丙烷制冷在大牛地气田脱水脱烃站中的应用

罗 琴 毕海胜

(1. 中石化石油工程设计有限公司数字化工程设计所；2. 青岛科技大学机电工程学院)

丙烷制冷在大牛地气田脱水脱烃站中的应用

罗 琴*1毕海胜2

(1. 中石化石油工程设计有限公司数字化工程设计所；2. 青岛科技大学机电工程学院)

主要阐述了丙烷制冷系统的工艺原理、工艺流程和丙烷制冷系统内各橇块中主要设备及其作用，并介绍了丙烷制冷系统在大牛地气田脱水脱烃中的配管安装设计，对同类型气田脱水脱烃工艺具有很好的借鉴意义。

压缩机 低温分离 丙烷制冷系统 脱水脱烃

2012年11月，中石化天然气分公司榆济首站1、2#压缩机振动值随气量的提升出现增大现象，11月29日1#压缩机振动超标停机，2#压缩机出现振动高值报警。经检查确定压缩机振动值偏高的原因为天然气中可能含有凝析水和杂质，导致压缩机叶轮和流道结垢，造成了压缩机内部气路堵塞且破坏了压缩机转子的动平衡，致使运行工况点靠近防喘振控制线。榆济首站压缩机出现振动值超标，造成压缩机压缩能力无法满足冬季生产的需要，对华北管网安全平稳供气造成较大风险。

塔榆管道在塔榆末站与榆济管道交接，交接点压力为4.0MPa，大牛地气田来气在塔榆管道末站进站，但是在此交接压力下，来气的水露点为2～7℃，根据最新规范的规定，已经不能满足产品天然气-12℃水露点的外输要求[1]，特别在冬季实际运行时，更会增大下游管线冰堵的风险。按照大牛地气田开发规模，结合塔榆管道输气站场建设和运行现状，设计在原塔榆增压站东侧新建一座脱水脱烃站对天然气进行处理。

新建脱水脱烃站[2]采用低温分离兼轻油吸收工艺，降低天然气的水露点和烃露点，满足下游用户对水露点和烃露点的要求。采用丙烷制冷方式，将天然气冷却至-25℃，满足脱水脱烃的要求。丙烷作为制冷剂，化学性质稳定，是一种无色气体，凝固点低，与水不发生反应，与油完全相溶，制冷温度适合在-40～-35℃之间，满足低温分离的要求。

1 脱水脱烃站工艺流程

脱水脱烃站主要功能是接收增压站来气，通过低温分离装置降低天然气的水露点和烃露点，处理后的干燥天然气再回增压站增压外输，冷凝分离出的凝液进行分馏处理，回收轻烃。主要流程框图如图1所示。

图1 脱水脱烃流程框图

2 丙烷制冷工艺系统

2.1 丙烷制冷工艺原理

丙烷制冷系统为天然气低温分离和轻油吸收装置提供所需冷量，丙烷制冷装置是为低温分离装置提供冷量的核心设备，能够把天然气冷却至-25℃，甚至更低，以实现天然气低温脱水脱烃的目的。

丙烷制冷系统是一个压缩膨胀的循环过程，目的是通过降低天然气温度，脱除天然气中的水和部分烃类物质[3，4]。丙烷制冷循环过程如图2所示。

图2 丙烷制冷循环过程

2.2 丙烷制冷系统工艺流程

丙烷制冷系统工艺流程概括为：天然气和轻油冷却系统、丙烷循环系统、润滑油循环系统。

2.2.1天然气和轻油冷却系统

3股流换热器来的天然气(-18℃，2.0～4.5MPa)、吸收油提升泵来的轻油(40℃，2.0～4.5MPa)与蒸发器内的低温丙烷液交换热量，将天然气与轻油冷却至-25℃，然后进入低温吸收塔分离。

2.2.2丙烷循环系统

液态的丙烷在蒸发器内和天然气进行热量的交换，液态丙烷吸收天然气热量变为气态丙烷。蒸发器来的气态丙烷(-30℃，70kPa)经吸气缓冲罐分离后，进入压缩机增压后温度升高(70℃左右，1 120kPa)，压缩后的气态丙烷进入油分离器，将携带的润滑油分离后进入蒸发式冷凝器，经水冷冷却后温度降低，气态丙烷变为液态丙烷(32℃，1 120kPa)流向蒸发式冷凝器下方的热虹吸储罐。再流向丙烷系统储罐，丙烷液体经过经济器流向蒸发器底部，丙烷液体在蒸发器入口处节流后压力迅速降低，温度降至-30℃左右。低温丙烷液体与高温天然气换热后成为低压丙烷蒸汽，经压缩后进入下一个循环。

2.2.3润滑油循环系统

丙烷压缩机采用螺杆压缩机，由于螺杆压缩机内部的各个部件在工作时相互摩擦，为了保证压缩机能够长时间安全可靠的运行，需要注入一定量的润滑油对各工作部件进行润滑。初次启动压缩机前，将润滑油加入油分离器中，压缩机正常工作后，油分离器中的润滑油流向油冷却器，与液体丙烷进行换热，降低自身温度经油过滤器后进入压缩机，当丙烷气体被压缩后，携带润滑油共同进入油分离器，进入下一个循环。

