輕烴回收不同制冷工藝的技術分析

張東華，湯 穎，郭亞冰，范 崢

（西安石油大學石油煉化工程技術研究中心，陜西西安 710065）

利用輕烴回收將天然氣中相對甲烷或乙烷更重的組分以液態形式回收，既滿足了外輸天然氣烴露點要求，又回收了高價值的液態烴作為燃料和化工原料，保障了安全生產且提高了裝置經濟效益。輕烴收率高、工藝簡單、運行成本低的低溫分離工藝在輕烴回收生產中廣泛應用。制冷工藝是低溫分離法的核心單元，直接影響裝置的投資、能耗、收率等經濟技術指標，科學、經濟的制冷工藝的選擇、應用、運行，對維持安全穩定生產、降低生產能耗、提高裝置效益意義重大[1]。

通過介紹膨脹制冷法（節流膨脹法、透平膨脹法等）、冷劑制冷法（單一冷劑制冷、混合冷劑制冷、階式制冷等）等簡單制冷、復合制冷法的工藝特點，分析天然氣組成、壓力、溫度、產量等條件對制冷工藝設計、操作的影響，以減少因天然氣組成、壓力波動對制冷過程長周期穩定運行的消極作用，延長裝置安全高效生產周期。

1 簡單制冷

1.1 膨脹制冷

膨脹制冷法即自制冷法，直接利用高壓天然氣經節流閥、透平膨脹機等設備實現絕熱膨脹、降溫使天然氣部分冷凝，滿足氣液分離要求。該循環流程簡單、設備緊湊、投資少、調節靈活、工作可靠。制冷能力取決于氣體壓力、組成、膨脹比及膨脹設備的熱力學效率等。

1.1.1 節流閥制冷 對于有較大可利用壓力能且不需要很低制冷溫度時，直接采用節流閥制冷是一種比較簡單的制冷方法[2]。實際流體的焓是溫度、壓力的函數，節流前后溫度發生變化的現象稱為節流效應。節流過程J-T 系數的正、負值賦予了流體節流后的制冷、制熱現象，任何流體均存在μh=0 即節流等溫現象。流體的節流效應隨流體狀態的變化而不同，流體在不同壓力下的轉化點各異。同一壓力下的氣相轉化點和液相轉化點對應于氣相轉化溫度及液相轉化溫度。流體在低于氣相轉化溫度并高于液相轉化溫度之間發生節流膨脹時制冷效應，在高于氣相轉化溫度或低于液相轉化溫度下發生節流膨脹制熱效應。實際流體節流效應曲線（見圖1），曲線以外節流膨脹過程升溫，曲線以內節流膨脹過程降溫。實際流體節流前后溫度變化情況取決于流體的組成和狀態，依流體組成調節合適的節流前溫度和壓力，可達到要求的節流效應。調整節流前富甲烷氣體的溫度和壓力，采用節流閥制冷可實現氣體降壓、降溫，冷凝分離的目的。

圖1 實際流體節流效應曲線

節流前溫度、壓力的調整應根據流體組成的不同而變化，從而達到最優節流制冷效果。由于天然氣中甲烷等小分子的PV-P 曲線斜率隨壓力、溫度的不同而不同，甲烷在節流時隨甲烷壓力的增加，μh由正、零轉變為負，導致天然氣的J-T 系數隨組成、壓力的變化而變化，可出現制熱、制冷作用且溫度變化效果不同的節流效應，作用效果隨甲烷含量的增加而加劇。蘇欣等[3]通過對不同組成天然氣節流制冷流程的模擬計算亦驗證了理論分析的合理性，天然氣降壓、降溫對冷凝量的影響與甲烷含量密切關聯，甲烷含量的變化導致溫度、壓力對冷凝量的作用不同：（1）甲烷含量較大（≥80ψ%），天然氣的節流效應主要受甲烷PV-P 變化的影響，節流后壓力和溫度變化對冷凝量的影響不同。壓降較小即壓力降低幅度小時氣化作用的趨勢弱，節流降溫效果明顯，溫度降低是影響冷凝量的主要因素，冷凝量隨節流溫度的降低而增加；壓降增大即壓力降低幅度大，低于某值時,節流降溫效果減弱，壓力降低發生氣化的趨勢較溫度降低發生冷凝的趨勢強，高壓降下的壓力降低是影響冷凝量的主要因素，冷凝量隨溫度的降低不增反降；（2）當天然氣較富，甲烷含量低（＜80ψ%）時，甲烷對混合氣的影響減弱，天然氣中乙烷、丙烷等氣體對混合氣體節流效應的影響作用增強，而乙烷、丙烷等烴類的J-T 系數遠小于甲烷的J-T 系數，即富氣的節流制冷效果遠低于甲烷的節流制冷效果，降壓導致的氣化作用遠大于降溫引起的冷凝作用，節流降溫后冷凝量減小。

