1、第 50 卷 第 3 期2023 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:杨冬磊,周卫军,骆兴龙,等.基于高级分析的富气乙烷回收工艺改进J.北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):49-58.YANG DongLei,ZHOU WeiJun,LUO XingLong,et al.Improvement of the rich gas ethane recovery process based on advance
2、dexergy analysisJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2023,50(3):49-58.基于高级分析的富气乙烷回收工艺改进杨冬磊1摇 周卫军1摇 骆兴龙1摇 张朋岗1摇 李乐乐1摇 胡成星2摇 马亦德1摇 易摇 驰1摇 梁士佳1摇 熊摇 悦1(塔里木油田 1.油气运销部;2.产能建设事业部,库尔勒摇 841000)摘摇 要:针对国内新开发的中高压富气板块原料气工况条件,发现部分干气循环(recycle split vapor process,RSV)工艺在进行乙烷回收时存在
3、能耗高及效率低的问题。采用常规及高级方法对 RSV 工艺进行计算,找出原料气预冷冷箱、外输气压缩机、透平膨胀机膨胀段、丙烷制冷循环二级压缩机、脱甲烷塔、外输气空冷器等 6 个损较高的关键设备,分析产生各设备损的主要原因。然后以降低外输干气回流比、降低丙烷循环量作为改进方向,提出采用两级分离、增加冷流方式的部分干气再循环(recycle split vapor with liquid flashing process,RWLF)工艺,与RSV 工艺对比发现 RWLF 工艺总压缩功耗及损分别降低了 6郾 1%、9郾 34%,效率提高了 23郾 23%。以上结果表明高级分析法可用于乙烷回收工艺优化,
4、为现场乙烷回收工艺优化提供新思路。关键词:富气;乙烷回收;高级;损;工艺优化中图分类号:TE646摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2023.03.006收稿日期:2022-03-10第一作者:男,1992 年生,工程师E鄄mail:1292382876 引摇 言为降低天然气凝液回收装置能耗、提高回收率及经济效益,需针对天然气凝液回收工艺进行优化,优化方法分直接优化法和间接优化法两类。其中直接优化法中常用的是响应面优化法和遗传算法。分析方法是间接优化法的一种。采用常规分析方法来评价流程,可以计算设备的损、效率,提出流程的改进方向,而在常规分析方法基础上发展起来的高级分析方法能
5、够明确损产生的原因并量化设备改进潜力。因此,分析方法不仅可以实现参数优化,也可以对流程本身进行改进,极大地挖掘了工艺的优化潜力。Mehrpooya 等1将已建的乙烷回收装置的年利润作为优化目标,采用可变种群规模的遗传算法(VPGA)进行优化,优化后利润增长了 2郾 2%。可见采用遗传算法能够优化乙烷回收工艺参数,但当乙烷回收工艺较为复杂、单体设备较多时内嵌算法的Aspen HYSYS 存在难以收敛的问题。刘祎飞2以降低 部 分 干 气 循 环(recycle split vapor process,RSV)乙烷回收工艺能耗、提高乙烷收率为目标,采用单因素法确定了影响能耗和回收率的 4 个关键工
6、艺,依照模拟数据及实验方案建立相应的响应面模型,经过最终优化乙烷回收率由 90郾 15%增 至95郾 03%,装置能耗降低了 9郾 1%,节能效果显著。响应曲面优化法虽然可以量化工艺参数间交互作用对目标值的影响程度,但存在试验方案选择难度大、计算量大、仅停留在参数优化但未考虑设备本身改进潜力的问题。Yoon 等3运用 Unisim 软件对气相过冷工艺(GSP)、RSV、冷渣气回收(CRR)乙烷回收工艺进行模拟,并采用常规分析方法对工艺参数进行优化,发现:淤在贫气条件下,GSP 工艺通过降低低温分离器气相分流比使得总损降低了 12%;于在贫气条件下,RSV 工艺和 CRR 工艺通过提高低温分离器
