天然气深冷工艺混合制冷剂配比和工况适应性优化研究

赵发军 王晓梅 赵翼

摘要：本文以长庆油田上古天然气处理总厂为例，针对运行中存在冷剂压缩机能耗过大和乙烷收率达不到设计要求的现状，进行天然气深冷工艺混合制冷剂配比和工况适应性的优化研究。本研究运用HYSYS流程模拟软件，搭建天然气深冷工艺计算模型，针对运行中出现的J－T阀模式乙烷液化、J－T阀模式乙烷外输和膨胀机乙烷外输模式三种工况核算出混合冷剂最优配比。实践表明，冷剂压缩机节约能耗大于原能耗的10%，膨胀机乙烷外输模式乙烷收率达到92.78%，满足设计收率92%的技术要求。

关键词：天然气深冷工艺；混合制冷剂；配比优化；工况适应

长庆油田上古天然气处理总厂（以下简称处理总厂）联合装置设计天然气处理负荷200×108m3/a，设置4列规模为1500×104m3/d天然气处理装置，是国内最大的大型乙烷回收工厂。装置采用“冷剂制冷+膨胀制冷+气气过冷+低温精馏”工艺回收天然气中C2+组分，精馏分离后得到贫气、乙烷、液化气、稳定轻烃等产品，年产乙烷105.27万t、液化石油气35.63万t和稳定轻烃9.3万t。

处理总厂投料试车以来，生产乙烷过程历经三种不同工况，分别对应制冷机组的三种工作状态，包括J﹣T阀模式乙烷液化、J﹣T阀模式乙烷外输和膨胀机乙烷外输模式，运行工况均大程度偏离设计“冷剂制冷+膨胀制冷”模式的技术指标。本文根据实际工况搭建系统模型，优化不同工况下的混合冷剂加注配比，合理调整混合冷剂压缩机参数和各项工艺指标，旨在提高制冷效率，确保产品收率和能耗指标达到设计标准。

一、各工况下模型的核算

处理总厂装置投产过程中参考长庆设计院提供的混合冷剂组分进行冷剂系统的冷剂补充，混合冷剂由甲烷、乙烯、丙烷、异丁烷四种组成，组分比例构成为25.77：38.94：19.69：14.6。鉴于混合冷剂制冷过程是复杂的热力学效应交互作用的结果，本研究的方法是基于长庆设计院提供的初步冷剂组分，首先确定实验影响因素及优化指标，再参考实际生产运行情况，基于主装置工艺相关设备数据、工艺流程和设计参数，利用HYSYS流程模拟软件建模，根据各列原料气组分、混合冷剂组分配比、功耗、压缩机实际工况优化调整冷剂系统各项参数、合理调整主工艺温度梯度。通过建立系统工艺计算模型，改变冷剂组分以影响冷箱的冷热换热曲线、冷箱的夹点温差，核算冷剂压缩机负荷，从而得到每种工况下混合冷剂最佳配比。

本文采用Aspen plus V11版本，根据现场工艺流程图，基于表1混合冷剂系统运行数据，在不同工况下，通过建立的工艺模型进行核算，混合冷剂压缩机和工艺参数差异较大，对J﹣T阀模式乙烷液化、J﹣T阀模式乙烷外输和膨胀机乙烷外输模式等三种工况进行模拟分析。结果表明，在不同工况下运行，混合冷剂系统所匹配的冷负荷差异较大，尤其是在J﹣T阀模式乙烷液化工况下运行，所需混合冷剂负荷最大，实际乙烷收率最低。

在三种不同工况下，优化混合冷剂系统工艺参数，确定不同模式下混合冷剂最佳配比：

（一）J﹣T阀模式乙烷液化工况

JJ﹣T阀模式乙烷液化工况运行时，以混合冷剂压缩机功率最低为优化指标，使用建立的工艺模型进行衡算。此工况下混合冷剂最佳配比为CH4 ：C2H4：C3H8 ：i－C4=25.7：37.38：17.06：19.86。此时，冷剂压缩机功耗为9260kW。

根据计算结果调整机组混合冷剂比例，实际运行工况数据如表2所示。

（二）J﹣T阀模式乙烷外输工况

J﹣T阀模式乙烷外输工况运行时，以混合冷剂压缩机功率最低为优化指标，使用建立的工艺模型进行衡算。此工况下混合冷剂最佳配比为CH4：C2H4：C3H8：i－C4=27.5：35：20：17.5。此时，冷剂压缩机功耗为8427kW。

根据计算结果调整机组混合冷剂比例，实际运行工况数据如表3所示。

（三）膨胀机乙烷外输工况

膨胀机模式乙烷外输工况运行时，以混合冷剂压缩机功率最低为优化指标，使用建立的工艺模型进行衡算。此工况下混合冷剂最佳配比为CH4：C2H4：C3H8：i－C4=28.95：34.21：13.16：23.68。此时冷剂压缩机功耗为7532kW。

根据计算结果调整机组混合冷剂比例，实际运行工况数据如表4所示。

三种运行模式下，主冷箱换热负荷情况对比如表5所示。

经对比以上三种运行工况可知，以混合冷剂压缩机功率为衡算指标，混合冷剂压缩机功率在三种运行模式中，膨胀机乙烷外输工况运行为最经济模式工况。

二、冷剂配比优化后现场应用效果

通过每种工况下主冷箱换热效率的核算，最终确定了每种工况下混合冷剂的最佳配比，并进行单列冷剂组分调整，计算乙烷收率，如表6所示。

（一）J﹣T阀模式乙烷液化工况

2021年4月1日至4月8日，B列装置开始按照确定

的混合冷剂最佳配比进行调整，乙烷气液化负荷由15.96×104Nm3/d缓慢升高至18.90×104Nm3/d后，装置液态乙烷产量由188.71t升至216.14 t，当月乙烷气日平均液化负荷为18.42×104Nm3/d，液态乙烷日平均产量为214.53t。

（二）J﹣T阀模式乙烷外输工况

2021年6月12日至6月30日，D列装置按照确定的混合冷剂最佳配比进行调整，乙烷气外输负荷由42.32×104Nm3/d缓慢升高至51.49×104Nm3/d后，乙烷外输产量由564.32t上升至686.59t，乙烷气日平均外输量为50.34×104Nm3/d，日平均产量为671.26t。

综上所述，将J﹣T阀模式乙烷液化工况和J－T阀模式乙烷外输工况，按照工艺模型核算的最优混合冷剂配比进行调整优化，合理调整混合冷剂压缩机和液烃回收装置工艺运行参数，提高了冷剂压缩机的运行效率，进一步提升了乙烷产量和收率，冷剂压缩机节约能耗大于原能耗的10%，J﹣T阀模式乙烷液化和乙烷外输工况冷剂配比调整效果如图1所示。

（三）膨胀机乙烷外输工况

自膨胀机于2021年10月15日投用后，采用模拟核算的混合冷剂配比，依次对液烃回收装置低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键工艺参数进行精细调参。低温分离器温度优化调整为﹣68.72～﹣68.01℃，过冷原料气流量优化调整为7.3817～7.6002×104Nm3/h、过冷原料气温度为﹣100.32～﹣99.78℃，回流贫气流量优化调整为5.20～5.4836×104Nm3/h，回流贫气温度为﹣98.77～﹣98.37℃。关键参数经上述优化后，装置乙烷收率提高了10%，达到92.78%，满足设计收率92%的技术要求。现将2021年12月4日至12月9日优化后的关键工艺参数对应乙烷收率统计，如表7所示。