天然气凝液回收是指从天然气中回收丙烷及以上组分，回收的天然气液体可以显著提高油气田的经济效益[1]。近年来，天然气得到了广泛的应用[2-3]，提高天然气的利用率成为目前研究的热点。国内大部分油气田凝液回收均采用了直接换热流程工艺，在实际运行过程中存在能耗较高、效率较低的问题，故分析回收工艺的用能情况变得尤为重要。
目前，有许多方法可用于评估直接换热(direct heat exchange, DHX)丙烷回收流程。陈波等[4]以丙烷回收率及系统能耗为目标函数，通过改变关键参数，研究轻烃回收运行模式的可行性; 周刚等[5]对DHX回收工艺进行单因素分析来简化工艺流程，提高经济效益; 卫浪等[6]在对系统关键参数分析的基础上，利用BP神经网络进行多目标优化，为实际工艺流程设计提供理论依据; 肖乐等[7]对凝液回收过程的制冷工艺进行优化，推荐采用丙烷制冷+膨胀机制冷+脱乙烷塔塔顶气冷凝回流的制冷工艺，新工艺显著提高了丙烷回收率; 张继东等[8]在工艺运行关键参数的研究基础上，提出了3种提高丙烷回收率的措施，为实际运行提供了可行方案; 张世坚等[9]通过增设脱乙烷塔塔顶回流罐，针对不同工艺条件对丙烷回收流程进行改进，为实际运行工况提供理论基础。
㶲分析是一种全新的比较方法，可以找出回收工艺中㶲损的大小及位置，但国内鲜有针对DHX工艺的㶲分析报道。基于常规㶲分析的高级㶲分析可以研究㶲损的原因，高级㶲分析将常规㶲的㶲损分解为可避免、不可避免、内源及外源4个部分，该方法为过程比较和改进提供了独特的评估方法。2016年，M. Mehrpooya等[10]对南帕斯气田乙烷回收装置进行高级㶲分析，发现压缩机的㶲损占总㶲损的25.47%，同时，这部分㶲损的63.38%是可以避免的; 2019年，M. Mehdizadeh-Fard等[11]对南帕斯气田的一个复杂的天然气精炼厂进行了换热网络的高级㶲分析，结果表明换热网络㶲效率可从62.8%提高到84.2%，且仅有的18个低效换热器造成了换热网络中超61%的㶲损，改进潜力很大; 2016年，J. Galindo等[12]对内燃机底部的有机朗肯循环进行常规及高级㶲分析，㶲损可降低36.5%;2018年，李雅娴等[13]对LNG冷能空分工艺进行高级㶲分析，基于分析结果提出改进方案，优化方案的有效能利用率提高了28.891%。
本研究基于国内某气田气质，利用直接换热流程进行凝液回收模拟，在常规㶲分析的基础上，对各个设备及整个系统进行高级㶲分析，以明确系统的优化潜力。
天然气凝液回收常用PR状态方程进行工艺计算和热力学计算[14]。压缩机绝热效率75%，膨胀机绝热效率85%，换热器最小换热温差大于3.0 ℃，原料气压力5.0 MPa，温度30 ℃，流量800×104 m3/d，外输压力6.13 MPa。原料气组成见表 1。集成过程所有设备处于稳定状态，动能和势能的变化忽略不计，同时凝液回收过程未发生化学反应，不考虑化学㶲，故对设备的㶲计算仅考虑物理㶲。
利用HYSYS软件对直接换热流程进行模拟分析，工艺流程图如图 1所示，流程基础模拟工况如表 2所列。
原料气经主冷箱LNG-101预冷到-35.5 ℃进入低温分离器V-101进行气液分离，气相经膨胀机组K-101降压至2 350 kPa进入DHX塔底部，液相节流降压经LNG-101换热至22 ℃进入脱乙烷塔T-102中部。DHX塔底部液相与原料气换热到1 ℃进入T-102顶部。T-102塔顶气相与DHX塔顶部气相换热冷凝到-25 ℃进入回流罐V-102，V-102气相经过冷冷箱LNG-102降温至-70 ℃进入DHX塔顶部，与膨胀机气相进行逆流接触，吸收原料气中的重烃，提高凝液回收率。脱乙烷塔塔底物流进入脱丁烷塔进行液化石油气及稳定轻烃的分离。
已有文献对轻烃回收工艺进行了常规㶲分析[15]，故在此基础上对凝液回收工艺进行高级㶲分析，并以此对工艺流程进行用能评价及分析。常规㶲分析的结果如图 2所示。
