富气天然气中含有大量的乙烷及以上的重烃成分，回收乙烷、液化石油气及稳定轻烃产品可以促进天然气资源的综合利用、减少资源浪费[1]。近年来，我国乙烯的产能和消费需求迅速增长，促使我国成为仅次于美国的世界第二大乙烯生产国、消费国[2]。面对如此大的需求，相较于石脑油，利用乙烷裂解生产乙烯能够有效降低成本、减少投资[3]。
国内对于乙烷回收装置的研究正处于发展阶段，中原油田、大庆油田等大多采用液体过冷流程(liquid subcooled process，LSP)，与国外装置相比，存在流程单一、规模处理量小、乙烷回收率低等问题[4]。美国Ortloff公司在气体过冷流程(gas subcooled process，GSP)基础上改进得到了冷干气回流流程(CRR)，该流程使乙烷的回收率可达到99%，且原料气越贫，产物回收率越高[5]。随着我国最新发展理念“碳达峰”“碳中和”目标的提出，能源利用得到了高度重视[6]。因此，对乙烷回收中富气的研究可提高天然气中资源的合理利用，实现效益最大化。
CRR适用于较贫原料气，原料气越贫，乙烷回收率越高；当原料气变富时，乙烷回收率会迅速下降，若保持乙烷回收率在一定范围内，压缩功会迅速增加。基于CRR高回收率的特点进行改进，改进后的CRR-FE和CRR-PS具有适应较富的气质、保证乙烷回收率且能耗低的特点。
美国Ortloff公司在GSP基础上改进得到CRR[7]。该流程特征是脱甲烷塔塔顶干气被分成了两股，其中一股通过压缩机增压，经过冷冷箱换热后节流降压作为回流进入脱甲烷塔塔顶，对塔顶气进行再次精馏，可降低塔顶乙烷及以上重烃组分含量，增加了乙烷回收率。另一股与低温分离器部分气相和原料气换热，使冷量得到利用的同时，降低了脱甲烷塔重沸器负荷，减少了整体的能耗。CRR乙烷回收流程见图 1。
CRR-FE的特征是在CRR的基础上增加了一个闪蒸罐与低温分离器串联，其回收流程见图 2。原料气经过主冷箱(LNG-101)换热降温后进入低温分离器(V-101)，低温分离器分离出的部分气相经膨胀机组膨胀端(K-101)膨胀后进入脱甲烷塔中上部作为其第三股进料；低温分离器分离出的液相部分经过冷箱换热升温后进入闪蒸罐，在闪蒸罐内分为气液两相，其中气相与低温分离器部分气相混合经过冷冷箱(LNG-102)降温后，通过节流阀节流进入脱甲烷塔(T-101)中上部作为脱甲烷塔的第二股进料；闪蒸罐(V-102)分离出的液相经节流阀节流后进入脱甲烷塔中部作为其第四股进料。脱甲烷塔塔顶气被分成两股，一股通过压缩机(K-100)增压后经过冷冷箱换热，最后通过节流阀节流降压后作为脱甲烷塔的塔顶进料；另一股作为外输气，经膨胀机组压缩端(K-102)和外输压缩机(K-103)增压外输。当原料气气质较富时，相比于CRR，改进流程的特点是通过两次分离，能够更好地实现轻重组分的分离，从闪蒸罐分离出的轻组分与低温分离器气相结合进入脱甲烷塔，增强了冷凝效果，提高了乙烷回收率；低温分离器温度高于闪蒸罐温度，膨胀机膨胀端冷量增多，降低了外输压缩机的压缩功。
CRR-PS流程见图 3，其特征是将原料气分为两股，其中一股与闪蒸罐(V-102)部分气相结合进入过冷冷箱(LNG-102)降温节流后进入脱甲烷塔(T-101)中上部作为其第二股进料；另一股进入低温分离器(V-101)分离，分离器的气相经主冷箱(LNG-101)换热后再次分离，分离出的液相与二次分离液相结合，节流降压后进入脱甲烷塔中部作为第四股进料；二次分离出的部分气相进入膨胀机组膨胀端(K-101)膨胀后进入脱甲烷塔中上部作为第三股进料；塔顶回流特征保留。改进流程的特点是，当原料气气质较富时，抽出少量原料气增加了丙烷及以上液烃含量能够很好地控制CO2的冻堵问题，提高冻堵裕量，能够控制更低的塔顶温度，提升乙烷回收率；通过二次分离，将轻重组分更好分离出来，增加了塔顶进料甲烷的含量，增强了塔顶冷凝效果，提高了乙烷回收率。
通过Aspen HYSYS软件对CRR及改进流程进行改进模拟计算，从综合能耗的角度对比了当原料气的气质逐渐变富时，改进流程节能性与原流程的差异。模拟选用计算模型为Peng-Robinson方程，熵焓模型为Lee-Kesler方程。
为了研究3个流程在不同富气下的特性，选取了GPM(gallons per minute)值分别为2.7、3.5、4.3(当GPM值＞2.5时为富气)的3组不同气质来进行对比。原料气处理规模为700×104 m3/d，进站压力为6.6 MPa，温度为13 ℃，各原料气组成见表 1。