隨富氣中甲烷含量的降低，節流降溫后冷凝量減小的現象愈發明顯，限制了節流制冷在提高富氣輕烴收率中的應用，只有進一步降溫才可在更低溫位下實現乙烷的冷凝[4]。

1.1.2 透平膨脹機制冷 具有一定靜壓能的氣體經透平膨脹機的制冷過程對外做功其比熵不變（即等熵膨脹），膨脹后氣體溫度降低并產生冷量。此過程中氣體本身的內能轉化為機械能且回收了膨脹功，用于壓縮氣體或驅動電機，同時膨脹獲得的更低溫位的能量滿足了增加輕烴收率的要求，有效提高了制冷循環的經濟效益。

透平膨脹機的制冷量全部通過膨脹機獲得，膨脹機制冷量的大小是影響收率最關鍵的因素[5]。低損失、低能耗下獲得盡可能高的制冷能力以滿足低溫冷凝分離需求是透平膨脹機的發展目標。為適應原料氣氣量、壓力、溫度及組成變化的工況，應適時調節膨脹機的制冷能力以維持裝置的冷量平衡，制冷能力的調節包括制冷量、制冷溫位的調節。膨脹過程中轉化為外功的焓降即制冷量Q 受通過膨脹機的流體質量流率G、等熵焓降Δh 及等熵效率η 影響（Q=GΔhη）。調節G的大小可以改變制冷量，但會引起裝置能耗增加，經濟效益差，不推薦采用。而借助調整噴嘴葉片角度、噴嘴高度等措施降低了噴嘴流道喉部截面面積，單位流通截面積的氣體質量流率提高，制冷量提高，此方法不改變膨脹機進出口的狀態參數，在實際生產中廣泛應用[6]，但制冷量的增加有限。流體經透平膨脹后的溫降決定于膨脹前后流體壓力差，即可利用的壓力能越多，流體的更多內能轉化為機械能，溫降愈明顯[7]。提高膨脹比即增加入口壓力、降低出口壓力可產生更低溫位的冷量。但過高的膨脹比會增加裝置的能耗，影響經濟效益，同時轉速過高的工作輪影響機器運行的穩定性，流道損失加劇，甚至出現卡機事故。隨井口氣壓力的不斷降低，通過降低出口壓力來提高膨脹比的方式受外輸壓力的限制。透平膨脹前增壓、膨脹后增壓投資有所增加。

等熵效率η 即實際焓降與等熵焓降之比是衡量透平膨脹機性能好壞最重要的參數，等熵效率越高，所獲得的實際制冷量越大。透平膨脹機在變工況時的等熵效率η 取決于膨脹機的轉速u1與之商，并非單調關系，隨比值的變化存在最大值。調節膨脹機進氣量、流道截面積和透平膨脹機的進出口參數可以改變轉速u1和實際焓降的大小，應參照效率特性曲線選擇調節，保證透平膨脹機在最大效率下工作，實現既降低裝置能耗又提高的收率的目的。隨著天然氣進入透平膨脹機中膨脹制冷，天然氣中較重的烴類率先冷凝產生液滴，液滴對氣流的阻滯作用、冷凝激波及自身的潛熱效果等會造成一系列的不可逆損失。天然氣中重烴含量越多，膨脹過程中的產液速度越快，帶液引起的損失就越大，膨脹機的等熵效率降低。同時液體的存在對膨脹機內構件存在一定的腐蝕作用，威脅裝置的安全穩定生產[8]。天然氣中含的重烴組分越多，冷凝、帶液對膨脹機效率影響越顯著，透平膨脹機制冷效率降低，能耗增加。若膨脹機入口的天然氣溫度過高，膨脹制冷后的溫位達不到深冷分離的要求，而提高膨脹比的能耗較高、經濟效益差，可采用提前預冷的方法[9]；當天然氣的壓力較低時，應選擇性的對原料氣進行增壓，保證膨脹機在最佳工況下運行。

透平膨脹機制冷法適應原料氣較貧且處理量很大的工況，具有制冷效果好，制冷系統設備數少，操作方便，裝置能耗低，且制冷過程的最低溫位易調節等優點。但隨著氣田開發的延續，天然氣壓力逐年降低，供膨脹制冷利用的壓力能減少，輕烴收率大幅降低，穩定生產受到威脅。