常规㶲分析仅仅能对工艺流程中的各个设备进行㶲损及㶲效率的定量分析，不能揭示系统的改进潜力[16]，而高级㶲分析正好能够弥补上述缺陷。
根据设备本身的不可逆性及其他设备的不可逆性所引起的㶲损，将设备所产生的㶲损分为内源㶲损($ \dot E_{D, K}^{EN}$)及外源㶲损($ \dot E_{D, K}^{EX}$)。根据设备现今的制造水平以及未来的改造潜力，将设备所产生的㶲损分为可避免㶲损($ \dot E_{D, K}^{AV}$)及不可避免㶲损($ \dot E_{D, K}^{UN}$)。综合上述4种㶲损，可将设备所产生的㶲损分为可避免内源㶲损($ \dot E_{D, K}^{AV, EN}$)、不可避免内源㶲损($ \dot E_{D, K}^{UN, EN}$)、可避免外源㶲损($ \dot E_{D, K}^{AV, EX}$)、不可避免外源㶲损($ \dot E_{D, K}^{UN, EX}$)。具体㶲损细分如图 3所示[17]。
内源㶲损及外源㶲损可用于分析设备本身的改进潜力及减小其他设备㶲损用于该设备的潜力改进。设备所产生的总㶲损分为内源及外源㶲损，具体分解形式如式(1)所示：
式中：$ {\dot E}$D, K设备K的㶲损，kW; 上标EN为内源㶲损，kW; EX表示外源㶲损，kW。
从式(1)可以看出，当确定了$ {\dot E}$D, KEN的大小，就能知道$ {\dot E}$D, KEX的值。通过已有文献报道可知，一些热力学方法可用于确定$ {\dot E}$D, KEN的大小，比如热力学循环法、工程法、等效成分法及结构理论法等[18]。其中运用较为广泛的是热力学循环法及工程法。热力学循环法需要其他设备处在理想运行情况下来计算该设备的内源㶲损，而在凝液回收过程中，换热器及塔器等设备无法保证其在理想工况下运行，因此，热力学循环不适宜用于分析凝液回收工艺。相较于热力学循环法，工程法则具有其特有的优越性，同时其正确性已经得到了证明[19]。
运用工程法，系统的总㶲损可按照式(2)进行细分：
式中：$ {\dot E}$D, tot为系统总㶲损，kW; $ {\dot E}$D, others为除设备K外其他设备的总㶲损，kW。
$ {\dot E}$D, KEX是由于其他设备的不可逆性所产生㶲损，同时也是$ {\dot E}$D, others的函数，当$ {\dot E}$D, others的值趋近于零时，$ {\dot E}$D, KEX的大小也趋近于零，此时系统所产生的㶲损就是由于设备本身的不可逆性所引起的。因此，系统的总㶲损等于内源㶲损$ {\dot E}$D, KEN。运用工程法计算$ {\dot E}$D, KEN的过程中，需要绘制如图 4所示的图形。从图 4可以看出，延长直线并与纵坐标相交，截距即为所求设备的内源㶲损，在绘制直线的过程中需要保证设备的㶲效率恒定不变。图形的线性关系已经在文献[13]得到了证明。
由于技术及经济发展的限制，即使使用最先进的技术也不能消除的㶲损称为不可避免㶲损，通过技术发展可以减少甚至消除的㶲损称为可避免㶲损[20]。将设备所产生的㶲损分为可避免及不可避免㶲损，其表现形式如式(3)所示：
式中：上标AV为设备K的可避免㶲损，kW; UN为不可避免㶲损，kW。
计算不可避免㶲损时，需要使设备处在最高效率情况下，计算出设备在不可避免情况下所产生的㶲损以及有效㶲，得到计算设备在实际运行工况下的不可避免㶲损的系数(ED, K/EP, K)UN[21]。将实际运行工况下设备的产品㶲乘以系数(ED, K/EP, K)UN得到设备不可避免㶲损，计算公式如式(4)所示。有效㶲的计算公式见式(5)，将设备的总㶲损减去不可避免㶲损得到设备的可避免㶲损，计算公式见式(6)。计算不可避免㶲损的假设见表 3。
