上海天然气处理厂C3回收工艺优化研究
Outline:
高超
,
刘胜国
收稿日期：2014-03-04
作者简介：高超(1985-), 男, 上海人, 祖籍山东, 2009年毕业于华东理工大学化学工程专业, 硕士, 上海石油天然气有限公司中级工程师。主要从事天然气处理方面的工作。E-mail:
gaoc@shpc.com.cn。地址:(200030)上海市零陵路583号1606室.
摘要：利用HYSYS模拟软件对上海天然气处理厂C3回收工艺进行优化。在不同压力下考察了B物流去冷箱比例、脱甲烷塔塔底再沸器热负荷、丙烷制冷负荷对C3收率及能耗的影响，优化了工艺条件。结果表明，在进气温度为20℃、处理量为100×104 m3/d的工况下，压力为4 500 kPa时，应关闭B物流旁通，降低脱甲烷塔再沸器热负荷至125.98 kW。此时，C3收率可提高至97.4%左右；压力为4 000 kPa时，B物流旁通应全部关闭，适宜的脱甲烷塔再沸器的热负荷为61 kW。此时，C3收率为90.2%左右；当压力降至3 600 kPa时，B物流旁通应全部关闭，适宜的脱甲烷塔再沸器的热负荷为55 kW，丙烷机制冷负荷为33%。此时，系统C3收率可达到81.56%左右。
Optimization research on C3 recovery process of Shanghai natural gas processing plant
Outline:
Gao Chao
,
Liu Shengguo
Shanghai Natural Gas Processing Plant, Shanghai 200030, China
Abstract: The C3 recovery process of Shanghai natural gas processing plant was optimized by using HYSYS software. The effects of the proportion of feed B to the chiller, heat load of demethanizer reboiler and refrigeration load of propane compressor on C3 yield were systematically studied under different pressure. The results show that when the feed gas temperature is 20℃, processing capacity is 1 000×103 m3/d, and pressure is 4 500 kPa, the by-pass valve of feed B should be closed completely, and the heat load of demethanizer reboiler is reduced to 125.98 kW, thereby the yield of C3 is up to about 97.4%;when the pressure is 4 000 kPa, by-pass valve of feed B should be closed completely, suitable heat load of demethanizer reboiler is 61 kW, thus, the C3 yield reaches about 90.2%; when the pressure is 3 600 kPa, the suitable heat load of demethanizer reboiler is 55 kW, by-pass valve of feed B should be closed completely too, the refrigeration load of propane compressor is 33%, and the C3 yield is about 81.56%.
东海平湖油气田是我国东海海域第一个正式投入开发的油气田[1]，上海天然气处理厂是东海平湖油气田的重要组成部分。它将平湖海上生产平台管输过来的天然气进行加工，生产出合格的干气供上海浦东居民燃气使用[2]，并回收液化气、戊烷和稳定轻烃等副产品。随着油气田开采到后期，平台供气压力逐年下降，处理厂膨胀机效率随之下降，导致C3收率不断降低。为了在不断下降的供气压力下，依然取得较高的C3收率，本研究利用HYSYS模拟软件对上海天然气处理厂一期C3回收工艺进行优化，分析了影响C3收率的因素。在不进行设备更换和工艺改造，且外输压力保持不变的情况下，确定了不同进气压力下提高C3收率的工艺参数。
1 工艺流程简述及调优分析
整套生产装置一期的流程如图 1所示。其中，处理厂的核心工艺设备如图 2所示，主要包括膨胀制冷单元(冷箱HE-260、膨胀压缩机E-268/C-269)、脱甲烷塔PV-264、脱乙烷塔PV-290及丙烷制冷单元等[4]。处理厂以提高C3收率为调优目标，但过分追求高收率会加大丙烷辅助制冷负荷，增加能耗。故要对影响C3收率的主要参数和能耗情况综合考察。
