刘刚(大庆油田天然气开发部,黑龙江 大庆 163000)
红压深冷装置优化运行分析
刘刚(大庆油田天然气开发部,黑龙江 大庆 163000)
根据红压深冷装置运行现状,分析存在问题,提出优化方案,实现机组整体制冷能力增加、能耗降低、轻烃收率增加的目标。通过对比优化前、后装置制冷量、能耗、收率等关键参数,确定最佳操作点,将优化结果应用到实际生产中,取得增产、降耗的效果。
制冷;优化;丙烷机;膨胀机;能耗;收率
红压深冷装置采用单级膨胀+丙烷辅助制冷工艺,日处理天然气为90万立方米。装置原料气经离心压缩机增压后,一路由冷箱换热,一路经丙烷机换热获取冷量,两路气体汇合后进入膨胀机入口或经J-T旁通阀直接进入塔顶,冷凝产生轻烃。在目前工况下,深冷装置来气二氧化碳含量高(3.5%),在操作压力下(膨胀机入口4.10MPa,塔压0.9MPa),膨胀机通气量达到27000m3/h时,膨胀机转速达到26500rpm,出口温度降至-92.5℃,膨胀机发生冻堵,为防止冻堵,多余气量走J-T旁通阀,直接进入塔顶,降低了制冷负温;为保证塔顶制冷温度,只能提高丙烷机负荷,使脱甲烷塔塔顶温度保持在-83~-85℃。
2.1 膨胀机制冷负荷小
为防止机组冻堵,多余气量只能走J-T旁通阀,旁通阀开度保持在45%左右,约10000m3/h天然气未经过制冷直接进入塔顶,降低装置制冷负温,影响装置产烃(图1)。
2.2 膨胀机易冻堵
当气量波动时,膨胀机转速升高,易发生冻堵,冻堵发生后员工需立刻降低膨胀机负荷,升温化冻,同时喷注甲醇。
2.3 丙烷机负荷大
为保证塔顶制冷温度,丙烷机长期在高负荷状态下运行,平均电流在38A左右(高报40A),能耗偏高。
2.4 丙烷机电机线圈温度高
电流大导致电机线圈温度高,在临界报警温度下运行,尤其在夏季环境温度高时,温度可达82℃(停机值85℃),为保证装置安全平稳运行,需减少装置入口气量,不仅增加员工劳动强度,而且影响装置产烃和平稳运行。
图1 红压深冷装置工艺示意图
3.1 优化原理
根据膨胀机做功原理,通过调节J-T旁通阀,来降低膨胀机入口压力,减小膨胀机的的膨胀比,降低膨胀机出口负温;然后增大膨胀机入口导向叶片开度,提高膨胀机通气量,最大限度利用气体自身内能获取冷量,直到膨胀机出口温度达到临界值,当膨胀机导向叶片全开或机组转速达到额定值后,仍不能满足制冷需要,通过增加丙烷机负荷来提供额外冷量。
3.2 优化步骤
(1)根据C02凝析曲线及装置塔顶压力核算膨胀机出口临界温度;
(2)丙烷机空载,调整膨胀机入口压力到设定值;
(3)慢慢增加膨胀机入口导流叶片开度,直到膨胀机出口温度达到临界值,当膨胀机导向叶片全开或机组转速达到额定值后,仍不能满足制冷需要,通过增加丙烷机负荷来提供额外冷量;
(4)在上述工况下运行48小时,记录相关参数;
(5)调整设定参数,开始新一组实验,一个压力梯度为0.05MPa。
表1 优化实验数据表
在膨胀机入口压力较高时,膨胀机通气量小,做功不足,丙烷机负荷大,塔顶温度偏高;入口压力过低时,膨胀机通气量大,但制冷量小,需增加丙烷机负荷来保证塔顶温度;当入口压力控制在3.90~3.95之间时,膨胀机制冷量较大,丙烷机负荷小,装置轻烃收率较大,因此确定制冷单元操作点为膨胀机入口压力3.95 MPa,出口温度-92℃,与装置优化前工况(4.10 MPa,-92℃)进行比较。
图2 丙烷机电流及装置收率随试验压力变化趋势图
4.1 制冷量对比[2]
应用天然气临界参数经验公式、查阅气体通用焓熵图和天然气热力学性质可计算优化前后丙烷机、膨胀机及制冷机组整体的制冷量。
图3 气体通用焓熵图图
4.2 耗电量对比
由数据看出,优化后丙烷机负荷降低,丙烷机组耗电量大幅下降;同时由于膨胀机入口压力降低,压缩机出口背压减小,压缩比下降,压缩机耗电量也有所减小。其中丙烷机单耗由94.3kwh/104m3下降到78.7kwh/104m3,压缩机单耗由1060kwh/ 104m3下降到1010kwh/104m3,装置综合能耗由17.61千克标煤/吨产品下降到16.72千克标煤/吨产品。
表2 耗电对比表
4.3 轻烃收率
优化后,装置制冷深度由-83.6℃降至-87.0℃,轻烃收率可稳定在1.41~1.43之间,较优化前的1.40有小幅提升。
4.4 参数调整
优化后,机组整体制冷能力增加,丙烷机及压缩机能耗降低,装置制冷深度增加,轻烃收率增加,优化操作达到了预期目标。装置点调整为:膨胀机入口压力3.95MPa,塔顶温度-87℃。
自2014年4月份开始,将红压深冷优化成果应用在实际生产中,取得了良好效果。
(1)两套制冷机组整体制冷能力增加,提高了装置制冷深度,塔顶温度由-83.6℃降至-86.5℃,轻烃收率由1.40上升到1.42,年可增产轻625吨;
(2)丙烷机和压缩机负荷降低,年可节电185万千瓦时;
(3)膨胀机工况稳定,4~10月份未发生冻堵,年可节约甲醇10吨;
(4)丙烷机线圈温度降低,可满足夏季环境温度高、负荷率大的工况要求,提高了装置运行稳定性。
[1]苏建华许可方天然气矿场集输与处理,2004,12.
[2]李杰训田一华油气矿场加工,2013,8.
图8 蝶阀磨损对比图
参考文献:
[1]王学义,工业汽轮机技术.2011,11.
[2]王福利、田吉新、戴有恒.压缩机组,2012,04.
[3]陈允中.工业汽轮机.炼油设备工程师手册,2010,01.
刘刚,工程师,2005年毕业于中国石油学大学(北京)油气储运工程专业,现工作于大庆油田天然气开发部生产管理科,主要从事天然气管道和站场的生产管理。