伴随国内炼油行业产业链的快速增长，乙烯工业的产能也随之骤增，乙烯原料供应结构呈现多元化、轻质化的发展态势。其中，利用乙烷生产乙烯收率高达78%，而利用石脑油生产乙烯收率仅为28.2%~31.1%，且前者生产成本仅为后者的66.7%[1]，相较而言，利用乙烷生产乙烯更具优势。因此，开展天然气乙烷回收工艺技术研究，不仅提高了天然气资源的综合利用率，推动天然气产品多元化，而且促进了我国乙烯原料的优质化，实现乙烯石化全产业链效益的最大化[1]。
目前，天然气乙烷回收工艺中的低温分离法占据主导地位[2-3]。其中，国外应用较多的主要有液体过冷工艺(liquid sub-cooled process, LSP)、气体过冷工艺(gas sub-cooled process, GSP)、部分干气再循环工艺(recycle split vapor, RSV)和高压吸收工艺(high pressure absorber, HPA)等，RSV工艺应用最为广泛[3-10]。国内乙烷回收工艺装置主要分布在大庆油田、中原油田、长庆油田和塔里木油田[11-17]。其中，RSV工艺是在GSP的基础上，将压缩后的部分高压贫气在冷箱中与脱甲烷塔塔顶贫气换热降温，经节流后作为塔顶回流返回至脱甲烷塔顶部。回流贫气不断吸收脱甲烷塔塔顶气相的重烃组分(简称C2+)，最大限度地减少C2+的损失[18-19]。
Roy E.Campbell等[20]研究了RSV工艺提高换热效率的方法，在其专利中优化了热集成流程，运用低温贫气与原料气等热物流换热，提高了换热效率。Sanjiv N.Patel等[21-22]研究了RSV工艺提高乙烷收率的方法，在其专利中利用增设吸收塔或过冷原料气多级冷凝的方法，充分回收脱甲烷塔物流冷量，提高装置乙烷收率。蒋洪等[24-30]在RSV工艺基础上研究影响装置乙烷收率的关键因素，分别基于原料气气质、CO2冻堵裕量、贫气回流比等关键参数进行定量分析，采取调配原料气气质、提高过冷原料气重烃含量、优化贫气回流比等有效措施，提高装置乙烷收率。因此，立足于天然气深冷装置的生产运行，创建RSV工艺计算模型，对研究分析提高装置乙烷收率具有重要意义。
国内某大型天然气深冷乙烷回收联合装置设计原料气处理负荷为150.00×108 m3/a，设置3列规模为5 000.00×104 m3/d的天然气深冷装置，操作弹性为80%~120%。单列装置采用“冷剂制冷+膨胀制冷”组合工艺回收天然气中的C2+，生产贫气、乙烷、液化气、稳定轻烃产品，贫气产品经增压后外输至国家管网，气相乙烷、液化气和稳定轻烃产品输送至下游用户。
天然气深冷装置核心单元为液烃(natural gas liquid，NGL)回收装置，装置通过“冷剂制冷+膨胀制冷”组合工艺回收天然气中乙烷及C2+，并精馏分离得到贫气、含碳乙烷气和C3+混烃。其中，单列装置设计原料气处理量为1 500.00×104 m3/d，操作弹性为80%~120%，工艺流程如图 1所示。
受“新冠”疫情影响，膨胀机Atlas厂家无法到现场对装置进行调试，装置处于J-T阀工况运行，其所需冷量由混合冷剂和J-T阀提供，导致装置乙烷收率降低。而在膨胀机工况下，其冷量由混合冷剂和膨胀机提供。与膨胀机制冷相比，J-T阀制冷效率较低，约为膨胀机效率的70%~75%，由此造成混合冷剂运行负荷较大，如表 1所列。
在装置投产运行期间，低温分离器温度由-66.8 ℃波动至-73.0 ℃，波动幅度高达6.2 ℃，造成脱甲烷塔侧线流量由174.75 m3/h增至226.75 m3/h、脱甲烷塔运行压差由108.45 kPa增至187.50 kPa，且回流贫气和过冷原料气温度和流量等关键工艺参数波动造成脱甲烷塔精馏段发生液泛，最终导致脱甲烷塔运行不稳定，直接降低了脱甲烷塔生产通量和分离效率，导致乙烷收率降低，仅为82%~85%，关键工艺参数运行趋势如图 2所示。
基于天然气深冷工艺装置生产运行状况，通过创建RSV工艺计算模型，对比分析低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键设计工艺参数，实现单列装置乙烷收率由30.0%提高至90%~92%。
天然气RSV深冷工艺装置原料气气源中C2H6摩尔分数为3.980%，其设计值为4.450%，相比较而言，实际原料气中乙烷摩尔分数降低约0.470%，原料气组成如表 2所列。
装置原料气进站压力(表压)为4.0~4.3 MPa，温度为9.0~28.0 ℃，原料气处理量为1 500.00×104 m3/d，处理负荷为100%，装置原料气关键参数如表 3所列。
液烃回收工艺主要包含脱甲烷塔工艺、脱乙烷塔工艺、乙烷液化工艺等，其主要工艺参数如表 4所列，基于上述工艺流程、原料气基本参数和装置设计及运行参数，通过Aspen HYSYS化工软件搭建液烃回收装置工艺计算模型。
基于建立的RSV工艺计算模型，立足膨胀机工况下装置实际运行情况，在装置主要工艺参数和大型压缩机组运行稳定情况下，以满足两种约束条件(90%≤乙烷收率≤92%，7 000 kW≤混合冷剂压缩机负荷≤7 200 kW)为目标，对比参数设计数据，分别校核低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键工艺运行参数。