由图 2可见，冷箱HE-260内有三股物流进行换热，其中A股为天然气进料，A股出口温度越低，C3收率越高。A股出口温度主要受到B、C物流热量的影响。其中，B物流的热量由其去冷箱的旁通阀开度以及脱甲烷塔塔底再沸器HE-262的热负荷来控制。C物流的热量主要由HE-263、HE-267换热器出口温度控制，而HE-263换热器跟脱甲烷塔塔顶物流换热，不能作为调节手段，故C物流热量控制主要由丙烷辅助制冷部分提供冷量，控制HE-267出口温度来实现。
其中值得注意的是，PV-261的材料为碳钢，不能低于-43 ℃，故A股出口温度基本固定在-39 ℃以上。当PV-261操作温度低于-39 ℃时，系统将自动旁通冷箱B物流；DCS设定PV-261低于-43 ℃时，温度开关低低报警连锁将导致全厂停车。
由此可见，在外输压力保持不变的情况下，影响C3收率的可控制参数为脱甲烷塔再沸器的热负荷、丙烷制冷负荷(丙烷蒸发器HE267的出口温度)、B物料去冷箱比例。
2 研究方法及内容
通过采集、筛选稳定、准确的一期生产装置工艺数据，利用AspenTech公司的Aspen HYSYS流程模拟软件，对上海天然气处理厂一期装置进行了全流程生产过程的稳态模型开发。HYSYS中的属性包(Property Package)可以预测混合物的属性，从轻烃系统到复杂的油气混合物和高度非理想(非电解质)化学系统都包括在其中。此次天然气处理厂工艺模拟采用PR (Peng-Robinson)属性包。Peng-Robinson开发了以体积三次方表示的一个新的两参数状态方程，力图使模型参数可用Pc和偏心因子(∞)表示，方程适用于油气加工中流体性质的计算。同时，HYSYS对PR状态方程进行了改进，拟合了不同烃类从正常沸点至临界点之间的蒸汽压数据，计算各种烃类系统时具有较高的有效性和可靠性，能处理油、气、水组成的三相系统[3]。
通过建模并初步模拟，与实际结果对比，证明模拟结果与实际相符。由此认为，该计算方法可靠，模型准确。故用此模型进行了提高系统C3收率的工艺优化研究。
在天然气进厂温度为20 ℃，处理量为100×104 m3/d，进厂压力分别为4 500 kPa、4 000 kPa和3 600 kPa，外输压力为2 000 kPa的条件下，即冷量相对过剩、冷量相对不富裕、冷量相对不足的情况下，分别考察了B物流去冷箱比例、HE-262的热负荷、HE-267出口温度对C3收率、丙烷压缩机的负载、A股出口温度及燃料气消耗等系统工艺参数的影响；并结合具体的工况，给出了相应的调优建议，使系统C3收率尽可能高，丙烷压缩机的负载及天然气能耗尽可能低。
3 结果与讨论
3.1 系统冷量相对富裕条件下
3.1.1 B物料去冷箱比例对一期主要工艺参数的影响
为考察B物流去冷箱比例对C3收率、丙烷压缩机的负载及燃料气消耗、A股出口温度等工艺参数的影响，在天然气进厂温度为20 ℃，处理量为100×104 m3/d，进厂压力为4 500 kPa，外输压力为2 000 kPa的条件下，假定脱甲烷塔再沸器HE-262、膨胀机C-269、丙烷蒸发器HE-267出口温度、出口压力不变的情况下，通过控制B物流旁通阀开度，使B物流去冷箱比例从0.6到1范围内变化，结果如表 1所示。
表 1
表 1 B物流去冷箱比例对一期主要工艺参数的影响
Table 1 Influence of the proportion of feed B to chiller on main process parameters
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表 1 B物流去冷箱比例对一期主要工艺参数的影响
Table 1 Influence of the proportion of feed B to chiller on main process parameters
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由表 1可知，在其他条件不变的情况下，B物流去冷箱比例在0.6~1内变化时，丙烷机的负载从49.3%增加到50.7%，燃料气消耗从5 544 m3/d增长到5 565 m3/d, 系统C3收率从95.7%上升到96.6%，B物流提供给A物流更多冷量，使A物流出口温度下降，这是C3收率提高的主要原因。并且低温分离器没有到达报警温度，C3收率有将近1%的涨幅，丙烷机负载、系统燃料消耗波动较小，系统能耗基本与变化前持平，效益比较明显。故建议在目前冷量富裕的条件下尽可能关闭B物流旁通开度，在系统能耗没有增加的前提下提高C3收率。
3.1.2 HE-262热负荷对系统关键工艺参数的影响
在3.1.1节的条件下，把B物流旁通阀全关，通过工程模拟使HE-262热负荷在206~86 kW之间变化，考察了HE-262的热负荷变化对HE-262出口温度、系统C3收率、丙烷压缩机的负载、燃料气消耗和A股出口温度的影响，结果如表 2所示。
表 2
表 2 HE-262热负荷对一期系统主要工艺参数的影响
Table 2 Influence of the heat load of HE-262 on main process parameters
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表 2 HE-262热负荷对一期系统主要工艺参数的影响
Table 2 Influence of the heat load of HE-262 on main process parameters
