，当原料气中C2+摩尔分数≤20%时，联产工艺总能耗低于传统工艺；当原料气中C2+摩尔分数>20%时，联产工艺能耗较高。

    综合产量与能耗两方面因素，考察单位能耗随C2+摩尔分数变化关系，如图 10所示。

    图 10     单位能耗与原料气中C2+摩尔分数关系 Figure 10     Effect of C2+ content of feed gas on the unit energy consumption

    由图 10可知，各组原料气联产工艺的单位能耗均低于传统工艺。原料气中C2+摩尔分数≤7%时，联产工艺单位能耗降低幅度大。通过式(4)计算可知，降低幅度平均为17.66%。

    联产工艺单位能耗平均降低比例：

    $ {\eta _2} = \frac{1}{5}\sum\nolimits_{\text{n} = 3}^7 {\frac{{{q_{\rm{联n}}} - {q_{\rm{传n}}}}}{{{q_{\rm{传n}}}}} \times 100\% } = 17.66\% $ (4)

    式中：q联n为第n组气样联产工艺单位能耗，MJ/t; q传n为第n组气样传统工艺单位能耗，MJ/t。

    3 结论

    综合现有液化天然气、轻烃回收工艺，提出了联产方案，该工艺能在天然气液化的同时进行轻烃回收。通过模拟、对比得出以下结论：

    (1) 联产工艺能将原料气中的C2+进一步分离，避免在过冷段出现冻堵现象。

    (2) 联产工艺与传统工艺的C3收率、液化石油气产量、稳定轻油产量基本相等。

    (3) 联产工艺适用于C2+摩尔分数≥7%的原料气，在该条件下，LNG产量提高幅度平均达71.89%，单位能耗降低幅度平均达17.66%。

    参考文献
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