基于分析方法的天然气脱氮工艺优化

2020-05-25 16:32常小虎姚丽蓉钟荣强靳永红尹晨阳

天然气化工—C1化学与化工 2020年2期

叶帆，常小虎，姚丽蓉，钟荣强，靳永红，尹晨阳

(1.中国石化西北油田分公司中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500)

目前，对于含氮天然气脱氮的处理通常采用深冷液化脱氮工艺[1-3]。而对于塔河油田高含氮天然气处理的目的是使其高热值达到GB 17820-2018中二类天然气31.4MJ/m3的标准，并不要求生产LNG产品，LNG气化携带有大量的高品位冷量，约830～869MJ/t[4]，若充分利用这部分冷量不仅可以降低运行能耗，还可节省冷能用户的设备成本。目前，LNG冷能的利用技术主要有空气分离、低温发电、海水淡化、空调制冷等[5-8]。而在天然气处理工艺方面，将这部分冷量用于空分工艺是目前最为合理的利用方式[9,10]。因此，可对这部分LNG冷能进行回收，达到冷能的循环利用，降低工艺能耗，节省运行成本。故针对塔河油田高含氮天然气的特点，提出膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺。并对膨胀制冷高含氮天然气处理工艺建立分析模型，分析工艺中各设备损情况，找出产生损的主要设备，并对工艺进行改进，以提高效率。

1 工艺流程模拟

塔河油田天然气具有含氮量高、处理量大的特点。经联合站处理后的含氮天然气，进入脱氮制冷单元的进料气处理量为24×104m3/d，摩尔流量约为400kmol/h，压力为650kPa，温度为27℃，进料气组成见表1。

表1 进料气组成

产品气质量要求为N2摩尔分数达到20%以下，产品气回收率达到90%。产品气出口压力要求为850kPa。

图1 膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺

膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺（图1）主要包括天然气液化部分和LNG辅助制冷部分。

天然气液化部分：进料气经压缩机增压、水冷器冷却后，依次进入冷箱1、冷箱2和冷箱3，与经分离单元分离后的气相物流和液相物流换热，最后经节流降温后达到所需温度，进入多级分离单元。

LNG辅助制冷部分：冷却后的进料气经多级分离单元分离后分为气液两相，气相经透平膨胀机膨胀后依次进入冷箱3和冷箱1，为冷却进料气提供冷量，换热后成为常温下纯度较高的N2；液相经低温泵增压后通过冷箱1，为冷却进料气供冷量，液相经换热后成为常温下满足热值要求的天然气产品。

基于本流程的HYSYS模拟制冷工艺主要指标见表2。

表2 膨胀制冷+LNG辅助制冷工艺主要指标

设备在实际运行过程中存在着能量转换和能量传递，包括设备与外界之间的的转换和设备内部的耗散。在进行分析时，通常用流线表示交换的方向，用损来表示耗散的大小，并以此建立分析热力学模型。目前，分析模型可分为黑箱模型、白箱模型和灰箱模型三种。本文在对高含氮天然气膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺进行分析时，主要是为了研究设备的能量利用情况和LNG冷能利用情况，并不深究设备内部能量过程，因此，本文选择灰箱模型对工艺进行分析，且将系统中各设备视为黑箱。

（1）黑箱模型

图2 分析黑箱模型

（2）灰箱模型

图3 分析灰箱模型

2.2 模型假设及环境基准态选取

针对本文所研究高含氮天然气膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺，在建立相关设备计算模型时，作出以下假设：

（2）工艺中设备布置紧密，设备间管道很短，忽略设备间管道与环境换热产生的损；

（3）忽略所有热泄露损失。

本文在进行分析时，环境基准态选取为P0=101.325kPa，T0=293.15K。

2.3 工艺分析

表3 主要物流值

图4 膨胀制冷+LNG辅助制冷多级分离工艺分析流程图

图5 各设备损

图6 各设备损占设备总损比例

图7 各设备效率

3 工艺优化

3.1 工艺优化方案

图8 进料气入口两级增压方案HYSYS模型

3.2 最优中间压力确定

由于进料气进入入口压缩机1时，压力650kPa，在入口压缩机2出口需增压至2000kPa，因此入口压缩机1出口压力直接影响入口压缩机1和入口压缩机2的增压比。根据HYSYS计算结果，中间压力（即入口压缩机1出口压力）对压缩单元（入口压缩机1、水冷器1、入口压缩机2、水冷器2）总损及总效率影响如图9所示，中间压力对压缩单元能耗影响、压缩机增压比影响和压缩机损及效率影响分别如图10、图11和图12所示。