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由表 2可知，当HE-262热负荷从206 kW降到86 kW，相应的HE-262出口温度从9 ℃到1.29 ℃变化时，由于HE-267出口温度维持不变，所以丙烷机的负载基本没有变化。因HE-262热负荷降低，系统的燃料气消耗从5 564 m3/d降到5 400 m3/d, PV-264塔顶干气中的C3流量下降，塔底温度下降，流量大幅增加，脱乙烷塔进料轻组分C2增加。当增加到一定程度，为了保证脱乙烷塔控制指标，尽可能不要把C2带到液化气中，影响液化气质量。丙烷机的负载先降低再增加，塔底再沸量也相应地增加，故燃料气在后面下降缓慢。一期系统C3收率从96.6%升到97.6%，提高了1%，可见在丙烷制冷系统维持不变的情况下，减少HE-262再沸量即减小燃煤油负荷，对一期整个工艺系统C3收率影响较大，并降低了系统燃料气的消耗。但由于低温分离器的温度不能低于-39 ℃，从表 2可以看出，当HE-262再沸负荷为125.98 kW，也就是HE-262出口温度为4.7 ℃时，低温分离器PV-261温度(A出口温度)达到-39 ℃上线值，此时系统C3收率为97.4%。如果继续降低HE-262负荷，低温分离器PV-261达到低温报警温度，必须通过开大B股旁通，减少B物流去冷箱冷量，使得A股出口温度升高，远离低温报警温度，但同时系统C3收率会有所下降。综上考虑可以得出，在目前的操作条件下，可以降低HE-262再沸负荷，降低系统能耗，HE-262出口温度控制在1~2 ℃范围内，注意低温分离器PV-261温度变化，但HE-262再沸器不能停用，否则对设备材料有损坏，对后续分离脱乙烷塔装置等造成负面影响。
3.2 系统冷量相对不富裕时
3.2.1 两种工况下的主要工艺参数对比
保持天然气进厂温度为20 ℃，处理量为100×104 m3/d不变，当上游海上平台供气压力不断下降，到达天然气处理厂进厂压力从4 500 kPa下降到4 000 kPa时，因膨胀压缩比下降，膨胀机效率下降，膨胀后温度比基础工况有所上升，在保持HE-267出口温度不变，脱甲烷塔塔底再沸量以及天然气出厂压力不变的条件下，系统C3收率会有一定幅度的下降，此时初步建议将B物流全去冷箱提供冷量，旁通全关，尽量给系统提供冷量，降低A股冷箱出口物流温度，具体模拟结果见表 3。
表 3
表 3 一期4 500 kPa与4 000 kPa工况下主要工艺参数对比
Table 3 Contrast of the main process parameters at 4 500 kPa and 4 000 kPa
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表 3 一期4 500 kPa与4 000 kPa工况下主要工艺参数对比
Table 3 Contrast of the main process parameters at 4 500 kPa and 4 000 kPa
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通过模拟发现，在其他条件不变的情况下，系统C3收率下降到89%，膨胀机出口温度上升到-73.8 ℃，丙烷制冷部分负载下降到40.5%，A物流出口温度为-38.8 ℃，一期系统工艺燃料气的消耗下降到5 006 m3/d，干气量上升，液化气量下降。
3.2.2 HE-262热负荷对系统关键工艺参数的影响
由表 3得知，供气压力下降，C3收率将降低；由3.1节可知，提高B股去冷箱比例，降低脱甲烷塔塔底再沸器HE-262的热负荷可提高C3收率。为选择此工况下合适的HE-262热负荷，设定丙烷负载基本不变，即HE-267出口温度维持在-0.4 ℃时，关闭B物流旁通，通过工艺流程模拟改变HE-262负荷从101.8 kW到21.8 kW，即出口温度在9 ~4 ℃间变化，考察其对整个系统生产操作的影响，结果如表 4所示。
表 4
表 4 H-E262热负荷对一期主要工艺参数的影响
Table 4 Influence of the heat load of HE-262 on main process parameters
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表 4 H-E262热负荷对一期主要工艺参数的影响
Table 4 Influence of the heat load of HE-262 on main process parameters
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由表 4可知，HE262热负荷从101 kW到21 kW变化时，丙烷机的负载基本维持不变，系统燃料气消耗从5 006 m3/d下降到4 905 m3/d, 系统C3收率从89%上升到92.2%，有3.2%的涨幅，变化幅度很大，燃料气的消耗降低了101 m3/d，系统整体能耗降低。但从结果中发现，当HE-262的热负荷小于61 kW时，低温分离器PV-261的温度已小于报警温度-39.5 ℃，如果继续减少，HE-262的热负荷就超过了PV-291的承受能力，系统会自动打开副线保护，这样再增加丙烷制冷部分负荷也不会增加C3收率。综上所述，在目前冷量相对不富裕的操作条件下，要想提高C3收率，还要兼顾设备条件的限制，HE-262的热负荷最好控制在61 kW，HE-262出口温度控制在6~7 ℃，这时系统C3收率能增加将近2%左右，此时丙烷制冷部分不要开大，系统能耗还可降低。
