MAFI-TRENCH frame 2.0型膨胀机不同处理量下的工艺优化

刘海波

(中石化西北油田分公司雅克拉采气厂，新疆 库车 842017)

雅克拉集气处理站(简称雅站)位于新疆库车县境内，于2005年11月建成投运，设计处理天然气260×104m3/d，年产凝析油17×104t、液化气5.2×104t、稳定轻烃4.9×104t，是集油气计量、天然气脱水和脱汞、制冷回收轻烃、凝析油稳定、西气东输为一体的大型综合型处理装置【1】。雅站所采用的2台美国MAFI-TRENCH frame 2.0型膨胀机于2006年9月投入运行，至今已正常运行超过12年。为保证膨胀机始终具有良好的运行效率，生产中应根据装置的不同运行状况，对影响膨胀机高效运行的各相关工艺参数进行相应的调整。

1 膨胀机所在低温制冷单元概况

在天然气加工中，为了更有效地分离甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，有效回收丙烷、丁烷，生成更多的液化气，必须对气体进行深冷加工处理。普通的冷剂冷却法只能把气体冷却到-42 ℃，即使通过节流阀进行节流制冷，由于使用J-T节流阀是等焓过程，而等焓膨胀没有对外做功，因此，气体的总能量不变，焓值也不发生变化，气体的温度也只能下降到-60 ℃，回收丙烷、丁烷的效率不高【2】。而膨胀机依据的原理是绝热等熵膨胀原理，在膨胀过程中气体的熵值不发生变化，只是焓值发生变化，焓降转化成气流的速度能，然后由叶轮转化成机械能【3】。由于等熵膨胀过程对外做功，消耗了气体的内能，因此如果采用透平膨胀机对气体进行膨胀制冷，可以获得更多的冷量，冷凝更多乙烷以下的组分，且利用透平膨胀机增压端对外做功，可以对外输的天然气进行增压【4】。

雅站低温制冷单元的作用就是利用一定的制冷技术将天然气制冷到所需的温度，将C2及其以上组分冷凝下来，为后续凝液分馏做好准备。考虑雅站原料气组分及用户需求，采用膨胀机作为低温制冷单元核心制冷设备比较合适。雅站低温制冷单元流程见图1。

雅站低温制冷单元采用美国MAFI公司生产的MAFI-TRENCH frame 2.0型膨胀机，由加拿大PROPAK公司组装成功，是中石化西北油田分公司目前投资最大、处理规模最大、自动化程度最高的膨胀机组，其设计参数见表1。

2 膨胀机在不同处理量下的工艺优化

膨胀机的实际焓降(也就是实际制冷量)与理想状态下的等熵焓降之比称为膨胀机的等熵效率【5】。透平膨胀机的效率作为其能力转换过程完善程度的指标，原则上采用等熵效率来分析。已建成的透平膨胀机效率主要取决于下述因素：流量、入口压力、入口温度、出口压力、气体组分、转速。生产中气体组分相对固定，入口压力、入口温度、出口压力的变化会在膨胀机转速、流量上体现出来。MAFI公司提供的膨胀机效率与转速、流量关系见图2。

图1 低温制冷单元流程

表1 MAFI膨胀机设计参数值

图2 膨胀机效率与转速、流量关系

由图2可知：当膨胀机转速或处理量低于正常设计值的70%时，膨胀机效率较低，在实践中，此时膨胀机防喘振阀会逐渐打开，因此膨胀机运行过程中应尽量保持膨胀机处于较高效率下运行。

2.1 膨胀机单机运行模式

根据图2和表1，当原料气气量低于96×104m3/d时，膨胀机运行效率将大幅下降，因此从西气东输外输管网新建一条干气补气①(见图1)管道(管网压力6.5 MPa)到低温制冷单元，以此增加膨胀机进气量，使膨胀机处理量处于96×104～130×104m3/d之间，此时采取膨胀机单机运行模式。在这个处理量区间要保证膨胀机高效率运行，应使膨胀机保持较高转速，可通过调整膨胀机喷嘴开度及增压端出口压力来实现，并根据干气、液化气、轻油产品组分分析报告及时调整各相关参数。具体操作措施如下：