1.2 冷劑制冷

利用沸點低于環境溫度的工藝流體通過壓縮、冷凝、膨脹及蒸發組成的壓縮制冷循環可實現制冷的目的。借助外界機械能，通過選擇不同冷劑、壓縮制冷循環方式可不斷降低溫度直至深冷。冷劑制冷法由獨立設置的冷劑壓縮制冷循環向天然氣提供冷量。制冷能力與原料氣的溫度、壓力及組成無關，通過調節制冷循環的工作壓力來控制制冷溫度以滿足生產的需求，調節操作過程安全穩定。

冷劑制冷的最低制冷溫度受工質蒸發溫度的限制，最低為冷劑在蒸發壓力下的蒸發溫度。單一冷劑制冷中常用冷劑有氨、丙烷等，丙烷的蒸發溫度較低（-42 ℃）與氨相當（-33 ℃），可利用環境介質進行壓縮后的冷凝，蒸發相變焓雖然低于氨的蒸發相變焓，但由于易得，毒性小，安全且與被冷卻流體同類，在制冷工藝中廣泛應用。受冷劑制冷溫度的限制，輕烴收率難以繼續提高。提高天然氣分離壓力使氣液兩相相分離溫度升高，可在一定程度上提高天然氣凝液的收率，但增壓提高收率的作用有限。-30 ℃下不同原料氣丙烷收率與分離壓力的模擬結果（見圖2），低壓時丙烷收率隨著分離壓力的提高而快速增加，但增加的幅度不斷降低。分離壓力的進一步增加對提高凝液收率的作用減弱，壓力的增加導致能耗變大，同時工藝設備的壓力等級要求和造價也會大大提高，提高收率的經濟性變差。天然氣中甲烷含量愈高，加壓提高凝液收率的作用愈弱，最優分離壓力愈高。不同組成天然氣的最優分離壓力各異，可通過模擬計算得出以指導生產。

圖2 甲烷含量不同與丙烷收率、分離壓力的關系

改變單一制冷工藝中冷劑的組成，添加更輕且蒸發溫度更低的組分，通過降低混合冷劑的蒸發溫度，仍借助環境介質進行壓縮后介質的冷凝，利用原有壓縮制冷循環的混合冷劑制冷可在一定程度上獲得較單一冷劑更低的制冷溫度[10]。通過選擇蒸發溫度更低的單一冷劑如乙烷、甲烷進行制冷循環可實現更低的制冷溫度，但受冷劑臨界溫度（32.1 ℃、-82.6 ℃）的限制，環境介質已遠遠不能滿足要求，必須采用階式制冷循環才能得到更低溫位（-88.6 ℃、-161 ℃）的冷量，達到提高輕烴收率的目的[11]。

1.3 簡單制冷方法工藝分析比較

不同制冷工藝的特點各異，根據原料氣的壓力、組成、液烴收率等因素選擇、調整操作是保障裝置安全、平穩運行的基礎。

節流閥制冷適合較低的原料氣量，能夠適應大的氣量波動且操作簡單，在節流閥出口允許有很大的帶液量，當氣體有可供利用的壓力能，而且不需要很低的制冷溫度時，采用等焓膨脹特性的節流閥制冷是一種簡單有效的制冷方法。與透平膨脹機制冷相比，節流閥的制冷量要小的多，難以滿足在較低溫度下高輕烴收率的要求。在同樣的初始狀態和膨脹比條件下，氣體透平膨脹對外做功引起溫降，冷量損失較少，所以無論從制冷溫位還是從制冷量上來講，具有等熵膨脹特性的透平膨脹的效率更高，二者的差值與溫度、壓力有關。當壓力較低而溫度較高時，差值較大，隨著壓力的增加，二者的差值逐漸減小，最終接近于零，當原料氣的壓力很高時，簡單節流閥制冷更具優勢。

原料氣較富時制冷量的需求過大，若采用透平膨脹機對其進行制冷則原料氣的壓縮功會太大，能耗較高，并由于較高的原料氣壓力使操作穩定性降低，同時透平膨脹機允許的帶液量有一定限度，而節流閥出口允許有很大的帶液量，故較富的原料氣不適合采用透平膨脹機制冷。