对CRR及改进流程进行了模拟，模拟条件为乙烷回收率在95%以上，外输气温度为40 ℃，压力为6.3 MPa，最后对比综合能耗的大小。二氧化碳冻堵裕量表示脱甲烷塔温度与二氧化碳冻堵温度之差。模拟中为了防止二氧化碳的冻堵问题，将气相冻堵裕量控制在5 ℃以上，液相冻堵裕量控制在3 ℃以上[9]。主冷箱夹点为3.5 ℃以上，能够保证冷热物流的换热匹配减少能量损失，外部制冷方式采用二级压缩丙烷制冷+膨胀机制冷[10]。模拟控制参数见表 2。
在乙烷回收流程中装置耗能形式不同，主要形式为电消耗和热消耗，电消耗主要设备有压缩机和泵，由于流程泵耗能较少，本次计算中忽略泵能耗的计算；热消耗主要为塔底重沸器，采用导热油为其供能。采用GB/T 2589-2020《综合能耗计算通则》和SY/T 6331-2013 《气田地面工程设计节能技术规范》中综合能耗的评价方法对CRR及改进流程量化进行评价[11-12]。综合能耗计算见式(1)，3组富气主要参数模拟对比结果分别见表 3、表 4及表 5，3种流程主要装置压缩功对比见图 4，综合能耗对比见图 5。
式中：E为综合能耗，MJ/h；n为耗能设备品种数，无量纲；ei为生产中第i种设备的能耗，MJ/h；pi为第i种能耗折算系数，电消耗折算系数取11.84，无量纲，导热油折算系数取1.47，无量纲。
由图 4可知，随着原料气气质变富，CRR及改进流程总压缩功不断增加，这是由于富气中重烃含量较多，要保证乙烷回收率在95%以上，需要消耗大量的能量。改进流程CRR-FE和CRR-PS总压缩功率均低于CRR，当GPM值为4.3时，CRR总压缩功率为9 990 kW，CRR-FE与CRR-PS总压缩功率分别为9 536 kW、8 732 kW，改进流程能耗分别节约了4.5%、12.6%，能耗节约明显。
由图 5可知，随着气质变富，综合能耗也会增加。其中电耗能占比较大，而改进流程相比原流程有很好的节能效果，其原因是CRR-FE中低温分离器温度略高，膨胀机进料量增大，膨胀机膨胀端冷量更多, 使压缩端出口温度更低，降低了外输压缩机的压缩功。闪蒸罐进一步将原料气中轻重组分进行分离，脱甲烷塔塔顶甲烷含量增加，冷凝效果提高。CRR-PS抽出部分原料气能够很好地控制少量丙烷及以上液烃进入脱甲烷塔塔顶，降低了脱甲烷塔温度，从而减少外输压缩功；另一股原料气先进入分离罐分离出部分液相带走了大量热量，因此进入冷箱的另一部分热源则需要少量的丙烷来平衡，丙烷制冷的压缩功减少。导热油所折算的能耗明显增加，其原因是气质越富，流入脱乙烷塔和脱丙丁烷塔的重组分液烃也增多，造成了脱乙烷塔和脱丙丁烷塔重沸器负荷增大，需要的导热油供能就越多。当原料气GPM值为4.3时，与CRR相比，CRR-PS综合能耗节约较明显，降低了9.4%，CRR-FE相对较低，仅降低了3.5%。
表 6所示为单位能耗(每生产1×104 m3天然气所消耗的能耗大小)结果。由表 6可知：在相同的气质条件下，改进流程单位能耗小于CRR；随着气质逐渐变富，CRR及改进流程单位能耗逐渐增大，其中CRR-FE节约7~14 MJ/104 m3天然气，CRR-PS节约11~20 MJ/104 m3天然气，两种流程都有很好的节能效果，而CRR-PS更为明显。
分析可用在石油化工等多个工业领域，如动力、冶金、建材等[13]。通过对流程进行分析，能够发现较低效率的设备，及时调整不合理参数或改进效率较低的设备，提高整体效率和能量的利用率，提高产品量并降低经济损失。
在Kelly等[14]提出的传统的能分析中，灰箱模型介于黑箱模型与白箱模型之间，克服了黑箱模型分析过于简单与白箱模型过于繁琐的缺点，因此被广泛使用。的4种常见形式包括动能、势能、物理及化学，其中动能和势能太小，忽略不计[15]，因此，计算中总表达式为物理与化学之和。本研究环境基准态条件环境压力为101.325 kPa，环境温度(T0)为298.15 K[16]。
总、物理及化学表达式分别见式(2)~式(4)：
式中：ex, tot为总，kJ/kg；ex, ph为物理，kJ/kg；ex, ch为化学，kJ/kg；h为物流实际情况的焓，kJ/mol；S为物流实际情况的熵，J/K；h0为环境基准状态下的焓，kJ/mol；S0为环境基准态下的熵，J/K；T0为环境基准态下的温度，K。
式中：xi为混合体系中i组分的摩尔分数，%；eiθ为i物质的标准化学，kJ/kg；R为通用气体常数，取8.314 J/(mol·K)。