7、温度使得总损均降低了 12%,结果显示出分析在乙烷回收优化设计中的巨大优势。杨雨林等4针对油田伴生气乙烷回收提出两种带不同制冷循环的高效流程并进行能耗分析与分析,结果显示在乙烷回收率相同的情况下,带自冷循环的流程比带丙烷制冷的流程能耗降低 15郾 3%,两种流程的原料气预冷冷箱、制冷系统二级压缩机、外输气压缩机 3 种设备的总损占各自工艺总损量的比例超过76%。可见采用常规分析法优化乙烷回收工艺,能够从设备本身角度优化工艺参数,但无法量化设备改进潜力。马国光等5采用高级方法对大连液化天然气(LNG)接收站进行研究,得出各设备的 4 类损分布情况及产生原因并提出优化方案,结果显示所有压缩机以及部
8、分换热器的可避免的内源性损占比最大,优化后装置能耗降低了 6郾 6%,能量利用率提高了 28郾 891%,高级分析法在天然气液化工艺参数优化上得到成功应用。鉴于高级分析法在乙烷回收工艺中应用较少的现状,本文采用高级分析法对 RSV 工艺进行优化,通过量化乙烷回收工艺中各关键设备间损的影响程度及自身的改进潜力,提出优化带闪蒸的部分干气再 循 环(recycle split vapor with liquid flashingprocess,RWLF)工艺,为乙烷回收工艺优化提供一种新方向。1摇 RSV 乙烷回收流程RSV 工艺以气相过冷工艺为基础,将部分外输干气(物流榆,见图 1,下同)取代低温
9、分离器气相作为塔顶回流,再经过冷冷箱降温后节流闪蒸进入塔顶部,部分低温分离器气相(物流虞)经过冷冷箱降温后节流闪蒸进入塔上部。RSV 工艺的Aspen HYSYS 模型见图 1。LNG鄄201原料气预冷冷箱;LNG鄄202过冷冷箱;LNG鄄203丙烷预冷冷箱;K鄄201透平膨胀机膨胀段;K鄄202透平膨胀机压缩段;K鄄203外输气压缩机;K鄄401丙烷制冷循环一级压缩机;K鄄402丙烷制冷循环二级压缩机;E鄄201外输气水冷器;E鄄401热丙烷水冷器;AC鄄201外输气空冷器;V鄄201、V鄄401、V鄄402、V鄄403气液分离器;VLV鄄201、VLV鄄202、VLV鄄203、VLV鄄20
10、4、VLV鄄301、VLV鄄401、VLV鄄402节流截止阀;AC鄄401热丙烷空冷器;T鄄201脱甲烷塔;T鄄301脱乙烷塔;P鄄301、P鄄401泵。图 1摇 RSV 工艺 HYSYS 模型图Fig.1摇 HYSYS model diagram of the RSV process摇05北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2023 年摇 摇 RSV 工艺具有如下特点:淤外输干气中甲烷含量高,将其作为塔顶回流提升了对塔上部气相的精馏作用;于对原料气气质及处理量适应性强,仅通过调节外输气回流比就可维持较高的乙烷回收率,但会引起主体装置能耗的增加
11、;盂易于改造,取消外输干气回流就可转换为气相过冷工艺。2摇 能耗及常规分析本文参照常用的气质贫富划分标准,即规定GPM 值大于 2郾 5 是富气,GPM 值小于等于 2郾 5 是贫气6-7,其中 GPM 值是指每千标准立方英尺气体(15郾 5 益,101郾 325 kPa)中可回收的液烃体积(以加仑计),可用来衡量天然气气质的贫富。本文选取的典型富气气质组分见表 1。使用 Aspen HYSYS 软件对乙烷回收工艺进行模拟分析,流程采用丙烷制冷与膨胀机联合制冷工艺,气液平衡模型选用 Peng鄄Robinson方程,模拟过程中基础参数具体如下:脱甲烷、乙烷塔压差均取 50 kPa,理论塔板数分别