2.3 丙烷制冷系统主要设备及作用

丙烷制冷系统主要包括蒸发器橇块、吸气缓冲罐、压缩机橇块、辅机橇块和蒸发式冷凝器：

a. 蒸发器橇块。蒸发器是丙烷与天然气、轻油换热的场所，液体低温丙烷与天然气、轻油充分交换热量，使天然气、轻油均冷却至-25℃，吸热后的液体丙烷变成丙烷蒸汽经过吸气缓冲罐分离后回到压缩机进口，继续进行丙烷循环。

b. 吸气缓冲罐。吸气缓冲罐接收蒸发器来的丙烷气体，用缓冲罐自带的电加热器对其加热，防止进入压缩机的丙烷流失量增大。

c. 压缩机橇块。压缩机选用螺杆式压缩机[5]，属于容积式压缩机，通过工作容积的逐渐减少来达到气体压缩的目的。压缩机的吸气量由处于吸气端的滑阀控制，当滑阀的开度大时，吸气量就大，反之就小。滑阀的开度可以自动调节，也可手动调节。压缩机橇块包括螺杆压缩机、主电机、油分离器、油冷却器、油过滤器。压缩机在丙烷制冷系统中的主要功能有[6]：可以提高单位丙烷蒸汽的含热量，创造可操作的冷凝条件；可以提高制冷丙烷蒸汽的压力，使该压力对应的丙烷饱和温度高于冷却介质的温度；为整个系统的持续循环提供动力。

d. 蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器是一种将水冷与空冷、传质与传热融为一体的新型高效冷凝冷却设备[7，8]。它在丙烷制冷系统中的主要作用是吸收高温高压气态丙烷的热量，将它冷凝为同等压力下的饱和液态丙烷。在实际运行过程中蒸发式冷凝器的换热功率还直接控制着丙烷压缩机的排气压力，对丙烷制冷系统的正常运行有着重要的影响[9，10]。

e. 辅机橇块。辅机橇块包括热虹吸储罐、经济器等。虹吸是利用液面高度差的作用力现象，在本循环系统中，由于油冷却器的液体被气化，并且和热虹吸储罐连通，使得低处和高处形成压差，且换热后蒸汽混合物密度远小于液体丙烷的密度，这就为液体丙烷的持续流动制冷提供了动力[11]。热虹吸储罐中的丙烷蒸汽再返回蒸发式冷凝器中冷却。

2.4 丙烷制冷系统配管安装

2.4.1设备布置

蒸发器撬块与辅机撬块布置在低温分离单元框架地面上，且处于同一水平高度。目的是为了防止蒸发器内的液位倒流，导致下次开机时液位过低报警，无法开机。缓冲罐布置在低温分离单元框架地面上，为防止增加丙烷流失量，将缓冲罐放在尽量靠近压缩机的位置。蒸发式冷凝器布置在低温分离单元框架二层平台，它的出液口与排液总管高度差为2m。目的是为了抵消制冷剂在蒸发式冷凝器盘管中的压降，若不消除此压降就会降低有用的冷凝面积，会使排气压力间接升高，严重影响机组运行的效率，压缩机布置在厂房地面上，基础高出地面200mm。丙烷制冷系统设备布置图如图3所示。

图3 丙烷制冷系统设备布置图

2.4.2配管设计

管道安装时按照P&ID要求，进行安装[12]。大牛地脱水脱烃站丙烷制冷系统配管安装时，需要进行以下管道的优化设计：

a. 从蒸发器到吸气缓冲罐入口管线(图4)，由3台蒸发器汇入总管后坡向吸气缓冲罐(2%坡度)，防止液体聚集在管道中，避免下次开机时对压缩机造成液击。

b. 吸气缓冲罐到压缩机入口管线，为避免液体进入压缩机，管线由压缩机坡向吸气缓冲罐。但根据实际配管情况，压缩机配管情况如图5所示。

c. 供液总管到热虹吸储罐管线(图6)，由供液总管坡向热虹吸储罐，并且该供液总管要接入回气总管上，作用是为了使供液总管中产生的气泡能顺利通过回气总管回到热虹吸储罐中。

d. 压缩机出口至蒸发式冷凝器进口管线(图7)，由压缩机坡向蒸发式冷凝器。目的是避免液体流回到压缩机橇块中的油分离器，对油分的滤芯造成影响。但根据实际配管情况，压缩机比蒸发式冷凝器安装高度低，故无法达到该要求，与厂家沟通后将进蒸发式冷凝器进口水平主管抬高，保证进口分支管线低进。

e. 平衡管路是加在热虹吸储罐与蒸发式冷凝器进口管线之间的管路(图8)，它主要是保持储罐内的压力稳定，压力稳定才能保证冷凝器的液体可自由的进入储罐，维持系统的恒定性。

f. 蒸发式冷凝器进、出口管道，采用对称布置方式(图9)。冷凝器出口进热虹吸储罐管路要求有一定的液包高度(300mm)，同时管线上设置2%坡度，为保证冷凝器进热虹吸储罐管路上充满丙烷液，不会存在气态丙烷。

g. 螺杆压缩机进口管线、出口管线，经过一次应力和二次应力计算分析，确定管线走向和支撑设计形式(图10)。

图4 蒸发器到吸气缓冲罐入口管线配管安装

图5 压缩机入口管线配管安装

图6 供液总管到热虹吸储罐管线配管安装

图7 蒸发式冷凝器入口管线配管安装

图8 平衡管路配管安装

图9 蒸发式冷凝器出口管线配管安装

图10 丙烷制冷系统应力分析模型

3 结论

3.1大牛地脱水脱烃站采用丙烷制冷进行天然气处理，满足脱水脱烃要求，集中控制外输天然气质量，同时实现了轻烃回收。

3.2丙烷压缩循环制冷系统温度易于控制，整套设备结构紧凑，稳定高效，操作方便灵活。

3.3丙烷制冷系统配管安装不仅满足了配管设计特殊要求，同时运用应力建模分析，合理优化了管道走向和支撑形式。

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*罗 琴，女，1986年4月生，工程师。山东省东营市，257000。

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