换热器/水冷器损及效率表达式分别见式(5)、式(6)：
式中：IHX为换热器损，kW；ηHX为水冷器效率，%; ex, i、ex, o分别为输入、输出，kW；qm为物流流量，kg/h；ein为输入比，kJ/kg；eout为输出比，kJ/kg。
膨胀机损及效率表达式分别见式(7)、式(8)：
式中：IE为膨胀机损，kW; ηE为膨胀机效率, %；Wo为膨胀机输出功率，kW。
压缩机损及效率表达式分别见式(9)、式(10)：
式中：IC为压缩机损，kW；ηC为压缩机效率，%；Wi为压缩机输入功率，kW。
塔器损及效率表达式分别见式(11)、式(12)：
式中：IT为塔器损，kW；ηT为塔器效率，%；TUTY为重沸器温度，K；QR为重沸器负荷，kW。
总效率表达式见式(13)：
式中：Itot为系统总损，kW；ex, Qin为系统总热，kW；Win为系统输入功，kW。
根据分析模型及计算公式，计算了3种气质下CRR及改进流程中各类主要设备损以及效率。总损和效率对比结果见图 6，总效率对比见图 7，主要设备占比见图 8。
由图 6可知，随着原料气的气质变富，CRR及改进流程总体损会增大。改进流程CRR-PS损降低明显，当GPM值为4.3时，相比于CRR总损为29 639 kW，CRR-PS损为28 471 kW，总损降低了3.9%；改进流程CRR-FE损变化与CRR相比变化不大。
由图 7可知，在相同的气质条件下，总效率的规律明显，均在80%以上，表明流程中的参数配置较为合理。总效率大小排序为CRR-PS＞CRR-FE＞CRR，由此可见，改进流程性能更好；当气质逐渐变富时，改进流程及CRR总体效率会下降。其中改进流程CRR-PS总体效率约高于CRR0.4%~0.6%，CRR-FE与CRR总体的效率相近。因此，改进流程CRR-PS在总效率上有很好的效果。
由图 8可知，主要设备损占总损的大小，损占比最大的设备为压缩机和膨胀机组。当气质变富时，天然气冷凝量大，膨胀机进口气相量相应降低，气体膨胀产生的冷量减少导致外输压缩机功率增大，外输压缩机损失增多，CRR及改进流程外输压缩机损占据压缩机和膨胀机组总损的76%左右。改进流程CRR-FE和CRR-PS随着气质越富，压缩机损节约效果越好，GPM值为4.3时分别节约了4.6%和4.5%。其次是塔设备和丙烷制冷的损占比较高，其原因是在富气气质条件下，重烃含量较高，脱甲烷塔塔底丙烷及以上的重烃含量越多，导致脱甲烷塔塔底重沸器温度升高，从而导致化学变大，效率下降；在保证相同回收率的情况下，需要大量的冷剂输出的冷量对冷箱中原料气的热量进行平衡。改进流程CRR-FE和CRR-PS损节约明显，在不同的气质下CRR-FE最高节约损25.9%，CRR-PS最高节约损为34.1%。3种流程保证了冷箱夹点控制在3.5 ℃左右，主冷箱效率在70%以上，过冷冷箱效率在80%以上，证明冷热物流匹配度合适。
1) 在保证CRR高乙烷回收率的前提下，改进得到流程CRR-FE和CRR-PS以达到富气条件下节约能耗的目的。CRR-FE的特征是增加了闪蒸罐，从闪蒸罐分离出的轻组分与低温分离器气相结合进入脱甲烷塔，增强了冷凝效果。同时，低温分离器温度略高，压缩端冷量变多，膨胀机增压端轴功增加降低了外输压缩功；CRR-PS抽出少量原料气控制CO2的冻堵问题，塔顶温度能控制得更低，从而减少重沸器温度。通过二次分离，将轻重组分更好地分离出来，增强了塔顶冷凝效果，需要更少的丙烷冷剂冷却原料气，减少了丙烷制冷压缩功。
2) 在保证乙烷回收率95%以上的条件下，分别对CRR及改进流程的综合能耗进行了对比。结果表明，GPM值为4.3时，CRR-FE与CRR-PS总压缩功率为9 536 kW、8 732 kW，能耗分别节约了4.5%、13.2%；GPM值为4.3时，CRR-PS综合能耗节约了9.4%，效果明显，CEE-FE相对较低，节约了3.5%。
3) 通过分析，3种流程损最大为主体设备压缩机中的外输压缩机，其次是塔设备中脱甲烷塔和丙烷制冷，最后是换热器、空冷器及水冷器。GPM值为4.3时，CRR-PS损为28 471 kW，相比于CRR降低了3.9%，CRR-FE损节约效果一般。改进流程CRR-FE与CRR-PS整体效率在80%以上，总效率排序为CRR-PS＞CRR-FE＞CRR。由此可见，改进流程具有良好性能。
2024, Vol. 53 Issue (2): 47-54 2024, Vol. 53 Issue (2): 47-54