式中：EP, Kreal为实际运行工况下设备K的产品㶲，kW; EP, K为设备K处于不可避免状态下的产品㶲，kW; η为设备K的㶲效率，%。
将前文所提到的4种㶲损进行交叉组合，得到设备更加明确的㶲损类型，对设备的改造提供有效的理论及数据基础。通过组合得到可避免内源㶲损$ {\dot E}$D, KAV, EN、可避免外源㶲损$ {\dot E}$D, KAV, EX、不可避免内源㶲损$ {\dot E}$D, KUN, EN、不可避免外源㶲损$ {\dot E}$D, KUN, EX4种㶲损模式，计算公式见式(7)~式(11)：
可避免内源㶲损D, KAV, EN可以通过提高设备自身的效率来消除，可避免外源㶲损D, KAV, EX通过提高其他设备的效率或者优化系统工艺结构来减小。消除系统中可避免的㶲损，能够使用能效率达到最大化[25]。
工艺流程中主要设备的内源㶲损(D, KEN)可以通过前文提到图解法获得，计算结果见图 5，各个设备的详细高级㶲分析数据及结果见表 4，㶲损细分图见图 6。
从图 6可知，直接换热流程内源㶲损远远大于外源㶲损，即凝液回收过程中各设备产生的㶲损主要来源于自身的不可逆性，其他设备对于所研究设备的㶲损影响较小。直接换热流程内源㶲损占系统总㶲损的68.89%，是外源㶲损的2.2倍。系统可避免㶲损占总㶲损的比例较大，与不可避免㶲损相比，高出10.38%。从上述结果分析可知，凝液回收系统具有很大的㶲损改进潜力。
由表 4可知，几乎所有设备的㶲损都是由于自身不可逆性产生的，且其占总㶲损的比例较高。但对于透平膨胀机组的压缩端K-102及空冷器AC-101而言，外源㶲损大于其内源㶲损。压缩端K-102㶲损与膨胀段K-101的绝热效率联系密切，轴功率变化对压缩端的㶲损影响较大; 空冷器AC-101安装位置在外输气处，受外输气温度波动影响。
设备不可避免状态下的有效能利用率直接决定(ED/EP)KUN的大小，直接反映出有效能利用可实现潜力，其值越小对应的设备可用能利用率越高。压缩机、透平膨胀机组、DHX塔所对应的(ED/EP)KUN相对较小，通过技术改造，这些设备能够达到较高有效能利用率。空冷器、冷箱、脱乙烷塔、脱丙丁烷塔所对应的(ED/EP)KUN较大，改造这些设备受到一定的限制，通过减小温度来改善空冷器及冷箱的方法是不经济的。此外，脱乙烷塔及脱丙丁烷塔内部发生精馏反应，不可逆性很大，使得提高有效能利用变得十分复杂。
压缩机、透平膨胀机组、空冷器AC-101不可避免状态与实际㶲效率相比差异明显。这些设备的可避免㶲损占总㶲损的比例很高，可通过改善系统工艺结构及设备工艺技术来消除这些㶲损。由于冷箱的热利用率高，导致㶲效率很高，故不可避免㶲损与实际工况的㶲损差异不明显，不可避免㶲损与总㶲损的比率较小。进料物流的物性对吸收塔及精馏塔的㶲损影响明显，不可避免状态与实际工况相近，因此，改善塔器的有效能利用率较困难。
图 7显示了直接换热流程中4类㶲损组合的分布。在4类组合㶲损分布中，可避免内源㶲损占比最高，接着是不可避免内源㶲损、可避免外源㶲损、不可避免外源㶲损。图 8揭示了各个设备总㶲损及其4类细分㶲损，系统中大多数设备㶲损主要是可避免内源㶲损，表明可以通过提高设备自身的效率来减少系统总㶲损。
直接换热流程的㶲损主要集中在压缩机及透平膨胀机组，且可避免内源㶲损的比例较高，故通过提高压缩机的效率来减少系统的总㶲损是比较明显的改进措施。膨胀机K-101、压缩机K-102、压缩机K-103的可避免内源㶲损分别为1 035.51 kW、236.75 kW、1 138.12 kW，消除这些设备的㶲损可以明显提高系统有效能利用率，压缩机K-103可避免㶲损占系统总㶲损的比率最高，改善流程的有效能利用率，应优先提高K-103的设备效率。
冷箱的㶲效率较高，从常规㶲分析角度可知，其㶲损占系统总㶲损的比例较高，通过改善冷箱能量利用率，也可大幅提高系统有效能利用率。从图 8可知，冷箱LNG-101、LNG-102的可避免内源㶲损的占比均大于30%，改进换热器的结构形式可以有效消除这部分㶲损。
