沉降罐放空气回收工艺设计

单从云，胡茜茜

中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京100085

随着国内外石油天然气站场建设向大型化、标准化不断发展[1]，站场内设备数量增多，放空气量也随之增加，造成较为严重的资源浪费与环境污染[2]。放空气由于组成、温度、压力的不同，常采用不同的回收技术，常见的有原料型回收与燃料型回收[3-4]。原料型回收是将放空气中的有用成分回收作为生产用原料，适用于放空气中存在个别组分含量高的情况，采用压缩、膜吸附、深冷分离工艺提取原料组分，但要综合考虑工艺可行性与经济合理性[5]。燃料型回收是将放空气经过一系列处理后，并入燃料气系统，这种情况通常适用于燃料气供应不便的地区，并且放空气组分复杂，很难提取某一组分[6]。目前，对于LNG站场BOG回收[7-9]、采气井放空气回收[10-13]、石油化工放空火炬气回收[14-17]都采用燃料型回收工艺，技术较为成熟。

沉降罐作为原油产出水处理的核心设备[18-19]，产生的放空气具有压力低、温度高、气量大、含水量高等特点，常造成低压火炬系统负荷大、操作不稳定，同时也造成放空气中轻组分的浪费与环境污染。对于沉降罐放空气回收技术尚未检索到公开发表的论文，本文根据沉降罐放空气组成和特点，提出回收工艺。

1 沉降罐放空气回收工艺

1.1 方案选择

以某脱气站沉降罐为例，其夏季放空气物理性质与组成如表1、表2所示。根据表1、表2的相关数据可知，放空气压力接近常压，温度高，组成复杂，酸性气含量高，含水量高。考虑到脱气站与附近气体联合站的地理位置关系，该气体联合站内燃料气采取自供应，因此采用燃料型回收较为合理。通过脱除放空气所含的部分水和重烃，处理后的气体外输至气体联合站，经过闪蒸脱硫后输至燃料气系统。

表1 放空气流量与物理性质

表2 放空气组成

1.2 主要设备选型

由于气体外输的要求，必须对放空气进行增压，考虑到放空气的特性，选择以液环压缩机作为核心动力设备，且液环压缩机对气体入口温度和流量变化不敏感、操作灵活、可调节性好[20]，相比火炬气回收中常用的螺杆压缩机，液环压缩机采取无油压缩，不会污染介质，压缩机部件少、结构简单、维护方便[21]。除此以外还需要冷却器、分离器组成放空气回收机组。放空气需要脱除水分，因此液环压缩机可采用水作为工作介质，工作介质在液环压缩机运行时形成液环，在此过程中，压缩产生的热以及被压缩气体带入的热量被工作介质吸收，使压缩过程接近于等温[22]。以水作为工作介质，还可以对压缩气体中的水汽起到一定的洗涤作用。压缩机出口需采用冷却设备进行冷却，一方面使放空气达到分离器操作温度，从而进行脱水脱烃；另一方面冷却工作介质，使工作介质返回到液环压缩机内部循环使用。鉴于站场所在地冷却水不易获得，因此采用空冷器作为冷却设备。分离器采用三相分离器，把分离出来的水作为工作介质进行内部循环。考虑到放空气中含有硫化氢，为缓解硫腐蚀问题，压缩机、空冷器、分离器主材均采用ALLOY 825合金。

1.3 回收工艺

通过对主要设备选型，设计了液环压缩机组回收沉降罐放空气工艺，如图1所示，其中S1～S11表示流股。

图1 液环压缩机组回收沉降罐放空气工艺流程

来自沉降罐放空气与循环气合并后进入到液环压缩机入口，在开工初期采用系统补水作为工作介质，待压缩机出口压力和分离器水界面稳定后，关闭系统补水阀门，利用分离器产出水作为压缩机工作介质。放空气经过压缩后，进入空冷器冷却，冷却后的气体进入三相分离器进行油、气、水分离，在分离器入口分流器处把混合物大致分成气液两相，分离出的气相作为循环气返回压缩机入口保证入口压力稳定，液相沉降到液相分离侧，部分水和油自由分层，油漫过挡板进入盛油侧，水作为工作介质返回到液环压缩机继续使用，油相进入闭排系统。