3.2.3 丙烷制冷负荷对系统的关键工艺参数的影响
在系统冷量相对不足的情况下，可以加大丙烷制冷的负荷，降低HE-267出口温度，但也要考虑装置操作的瓶颈，目前丙烷制冷的负荷在40%左右，如果不降低HE-262热负荷，提高丙烷制冷负荷到45%，通过模型计算出系统C3收率提高到90.56%，系统燃料气消耗量也随之提高到5 054 m3/d，A物流出口温度为-39.3 ℃，但相对于减少脱甲烷塔塔底再沸器HE-262再沸负荷, 达到同样的C3收率的条件下，能耗有所上升。所以，在此情况下不建议提高丙烷制冷负荷来提高C3收率，计算结果见表 5。
表 5
表 5 系统关键指标
Table 5 Key Indicators of the system
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表 5 系统关键指标
Table 5 Key Indicators of the system
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3.3 系统冷量不足时
3.3.1 两种工况下的主要工艺参数对比
保持天然气进厂温度为20 ℃，处理量为100×104 m3/d不变，当进厂压力从4 000 kPa下降到3 600 kPa时，膨胀机效率继续下降，膨胀后温度进一步升高，在保持HE-267出口温度、脱甲烷塔塔底再沸量以及天然气出厂压力不变的条件下(其他条件与进厂压力4 000 kPa一致)，系统C3收率会有一定幅度的下降，此时系统冷量严重不足，理论上建议B物流全去冷箱提供冷量，旁通全关，降低A股冷箱出口物流温度，模拟结果见表 6。
表 6
表 6 一期4 000 kPa与3 600 kPa工况下主要工艺参数对比
Table 6 Contrast of the main process parameters at 4 000 kPa and 3 600 kPa
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表 6 一期4 000 kPa与3 600 kPa工况下主要工艺参数对比
Table 6 Contrast of the main process parameters at 4 000 kPa and 3 600 kPa
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由表 6可知，压力为3 600 kPa(G)时，系统C3收率与4 000 kPa相比下降到80%，膨胀机出口温度上升到-68.5 ℃，丙烷制冷部分负载为33%，A物流出口温度为-37.7 ℃，膨胀机出口温度为-68.5 ℃，一期系统工艺燃料气的消耗量为4 649 m3/d，干气量上升，液化气量下降。
3.3.2 HE-262热负荷对系统关键工艺参数的影响
由表 6得知，供气压力下降到3 600 kPa，C3收率大幅降低；由3.1节可知，提高B股去冷箱比例，降低脱甲烷塔塔底再沸器HE-262的热负荷可提高C3收率。为选择此工况下合适的HE-262热负荷，设定丙烷负载基本不变，即HE-267出口温度维持在-0.4 ℃时，关闭B物流旁通，通过工艺流程模拟使HE-262负荷在101.82 kW到21.82 kW间变化，考察其对整个系统生产操作的影响，结果如图 3和图 4所示。
由图 3和图 4可知，HE-262热负荷在55 kW，丙烷制冷负荷在33%左右，低温分离器温度在卡边位置(-39 ℃)，此时系统C3收率为81.56%，是该工况下所能实现的最高C3收率。
4 结论
(1) 通过以上模拟分析可知，在进厂压力较高(4 500 kPa)、系统冷量相对富裕、C3收率较高(95%以上)的情况下，增加进冷箱的B物流比例有助于提高C3收率，相比去冷箱比例为60%时的系统C3收率约增加1%;降低HE-262热负荷有利于C3收率的提高，且可降低系统能耗。当热负荷降到125.98 kW时，丙烷机负载基本维持不变，系统C3收率增加到97.4%左右，燃料气消耗也相应下降，但不能使HE-262热负荷过低或者停用，否则会使系统低温分离器温度过低，从而超过材质极限。
(2) 在进厂压力降到4 000 kPa、系统冷量相对不富裕、C3收率不高(小于90%)的情况下，应关闭B物流旁通，降低HE-262热负荷至61 kW，此时C3收率为90.2%；增加丙烷负载也可以提高C3收率，但要考虑和HE-262的平衡关系，不要触及PV-261低温报警。应优先调节HE-262的热负荷，比调节丙烷热负荷更节能。
(3) 在进厂压力降到3 600 kPa、系统冷量不足、C3收率较低(低于80%)的条件下，为提高系统C3收率，并降低系统能耗，应关闭B物流旁通，继续降低HE-262热负荷至55 kW，调节丙烷机的负载至33%左右，此时系统C3收率可达81.56%。从经济上来考虑，可以控制丙烷机组的负载能力以提高系统C3收率，但要观察低温分离器温度变化，不要使低温分离器达到报警温度。
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陆酊, 徐宏源. 上海石油天然气有限公司操作手册(工艺部分)[M], 2007.
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2014, Vol. 43