12、取 23、24,膨胀机等熵效率及压缩机绝热效率分别取 85%、75%;采用两级丙烷制冷对原料气和脱乙烷塔顶气供冷,其中原料气预冷所需的温位为-37郾 28 益 及-14郾 12 益两个低温位,所对应的蒸发压力分别为125 kPa、300 kPa。原料气 GPM 为6郾 21,压力6 MPa,温度45 益,处理规模500 伊104m3/d,外输干气压力与温度分别为6郾 2 MPa、40 益。表 1摇 原料气组成Table 1摇 Composition of the feed gas组分体积分数/%N23郾 164 5CO20郾 434 7C174郾 265 7C212郾 404 9C36郾 33
13、8 9iC41郾 366 5组分体积分数/%nC41郾 150 3iC50郾 277 5nC50郾 225 6C60郾 140 4C+70郾 126 4摇 摇 控制指标如下:冷箱夹点大于等于 3郾 5,乙烷产品中甲烷组分质量分数小于 1%。RSV 工艺总压缩功耗见表 2。摇 摇 由表 2 可知,当原料气气质较富时,原料气冷凝率过高使得膨胀机进气量降低,膨胀制冷量减少,导致丙烷制冷功率的增加;同时,还引起甲烷组分过度冷凝,导致脱甲烷塔第二股进料(物流虞)甲烷含量表 2摇 RSV 乙烷回收工艺模拟结果Table 2摇 Simulation results of the RSV ethanereco
14、very process参数数值外输干气回流比/%17低温分离器温度/益-43气相分流比/%17郾 3膨胀机出口压力/MPa2郾 8温度/益-73郾 5脱甲烷塔压力/MPa2郾 7塔顶温度/益-95郾 81脱甲烷塔第二股进料 CH4含量(摩尔分数)/%71郾 5CO2最低冻堵裕量/益17郾 09外输压缩机功率/kW6 214郾 9丙烷制冷循环压缩功率/kW3 933郾 2总轴功率/kW10 148郾 1乙烷回收率/%93丙烷回收率/%99郾 92较低(摩尔分数 71郾 5%),影响了该股进料的气化制冷效果,需要增加外输干气回流比来保证较高的乙烷回收率,从而使得外输压缩机功耗及总压缩功耗过高。本
15、文采用灰箱模型进行系统分析,在计算物流损时仅考虑物理与化学,具体如式(1)所示,且将环境基准态设为 101郾 325 kPa,298郾 15 K。乙烷回收流程中诸如冷箱、塔器、压缩机等单体设备的损和效率计算公式见表 38-9,计算结果如表 4、图 2 所示。etotx=ephx+echx(1)式中,etotx为物流 x 总,kJ/kg;ephx为物流 x 物理,kJ/kg;echx为物流 x 化学,kJ/kg。由表 4、图 2 可知,RSV 流程总损和效率分别为 10 524郾 9 kW、19郾 8%,流程中塔器的总损占流程损的比例最大,为 35郾 97%,压缩机及膨胀机、空冷器、冷箱次之。除
16、节流阀外,损占比较大的主要设备依次为 T鄄301 K鄄203 AC鄄201 LNG鄄201 T鄄201 K鄄402 LNG鄄202=AC鄄401 K鄄201 K鄄202,其中 T鄄301损较大且效率低。3摇 高级分析采用常规分析仅能得到各工艺设备的损、15第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨冬磊等:基于高级分析的富气乙烷回收工艺改进摇 摇表 3摇 各设备损及效率计算公式Table 3摇 Calculation formulae for exergy loss and efficiency of each equipment item设备损计算公式效率计算公式节流阀IVLV=Exi-Exo=移(m e)i-移(m e)o浊VLV=e驻To-e驻Tie驻Pi-e驻Po换热器ILNG=Exi-Exo=移(m e)i-移(m e)o浊LNG=1-移(m驻e)移(m驻h)h-移(m驻e)移(m驻h)c空冷器IAC=Exi-Exo=移(m e)i+eai+WAC-移(m e)o-eao浊AC=ex移(me)i-移(me)o+WAC膨胀机IK=Exi-Exo=移(m e)
