国内油田伴生气压力低，气质较富，在大庆、辽河、中原等油田建有油田伴生气乙烷回收装置，均采用液相过冷工艺(liquid subcooled process，LSP)进行乙烷回收，其工艺流程存在乙烷回收率低、热集成度较差和系统能耗高等问题[1]。国内部分油气田为了提高采收率，采用注CO2气驱的方式，由于油田伴生气中CO2含量较高，导致乙烷回收工艺流程中出现CO2固体，影响设备的安全运行[2-4]。国内外的科研人员对天然气乙烷回收技术开展了许多研究，开发了多种乙烷回收工艺，但大都针对集成工程的工艺流程参数及经济效益进行优化分析，并未对高含CO2油田伴生气的乙烷回收工艺流程进行研究。Diaz等[5]将多种乙烷回收工艺进行气质适应分析，发现气相过冷工艺(gas subcooled process，GSP)、LSP工艺分别适用于贫气和富气，随着天然气中CO2含量增加，乙烷回收工艺流程整体能耗增加；Chebbi等[6]通过优化脱甲烷塔压力及对整体工艺流程进行经济分析，发现当原料气气质较富时(乙烷摩尔分数为15%)，通过降低脱甲烷塔压力可提高工艺流程的经济效益；Luyben等[7]对乙烷含量不同的原料气进行回收模拟发现，随着乙烷含量的增加，系统能耗增加，当原料气中乙烷摩尔分数大于15%时，需将原料气进行分流处理以提高系统热集成度；John[8]通过提高膨胀机出口温度，在脱甲烷塔中汽提出CO2，降低了塔顶CO2含量；杨雨林等[9]提出将部分原料气过冷后进入脱甲烷塔，利用原料气中重烃对CO2的吸收能将CO2固体形成的冻堵裕量提高1.5~1.8 ℃；王玉柱等[10]提出增加原料气预分离器的改进流程，降低塔顶塔板上的CO2含量，解决了脱甲烷塔上部CO2固体形成的问题; 杨冬磊等[11-13]采用灵敏度分析和响应面法优化工艺参数，在500×104 m3/d的天然气处理量下工艺经济效益增加了1 551万元/年。
为了提高LSP工艺流程的乙烷回收率，改善工艺对原料气中CO2的适应性，本研究基于LSP工艺提出了气液两相过冷改进工艺流程(gas and liquid subcooled process，GLSP)和原料气分流过冷工艺流程(feed gas split subcooled process，FGSP)。其中，GLSP工艺流程具有能耗低、回收率高、对CO2适应性强等特点，对GLSP工艺流程进行特性及CO2适应性研究，此工艺流程具有对原料气中CO2摩尔分数小于2.5%的油田伴生气具有乙烷回收率高、控制CO2冻堵能力强的特点，对油田伴生气乙烷回收工程的设计及应用具有重要的意义。
LSP工艺流程被广泛应用于原料气气质较富的油田伴生气，乙烷收率可提高到85%以上，液相过冷提高了脱甲烷塔的CO2冻堵裕量[14]，其工艺流程如图 1所示。
LSP工艺流程具有如下特点：采用液相过冷回流为脱甲烷塔塔顶提供冷量，使乙烷回收率得到提高，同时对塔顶CO2起吸收作用，可处理高CO2含量的原料气，但液相回流气质较富造成部分乙烷损失，乙烷回收率受到限制，一般在85%左右，进一步提高乙烷回收率会造成能耗大幅度上升。
LSP工艺流程存在以下不足：乙烷回收率低，不能满足当下对乙烷的需求；装置运行能耗较高；工艺流程中冷热物流换热较差，部分冷量没有得到充分利用。
为了解决LSP工艺流程乙烷回收率低、热集成度差、能耗高的问题，从脱甲烷塔进料和冷热物流热集成两方面进行改进，提出了GLSP和FGSP乙烷回收工艺流程。
GLSP工艺流程如图 2所示，将低温分离器部分气相分为两股物流与低温分离器液相混合过冷分别作为脱甲烷塔塔顶第一股(S9)和塔中上部第二股进料(S10)，采用脱甲烷塔塔顶气相和脱甲烷塔低温位侧线采出作为过冷箱冷源，高温位侧线采出、脱甲烷塔塔底重沸器、脱甲烷塔塔顶气相和外加丙烷作为主冷箱冷源。