吸收塔T-101、脱乙烷塔T-102、脱丙丁烷塔T-103，3个设备的总㶲损较高，但其可避免内源㶲损的占比分别为18.19%、1.45%、12.62%，此外由于其内部复杂的分馏反应，改善这些设备的成本较高，不推荐对其进行内部结构改进。
空冷器AC-101的可避免㶲损及可避免内源㶲损的占比分别为82.06%、20.8%，通过改进其内部结构以及改善其他设备的工作状况，可以有效消除这部分㶲损。由于其总㶲损相对于其他设备较小，因此可以考虑对其进行工艺改进。
利用灵敏度分析方法，可以了解操作参数对过程中主要设备不同类型㶲损的影响。DHX塔、脱乙烷塔、脱丙丁烷塔是凝液回收过程中的关键设备和结构，对系统的㶲损有重要的影响。本节主要研究关键参数对主要设备不同类型㶲损的影响，以了解3种设备在不同参数下的㶲损变化趋势。
膨胀机K-101通过膨胀制冷为DHX塔提供大量制冷量来吸收原料气中丙烷及以上组分，提高凝液回收率，K-101的等熵效率直接影响进入DHX塔物流的温度和压力，故其对DHX塔的㶲损有显著影响; 脱乙烷塔塔顶回流温度对内部汽提反应产生一定程度影响，进而造成脱乙烷塔的4种㶲损变化; 脱丙丁烷塔塔顶回流比直接影响重沸器的负荷，重沸器负荷对分馏反应的难易程度影响极大，造成内部塔板温差波动变化，故其对㶲损产生显著影响。
图 9显示了K-101等熵效率对DHX塔4种类型㶲损的影响。可避免内源㶲损及不可避免内源㶲损随着等熵效率的增加，几乎不会发生变化，再一次验证了计算内源㶲损的精确性。而外源㶲损随着等熵效率的增加产生了小幅度的上升。从图 10可知，随着塔顶回流温度的降低，脱乙烷塔不可避免外源㶲损及可避免外源㶲损呈现相同的减小趋势，且不可避免外源㶲损的下降幅度明显。不可避免内源㶲损及可避免内源㶲损与温度变化呈现相反的变化趋势，综合4类㶲损变化情况可知，当温度降到-26 ℃时，各类㶲损达到一个临界值，继续降低温度，㶲损将发生显著变化，故塔顶回流温度推荐保持在-26 ℃左右。图 11是塔顶回流比变化对各类㶲损的影响情况。从图 11可以发现，伴随回流比的增加，内源㶲损及外源㶲损均发生了显著性的变化，内源㶲损与回流比的变化情况相同，外源㶲损与回流比变化趋势恰好相反，为了保证塔器的有效能利用率较高，塔顶回流比宜保持在0.1左右。
本研究基于直接换热流程的凝液回收工艺及国内某凝析气田气质，比较了凝液回收过程中不同高级㶲类别。主要结论如下：
(1) 直接换热流程的高级㶲分析结果表明：大多数设备的可避免内源㶲损占总㶲损的比例较高，改善系统有效能利用率应集中在设备本身的性能改造而不是系统的工艺结构; 此外，可避免内源㶲损可以作为评价工艺结构设计的差异和优势的参数。压缩机、膨胀机组、DHX塔的(ED/EP)kUN较小，通过改善这些设备的操作性能可以显著减少系统的㶲损。
(2) 压缩机及膨胀机机组的可避免内源㶲损的比例较高，提高这些设备的效率是减少系统㶲损的有效措施。改变冷箱的结构形式能够降低设备的㶲损，提高系统有效能利用率。空冷器的可避免内源㶲损及可避免外源㶲损均较大，故改善空冷器的冷量利用率可通过提高设备性能以及改善其他设备的工艺性能来减少空冷器的㶲损。
(3) 灵敏度分析显示：提高K-101的等熵效率仅增加DHX塔外源㶲损; 脱乙烷塔4类㶲损对塔顶回流温度敏感性较大，当温度低于-26 ℃，4类㶲损将发生显著变化; 减小脱丙丁烷塔塔顶回流比，内源㶲损大幅降低，设备总㶲损主要来源于其他设备的不可逆性。利用敏感性分析，确定了不同参数对DHX塔、脱乙烷塔、脱丙丁烷塔4种类型㶲损的影响，表明通过进一步改进凝液回收流程可减少设备的㶲损。
2021, Vol. 50 Issue (4): 77-85
2021, Vol. 50 Issue (4): 77-85