2 模拟计算与结果分析

利用Aspen HYSYS软件，假定放空气处理量不变，在保证液环压缩机压缩比不变的前提下，针对夏季、冬季以及夏季停工全循环三种工况进行稳态模拟计算。其中夏季环境温度取55℃，冬季环境温度取4℃，采用Peng-Robinson状态方程，计算放空气回收率、脱水率、轻组分回收率：

式中：R为放空气回收率；ηH2O为放空气脱水率；RHC为轻组分回收率；mS6、mS1为S6、S1流股摩尔流量，kmol/h；ηS6、ηS1为 S6、S1流股含水率；准S6、准S1为S6、S1流股轻组分含量。这里的轻组分是指C1～C5组分。

2.1 夏季工况

针对夏季工况，通过模拟计算，得到各流股参数如表3所示，各流股组分如表4所示。

表3 夏季工况各流股参数

表4 夏季工况S1、S6流股组成摩尔分数

根据表3、4的结果，代入式 （1）、 （2）、（3），得到夏季工况放空气回收率R为64.3%，放空气脱水率ηH2O为 94%，轻组分回收率 RHC为97.8%。

根据能量守恒原理，得到压缩机轴功率WS与空冷器热负荷Q计算式（4）、（5）：

式中：WS为轴功率，kW；η为效率，对于单级双吸式液环压缩机[23]， 取 0.79； MS3、 MS2、 MS9、 MS4为S3、 S2、 S9、 S4流 股质 量 流 量 ， kg/h； hS3、 hS2、hS9、 hS4为 S3、 S2、 S9、 S4流股比焓， kJ/kg； Q 为空冷器热负荷，kJ。

将表3参数代入式（4）、 （5），得到夏季工况下压缩机轴功率为291 kW，空冷器热负荷为453 kW，作为压缩机和空冷器的设计输入条件。

2.2 冬季工况

针对冬季工况，通过模拟计算，得到各流股参数如表5所示，各流股组分如表6所示。

表5 冬季工况各流股参数

表6 冬季工况S1、S6流股组成摩尔分数

将表5、 表6参数代入式 （1） 、（ 2） 、（ 3） ， 得到冬季工况放空气回收率R为94%，放空气脱水率ηH2O为92.8%，轻组分回收率RHC为95.4%。

2.3 夏季停工全循环工况

夏季停工全循环工况指进气量、外输量均为0，S9流股流量不变，压缩机压缩比不变，旁路循环阀全开，系统内部实现气体全循环，通过模拟计算，得到各流股参数如表7所示。

表7 夏季停工全循环工况各流股参数

分析压缩机出口气体的温升情况、压缩机轴功率和空冷器热负荷。以S3流股为例，S3流股温度为68.9℃，没有超过夏季正常工况出口温度81.9℃；质量流量为21 621.64 kg/h，比焓为297.17 kJ/kg，代入式（4） 求得压缩机轴功率为290 kW，小于夏季正常工况压缩机轴功率291 kW；代入式（5）求得空冷器热负荷为230 kW，小于夏季正常工况空冷器热负荷453 kW。

3 结论

通过对沉降罐放空气组成、温度、压力的分析，采用燃料型回收工艺，利用液环压缩机机组回收放空气，通过Aspen HYSYS软件进行稳态模拟计算。模拟计算结果表明，夏季工况放空气回收率为64.3%，脱水率为94%，轻组分回收率为97.8%；冬季工况放空气回收率为94%，脱水率为92.8%，轻组分回收率为95.4%。该回收工艺流程简单，设备数量少，实现了放空气资源回收利用，脱水率和轻组分回收率满足气体外输要求。夏季停工全循环工况下压缩机出口温度、压缩机轴功率、空冷器热负荷均小于夏季正常工况，没有造成系统能耗增加。