1) 保证越站调节阀PV1203完全关闭；

2) 保证J-T节流阀PV1301完全关闭；

3) 通过调整低温制冷单元进气调节阀PV1201开度保持膨胀机入口压力不变；

4) 保持膨胀机喷嘴开度处于80%以上；

5) 保持PV1302设定压力处于较低值。

膨胀机单机运行模式时的详细工艺参数见表2。

表2 膨胀机单机运行模式时的参数

2.2 膨胀机单机与J-T阀混合制冷模式

当膨胀机进气量处于130×104～180×104m3/d时，宜采取膨胀机单机与J-T阀PV1301混合制冷模式。采取此种模式生产时，为保证装置安全平稳运行，提高装置收率，应让尽可能多的原料气通过膨胀机制冷，以期达到更高的制冷效率。在膨胀机单机与J-T阀混合制冷模式下，由于膨胀增压机组增压端的负荷为所有进入低温分离单元的原料气(膨胀机进气量与J-T 阀进气量之和)，因此会导致膨胀端进气量与增压端进气量不匹配，使得膨胀端无法为增压端提供足够的能量用于增压端增压，易造成膨胀机转速较低的现象。此时，为提高膨胀机运行效率，应降低PV1302阀前压力和增压端的出口压力，从而达到提高膨胀机转速以及提高收率的目的。具体操作措施如下:

1) 调整膨胀机喷嘴开度处于85%以上；

2) 调整J-T阀PV1301开度使越站调节阀PV1203完全关闭；

3) 调整PV1302阀前压力，保证膨胀机转速处于30 000 r/min以上。

膨胀机与J-T阀混合制冷模式时的详细工艺参数见表3。

表3 混合制冷模式时的参数

2.3 膨胀机双机运行模式

当膨胀机处理量超过180×104m3/d时，应采取膨胀机双机运行模式。雅站低温制冷单元运行初期为2台膨胀机双机并联运行，喷嘴控制模式均为气控阀自动控制，但2台膨胀机喷嘴开度互相影响，机组喷嘴自身调节较为频繁，造成机组参数频繁变动，进而导致低温制冷单元参数波动大。针对这种情况，对膨胀机喷嘴的控制模式进行了调整，将喷嘴由自动控制改为手动控制，避免了膨胀机喷嘴在自动控制模式下低温制冷单元参数波动大的现象，同时调整2台膨胀机机组的进气量，使其膨胀机处理量持平。

可通过调整膨胀机喷嘴开度及增压端出口压力来实现膨胀机处于高效率运行状态，具体操作措施如下:

1) 保证越站调节阀PV1203完全关闭；

2) 保证J-T节流阀PV1301完全关闭；

3) 调整膨胀机喷嘴开度，使2台膨胀机进气量持平；

4) 调整低温制冷单元进气调节阀PV1201开度，使膨胀机入口压力保持不变；

5) 调整PV1302阀前压力，保证膨胀机转速处于30 000 r/min以上。

膨胀机双机运行模式时的详细工艺参数见表4。

表4 膨胀机双机运行模式时的参数

3 结论与建议

总体来说，在膨胀机入口压力受装置设计工作压力所限、调节余地不大的情况下，要提高膨胀机机组的运行效率，应保持膨胀机转速及流量在较高范围内运行；同时，根据膨胀机处理气量的变化采用不同的运行模式，在考虑用户对干气外输压力、产品质量需求的前提下，将工艺参数调整至满足机组运行的最佳状态。通过膨胀机不同运行模式下的参数调整，可保持膨胀机在较高效率区间运行，使低温制冷单元温度及制冷量明显增加、重接触塔塔底产液量增大、装置丙烷及丙烷以上重组分收率明显增加，既可确保机组长期安全、平稳、高效运行，又可满足工艺生产的负荷需求，使装置整体发挥最大潜能。