GLSP工艺流程具有以下特点：①在LSP基础上增加了一股气相过冷进料进入脱甲烷塔顶部，为脱甲烷塔塔顶提供了更多的冷量，增强了对乙烷的吸收作用，提高了乙烷回收率；②低温分离器液相进入脱甲烷塔塔顶，吸收了塔顶部分CO2，有效降低了塔顶气相中的CO2分压，提高了CO2冻堵裕量；③脱甲烷塔高温位侧线抽出、塔底重沸器物流与原料气换热匹配，脱甲烷塔低温位侧线抽出与低温分离器气液相分流换热匹配，充分利用了脱甲烷塔冷量，提高了系统热集成度，降低了丙烷制冷量。
FGSP工艺流程图如图 3所示，通过改变回流气质，将原料气进行分流，一部分作为脱甲烷塔塔顶第一股进料(S11)，另一部分进入低温分离器进行气液相分流作为脱甲烷塔中上部第二股进料(S12)，脱甲烷塔第二股进料采用混合相进料。
FGSP工艺流程具有以下特点：①采用部分原料气作为脱甲烷塔塔顶回流，降低了塔顶温度，提高了乙烷回收率；②塔顶回流原料气中的丙烷及以上重组分较多，对CO2吸收作用更强，能适应更高CO2含量的原料气[15]；③原料气分流换热可增大冷热物流接触时间，提高冷热物流换热效果，充分吸收系统内的冷量，降低换热面积；④采用部分原料气作为脱甲烷塔塔顶回流，增大塔内液相流量，塔底重沸器负荷升高。
工艺流程系统组成为低压原料气经原料气增压机增压、分子筛脱水、膨胀机增压端增压进入乙烷回收系统。系统采用丙烷制冷，丙烷系统提供-37 ℃和-15 ℃两个温位的冷量，-37 ℃的温位为主换热器提供冷量，-15 ℃温位为脱乙烷塔塔顶冷凝器提供冷量。模拟过程中压缩机绝热效率取75%，膨胀机组膨胀端绝热效率取85%，换热器最小换热温差大于3.5 ℃[16]。
针对GLSP、FGSP两种改进工艺流程进行模拟计算及对比分析。利用Aspen HYSYS V11软件对改进工艺流程进行模拟分析，选用PR方程气液平衡计算模型，Lee-Kesle状态方程作为气液焓和熵计算模型。3种原料气组成见表 1。
在相同乙烷回收率(94%)的条件下，通过模拟计算分析3种工艺流程总压缩功的变化，模拟结果见表 2。经分析可得到如下结论：
1) 3种气质模拟结果表明，GLSP工艺流程总压缩功较低，其原因是脱甲烷塔第二股进料采用气液两相混合过冷，相比于液相过冷，其焦汤系数更大，节流后温度更低，为脱甲烷塔塔顶提供了更多冷量，提高了乙烷回收率，降低了丙烷用量。
2) GLSP工艺流程脱甲烷塔塔顶采用低温分离器部分气液两相过冷降压进料，进料中乙烷含量相对较少，脱甲烷塔塔顶温度较低，回收率高，而FGSP工艺流程采用部分原料气过冷降压进料，与GLSP工艺流程相比进料中乙烷含量相对较高，在相同回收率下其总压缩功高，因此，油田伴生气乙烷回收工艺流程推荐采用GLSP工艺流程。
GLSP工艺流程主要采用膨胀机制冷和丙烷制冷，在外输压力一定的情况下，原料气压力越高，可利用的压差越大，制冷温度越低，更利于乙烷组分的冷凝分离，但压缩功耗也相应增加。对于低压原料气，需要对原料气进行增压，在满足回收率的条件下，为了降低总压缩功耗，需要确定合适的增压压力，为了研究不同气质的增压压力对总压缩功耗的影响，控制乙烷回收率为94%，将不同GPM值下的原料气分别增压至3.8~5.0 MPa，模拟结果如图 4、图 5所示。
从图 4、图 5可以发现，随着增压压力的升高，总压缩功呈先降低后增加的趋势，原因是随着原料气增压压力的提高，利用压差制冷的膨胀机为原料气制冷，降低了丙烷用量，总压缩功降低，随着增压压力进一步升高，膨胀机的制冷效果变差，总压缩功升高。当气质GPM值为5.3时，原料气最优增压压力为4.0 MPa；当气质GPM值为6.6时，原料气最优增压压力为4.2 MPa；当气质GPM值为9.2时，原料气最优增压压力为4.4 MPa。可以发现，原料气气质越富，需要的增压压力越高，要达到设计回收率要求下所需要的制冷温度越低。这是由于在达到相同乙烷回收率的前提下，原料气气质越富，需要膨胀机提供的冷量越多，膨胀机入口端需要更高的压力来保证膨胀机产生足够的冷量，以达到分离效果。
在乙烷回收装置的运行过程中，乙烷回收率越高，能耗越高，当回收率达到一定值时，进一步提高回收率，能耗会急剧增大，为了研究GLSP工艺流程回收率对能耗的影响，需确定合适的回收率。对GLSP工艺流程进行模拟分析，原料气组成采用气质2，处理量为100×104 m3/d，原料气压力和温度分别为0.3 MPa和25 ℃，原料气增压机出口压力为4.2 MPa，脱甲烷塔压力为2.0 MPa，外输气压力大于1.6 MPa。总压缩功、气相分流比、液相分流比随乙烷回收率变化趋势如图 6所示。