冷劑制冷的制冷量與原料氣的貧富程度及壓力無關，加壓、降溫均能實現氣相混合物冷凝，對于含C4、C5及更輕的烴類混合物，降溫冷凝的功耗低于加壓冷凝的功耗，降溫成為提高輕烴收率的首選技術。利用混合冷劑在一定壓力下蒸發，可產生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量，通過改變冷劑的組成還可以方便調節蒸發溫度以適應不同組成天然氣的冷凝分離要求?；旌侠鋭┲评涔に嚺c單一制冷工藝的流程完全相同，不需要增加設備投資。但是混合冷劑中呈氣態、氣液平衡態、液態的物質組成不斷變化，對冷凝器、蒸發器、壓縮機的設計尤其是操作、管理帶來很大的難題，工程實際應用價值受限[12]。通過選擇蒸發溫度更低的單一冷劑也可實現較低的制冷溫度，比如采用乙烷可獲得最低為-88.6 ℃的低溫冷量，但是受乙烷臨界溫度（32.1 ℃）的限制，不能利用環境作為冷凝介質，必須采用階式制冷循環。階式制冷循環中天然氣與冷劑梯級降溫，冷熱流體的溫差小，制冷效率高，能耗較低，但流程復雜，難以平穩操作，投資較大，輕烴回收裝置中也極少采用。

處理量小、原料氣組成較富、其壓力與外輸氣壓力之間沒有足夠壓差可供利用時，采用冷劑制冷法比較經濟，通常選用丙烷作為冷劑；當處理量較小、原料氣組成較貧、原料氣壓力較大且隨開采過程壓力逐漸遞減又不要求高的乙烷收率時，采用節流閥制冷既能夠經濟地達到收率要求，又節省了裝置的投資及能耗；當處理量較大、原料氣組成較貧、且需要回收較多乙烷時，可采用透平膨脹制冷。無論哪種簡單制冷方式都有一定的局限性，難以同時滿足天然氣組成、溫度、壓力以及較低制冷溫度的要求。因此應依據實際情況，從原料氣組成、裝置建設目的、產品收率要求、生產成本和工程投資等方面進行綜合分析、合理的選擇。作為初選輕烴回收制冷工藝的依據[13]（見圖3，圖4）。

圖3 小型輕烴回收裝置工藝方法的選擇

圖4 丙烷收率為90 %的工藝方法選擇

2 復合制冷

高收率與低能耗是輕烴回收的發展方向，針對我國天然氣井口壓力較低、天然氣大多較貧且組成變化較大的現狀，輕烴回收需要的溫度持續降低，單一的制冷方法很難達到要求。雖然增壓-膨脹機制冷可以達到溫度要求，但膨脹機的帶液問題會帶來一系列的附加損失，使膨脹機的效率降低、能耗過大，對富含重烴的天然氣（富氣）仍不適宜。輕烴回收工藝上應用最多的是以膨脹制冷作為主要冷源，冷劑制冷作為輔助冷源的復合制冷法，采用逐級制冷和逐級分離冷凝液的措施來降低冷量消耗和提高制冷深度，以達到較高冷凝率，最大限度地回收天然氣中的輕烴[14]。

復合制冷法的冷源有兩個或兩個以上，裝置運轉受外界條件變化影響小，適應性強，保障了裝置的安全、平穩、高收率運行；復合制冷法中外加制冷系統比冷劑制冷法要簡單、容量小，外加制冷系統僅僅須解決高沸點烴類即重烴的冷凝問題。復合制冷與單一的冷劑制冷、膨脹制冷相比，既克服了冷劑制冷裝置流程復雜以及制冷溫度受限的缺點，也克服了透平膨脹機制冷穩定性差、對原料氣適應能力差的缺點[15]。復合制冷工藝由于外加冷源的存在，可使重烴提前冷凝分離，大幅度減少了透平膨脹機的帶液，而且又能夠補充節流閥制冷所缺乏的冷量，裝置整體能耗大幅較低，丙烷收率特別是乙烷收率大幅提高，是當前先進、合理、有效的輕烴回收制冷方式，可實現高收率，低能耗的目標。

3 結語

輕烴回收制冷工藝的選擇、操作條件受原料氣組成、溫度、壓力和處理量等條件的影響，保障裝置的安全穩定生產，改善適應不同條件下運行的靈活性，提高輕烴收率對于清潔生產意義重大。降低制冷溫度、改善制冷效率、提高能量利用率是制冷工藝設計、運行的核心。

混合冷劑制冷利用大氣環境作為冷凝介質，通過冷劑組成、壓力的調節可產生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量以適應不同組成天然氣的冷凝分離要求，工藝流程簡單，能耗低。解決混合冷劑的相平衡、壓縮、換熱等瓶頸，優化混合冷劑制冷設計和自控水平，降低操作、管理的難度是混合冷劑制冷工程化的關鍵。隨天然氣壓力的降低、天然氣組成的變化，以混合冷劑主導的復合制冷工藝由于安全性好、適應面廣、靈活性大、能耗低、輕烴收率高，在輕烴回收中的應用將不斷擴展。

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