目前，国内部分凝析气田天然气处理厂的脱烃装置回收深度仅为满足外输气烃露点要求，轻烃回收率低，还有大量轻烃资源未回收利用，而这些轻烃资源具有较高的附加值。为了提高经济效益，满足市场需求，有必要对部分较富天然气中的烃类组分进行回收[1-3]，建设大型天然气轻烃回收工厂，生产液化石油气(LPG)以及稳定轻烃产品。因此，工艺方案的选择及改进以回收C3及C3+组分为目标，其主要产品为液化石油气和稳定轻烃产品。
对比以塔里木油田某凝析气田天然气处理厂为对象，其基础数据如下：
压力(G)：6.2 MPa；温度：30.5 ℃；流量：1 499.8×104 m3/d；水质量浓度：≤1 mg/L；汞质量浓度：≤10 ng/m3，原料气组分见表 1。
压力(G)：3.772 MPa；温度：41 ℃；流量：1 466.8×104 m3/d。
压力(G)：约2.0 MPa；饱和蒸汽压(G)：1 037 kPa(37.8 ℃时)；流量：19.45×104 t/a。
压力(G)：1.7 MPa；流量：3.13×104 t/a；饱和蒸汽压(G)：91.6 kPa(37.8 ℃时)。
为了将天然气中的液化石油气和轻烃等高热值组分提取出来，通常采用物理方法，即根据天然气中不同组分在相同压力温度下露点不同的特性对其进行分离[4-5]。而轻烃回收装置的原料为气态，需提供冷量制冷。轻烃回收装置的经济性主要体现在一次投资、运行能耗和产品的收益上，很大程度上受限于制冷方案的选择。国内外天然气脱烃与轻烃回收工艺常用的制冷工艺有单一外部制冷、单一膨胀机制冷、丙烷预冷+膨胀机制冷及膨胀机预冷+混合冷剂制冷[6]。由于原料气压力(G)较高，为6.2 MPa，综合考虑工艺的可行性、投资费用及C3收率，选用丙烷预冷+膨胀机制冷工艺。
为了提高轻烃收率、降低能耗，在传统“膨胀机制冷工艺”基础上衍生出多种C3+深度回收工艺，其中比较优秀的是直接换热工艺(DHX)和双回流等多种工艺方法[7-8]。
直接换热工艺(DHX)在单一膨胀制冷的基础上增加重接触塔[9]，冷量由膨胀机膨胀制冷提供，并根据原料气中的重烃含量情况，辅以丙烷预冷提供中低温冷量。该工艺实质上是脱乙烷塔塔顶气经过换热、节流降温冷凝后进入DHX塔塔顶，液相中的C1、C2组分在塔内气化闪蒸产生冷量，以进一步冷凝膨胀机出口气相中的C3+组分，从而提高C3+收率。该工艺将全部原料气送至膨胀机膨胀制冷，设置重接触塔和脱乙烷塔，实现系统内乙烷组分的富集和循环，通过被冷却后的脱乙烷塔塔顶气与原料气的直接接触进行传热和传质，提高C3+收率。
双回流工艺天然气预冷分离后[10]，大部分气相进入膨胀机制冷，剩余的气相进入过冷换热器过冷，过冷后节流进入脱甲烷塔上部作为其中一股回流。自外输压缩机中间抽出的一股天然气经预冷、过冷后，节流进入脱甲烷塔，作为顶部回流。该工艺方案进一步缩小了过冷器和预冷器的换热温差，提高了换热效率，同时，采用干气过冷回流，可大大提高装置的收率。两种工艺的定性对比分析如表 2所示。
由表 2分析可知，两种工艺各有优缺点，直接换热(DHX)仅适用于回收C3+的工况，是一种针对性较强的工艺。双回流工艺相对复杂，但其能够同时回收C2和C3+，该工艺最大的优势是能够实现在线切换。
为了更为明确地分析哪种工艺更适合本研究原料气C3+回收工艺，运用HYSYS流程模拟软件对两种工艺进行模拟，并进行详细技术经济对比，工艺流程见图 1和图 2，模拟结果见表 3。
根据图 1、图 2中HYSYS的模拟结果及表 3中的经济分析结果可知，在仅回收C3+时，DHX工艺比双回流工艺能耗低，每年可节约操作费用约1 773万元，同时，DHX工艺的C3+收率高，一次性投资省。
综上所述，由于原料气中含有丰富的C2、C3+资源，适宜建设深度轻烃回收装置，生产乙烷、LPG和稳定轻烃产品，其中双回流工艺经济效益较好，且能同时回收C2及C3+资源。虽然原料气中还含有丰富的C2资源，但由于销路的原因，暂不考虑生产C2H6。综合分析C3+收率、能耗、投资及收益等多种因素，最终选用直接换热(DHX)工艺，根据原料气处理量，选用两套DHX处理装置。
针对原料气自身特点，对传统的DHX工艺进行了优化。取消丙烷制冷系统，简化流程，进一步降低装置能耗和投资。DHX塔底部流出的液烃经液烃泵增压后，经过冷箱换热，进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔顶气体经冷箱部分冷凝后进入回流罐，回流罐中的液体经过增压后分成两股物流，一股进入重接触塔顶部作为回流，另一股进入脱乙烷塔顶部作为回流，以此降低脱乙烷塔塔顶气中的C3H8含量，达到提高C3+收率的目的。重接触塔塔顶干气经过换热后，与回流罐气相物流汇合，进入冷箱换热后经过外输压缩机增压外输。优化后的工艺流程如图 3所示。
由图 3可知，经过优化后的工艺方案无需丙烷制冷系统预冷，可对过程中的冷量进行综合利用，使装置的能耗显著降低。
产品收率的高低与装置公用工程消耗，产品收益息息相关，产品收率越高，产量越高，收益就越大，但装置的公用工程消耗越大，反之亦然。因此，需要最终确定一个合适的产品收率，以保证工厂收益的最大化[11]。而膨胀机的膨胀比是本工艺的关键工艺参数，运用HYSYS模拟工艺流程，通过调整膨胀机的膨胀比来使产品收益最大化，模拟结果见图 4及表 4。
由图 4及表 4分析可知，随着膨胀比的增大，C3+收率均逐渐增大，外输气压缩机功率也逐渐增大。因此，外输气压缩机投资及公用工程消耗均会增加。当膨胀机出口表压为3 500 kPa时，C3+收率较高，此时收益-投资最高，即膨胀比为1.79时，经济效益最佳。
(1) 根据原料气独有的特点，对不同制冷工艺进行比选，并对现有轻烃回收工艺进行定性对比分析，运用HYSYS软件模拟所选轻烃回收工艺，同时对工艺进行定量比选。
(2) 对所选的直接换热(DHX)轻烃回收工艺进行流程简化，优化后的工艺方案无需丙烷制冷系统预冷，可对过程中的冷量进行综合利用，使装置的能耗显著降低。
(3) 运用HYSYS软件对所选的直接换热(DHX)轻烃回收工艺进行参数优化，结果表明，膨胀机出口表压为3 500 kPa，膨胀比为1.79时，C3+收率较高，经济效益最佳。
2016, Vol. 45 Issue (4): 5-9
2016, Vol. 45 Issue (4): 5-9