从图 6可知，随着乙烷回收率从90%增加到96%，低温分离器气相分流比从23%增加至48%，增大低温分离器气相分流比可以为脱甲烷塔塔顶提供更多冷量，增强了乙烷的冷凝分离效果，低温分离器液相分流比从70%降低至34%，降低液相分流比可以减少液相中的乙烷组分在塔顶的蒸发损失。
随着乙烷回收率从90%增加到96%，装置总压缩功不断增加，当乙烷回收率在95%以上时，总压缩功将快速增加，这是由于为获得较高的乙烷回收率，需要增大制冷量，从而降低脱甲烷塔压力，增大膨胀机膨胀比，导致外输压缩机功率增加。因此，为保证较高的回收率，尽可能控制能耗不至于太高，推荐GLSP改进工艺流程的乙烷回收率不超过95%。
当原料气中CO2摩尔分数大于2.5%时，要求达到较高的乙烷回收率(大于90%)及压缩功较低，脱甲烷塔上部将会出现CO2冻堵风险[17-18], 因此，需要分析GLSP工艺流程对低压富气中气质变化的适应性。
为研究GLSP工艺流程对原料气气质组成的适应性，GLSP工艺流程模拟的计算条件为：处理量为100×104 m3/d，原料气压力和温度分别为0.3 MPa和25 ℃，脱甲烷塔压力为2.0 MPa，外输气压力大于1.6 MPa，乙烷回收率为94%。用表 1中的3种气质进行模拟，3种气质原料气中CO2摩尔分数均为0.5%。
分析原料气气质对GLSP工艺流程主体装置总压缩功的影响。计算结果见表 3，模拟结果表明：随着气质GPM值由6.6增加到9.2，气质逐渐变富，GLSP工艺流程总压缩功的增长幅度仅为7.8%，表明GLSP工艺流程对原料气气质变化的适应性较强，其原因是气质越富，所需冷量越多，所需丙烷系统的压缩功增加。
针对同一种气质，乙烷回收率相同(94%)条件下，研究不同CO2含量对压缩功的影响。模拟条件及结果见表 4。计算结果表明：
1) 当原料气中CO2摩尔分数小于0.5%时，脱甲烷塔冻堵易于控制。
2) 当原料气中CO2摩尔分数不低于0.5%时，第二股(S10)进料位置以上塔板易出现CO2冻堵。在塔压不变的条件下，脱甲烷塔顶第一股(S9)采用气液混合进料来控制CO2冻堵问题，其液相由低温分离器液相分出部分引入。同一气质条件下，随着CO2摩尔分数由0.5%增至2.5%，工艺流程压缩功从6 057 kW增加到6 597 kW。
3) 随着原料气中CO2含量的增加，通过膨胀机所提供的制冷量减少，系统所需外部冷量相应增加，为了降低脱甲烷塔上部CO2含量，防止CO2产生冻堵，塔上部所需冷量增加，因此，系统总压缩功增加。
1) 基于LSP工艺流程提出了GLSP、FGSP两种改进工艺流程，通过工艺流程模拟与对比分析，认为GLSP工艺流程适用于处理规模小、外输气压力低的油田伴生气乙烷回收工艺流程。
2) GLSP工艺流程特性分析表明，在外输压力大于1.6 MPa、乙烷回收率大于90%的条件下，其原料气增压压力宜控制在4.0~4.5 MPa，乙烷回收率不宜超过95%，在CO2摩尔分数为0.5%~2.5%时，低温分离器温度宜保持在-43~-41 ℃。
3) GLSP工艺流程对原料气气质贫富以及CO2含量适应性较强。该工艺流程适用于CO2摩尔分数在0.5%~2.5%的工况条件。在原料气中CO2含量相同的条件下，随着原料气气质变富，脱甲烷塔控制CO2冻堵的能力不断增强；在同一气质条件下，随着原料气中CO2含量的增加，主体装置能耗也在增加。
4) 基于丙烷及丙烷以上液烃对CO2有吸收作用的原理，对原料气中CO2摩尔分数小于2.5%的油田伴生气，乙烷回收可采用GLSP工艺流程，改变低温分离器温度及加入液烃量，可有效抑制CO2固体的形成。
2024, Vol. 53 Issue (3): 43-48 2024, Vol. 53 Issue (3): 43-48