当低温分离器温度为-70.0~-65.0 ℃时，装置乙烷收率及混合冷剂压缩机负荷随温度变化的关系见图 3~图 4。由图 3可知，当低温分离器温度由-65.0 ℃降至-70.0 ℃时，乙烷收率由84.47%增至95.36%。由图 4可知，当低温分离器温度由-65.0 ℃降至-70.0 ℃时，混合冷剂流量由5.86×104 m3/h增至6.68×104 m3/h，混合冷剂压缩机负荷由6 458 kW增至7 358 kW。
综上所述，随着低温分离器温度的降低，装置乙烷收率、混合冷剂流量和负荷均呈上升趋势。为满足上述两种约束条件(下同)，确定低温分离器温度控制范围为-69.0~-67.5 ℃。
当回流贫气流量为(5.0~10.0)×104 m3/h、回流贫气温度为-100.0~-95.0 ℃时，装置乙烷收率、混合冷剂流量及压缩机负荷随回流贫气流量及温度变化的关系见图 5~图 8。由图 5和图 6可知，伴随回流贫气流量的增加，乙烷收率由82.08%增至98.53%，混合冷剂流量由6.24×104 m3/h增至6.50×104 m3/h，混合冷剂压缩机负荷由6 880 kW增至7 161 kW。由图 7和图 8可知，伴随回流贫气出主冷箱温度的降低，乙烷收率由86.46%增至93.24%，混合冷剂流量由6.03×104 m3/h增至6.44×104 m3/h，混合冷剂压缩机负荷由6 645 kW增至7 097 kW。
综上所述，伴随回流贫气流量增加和出主冷箱温度的降低，乙烷收率、混合冷剂流量和压缩机负荷均呈上升趋势。确定回流贫气流量范围为(7.50~8.50)×104 m3/h，其温度控制为-101.0~-99.5 ℃。
当过冷原料气流量为(5.00~10.00)×104 m3/h、过冷原料气温度为-100.0~-95.0 ℃时，装置乙烷收率、混合冷剂流量及压缩机负荷随过冷原料气流量及温度变化的关系见图 9~图 12。由图 9和图 10可知，伴随过冷原料气贫气流量的增加，乙烷收率由78.44%增至97.22%，混合冷剂流量由5.54×104 m3/h增至6.89×104 m3/h，混合冷剂压缩机负荷由6 104 kW增至7 600 kW。由图 11和图 12可知，伴随过冷原料气温度的降低，乙烷收率由86.46%增至93.24%，混合冷剂流量由6.03×104 m3/h增至6.44×104 m3/h，混合冷剂压缩机负荷由6 646 kW增至7 096 kW。
综上所述，随着过冷原料气流量增加和出主冷箱温度的降低，乙烷收率、混合冷剂流量和压缩机负荷均呈逐渐上升趋势。确定过冷原料气流量范围为(7.50~8.50)×104 m3/h，其温度范围为-101.0~-99.0 ℃。
综上所述，装置在膨胀机工况下运行，以实现乙烷收率90.0%~92.0%和混合冷剂压缩机负荷7 000~7 200 kW为目标，确定了低温分离器温度、回流贫气流量及温度、过冷原料气流量及温度等关键工艺运行参数，见表 5。
适时投运膨胀机，在确保贫气、混合冷剂等大型压缩机组平稳运行的基础上，装置处于膨胀机工况安全平稳运行。基于模拟的关键工艺运行参数范围，依次精细优化低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度：将低温分离器温度优化调整为-68.8~-68.0 ℃，脱甲烷塔运行压差降低至45.20~47.50 kPa运行，如图 13所示；将回流贫气流量优化调整为(7.35~7.60)×104 m3/h，其温度相应优化为-101.5~-100.1 ℃，如图 14所示；过冷原料气流量优化调整为(7.45~7.63)×104 m3/h，其温度相应优化为-101.5~-100.5 ℃，如图 15所示。上述优化措施保证了脱甲烷塔的生产通量和分离效率，乙烷平均收率提高至90.8%以上，如图 16所示。
经上述措施高效实施后，在保证乙烷、液化气和稳定轻烃等产品质量满足设计指标的基础上，装置液烃产量呈增长趋势，液烃产品增产175 610.16 t，其中，乙烷、液化气及稳定轻烃三种产品的累积增产占比分别为96.58%、0.73%、2.69%。因此，装置乙烷产量显著提高，相比优化前增加约169 952.26 t，乙烷产品分布由14.50%提升至63.80%，乙烷平均收率由30.0%提高至90.8%以上。
立足RSV天然气深冷工艺装置理论模型，在分析影响乙烷收率的关键因素的基础上，通过优化低温分离器温度、回流贫气流量和温度、过冷原料气流量和温度等关键运行参数，并指导装置精细调参，将装置乙烷平均收率由30.0%提高至90.8%以上。基于RSV工艺理论模型分析，控制混合冷剂负荷为7 000~7 200 kW，经效果验证得出以下结论：
(1) 在膨胀机工况下运行，液烃回收装置低温分离器温度优化为-68.8~-68.0 ℃，降低脱甲烷塔运行压差至45.20~47.50 kPa，保证了脱甲烷塔的生产通量和分离效率。
(2) 在膨胀机工况下运行，将回流贫气流量和温度分别优化为(7.38~7.60)×104 m3/h、-101.5~-100.1 ℃，可提高乙烷平均收率至90.8%以上。
(3) 在膨胀机工况下运行，将过冷原料气流量和过冷原料气温度分别优化为(7.45~7.63)×104 m3/h、-101.5~-100.5 ℃，可提高乙烷平均收率至90.8%以上。
2023, Vol. 52 Issue (3): 56-62 2023, Vol. 52 Issue (3): 56-62