影响轻烃回收装置效益的因素分析
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[摘 要]外冷法与内冷法是天然气轻烃回收中常用的两种方法，相交制冷是独立外部冷源制冷法的工作原理，氟利昂、丙烷、氨是常用的制冷剂，-40是制冷的极限温度，两级增压、冷源制冷、轻烃分流是组成制冷工艺的三个工艺段。借助带压气体的膨胀降温是内冷法的工作原理，气波机、膨胀机、热分离机、节流阀是常用的膨胀元件。内冷法与外冷法主要是制冷单元不同，通常装置的冷凝压力、温度会对冷凝分离法的能耗、液化率有直接的关系，本文将主要分析压力、冷凝温度对轻烃回收装置效益的影响。
中图分类号：TE644 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0050-01
轻烃回收装置是处理油田不凝析气、伴生气的主要装置，主要是对其重组分进行回收，获取具有稳定性质的混合烃产品与轻烃产品。回收的轻烃的经济价值比较高，通常作为优质的化工燃料、原料来使用。目前轻烃回收装置运行相对不稳定，轻烃回收效率低，经济效益较差。影响轻烃回收装置及轻烃回收率的因素很多，本文将主要对压力、冷凝温度两个因素的影响进行详细的分析。
1 天然气主要单组份的冷凝特性分析
主要针对我国常见的三种天然气单组份的冷凝特性进行分析。这三种天然气的组成见表1，冷凝温度对总耗能的影响见图1。
由表1与图1可以看出：
一，当压力达到一定条件时，若是天然气的露点温度与体系温度相同，天然气就会逐渐变成液相，在温度慢慢下降的过程中，天然气中较重烃的液化率会首先出现急剧增加的变化，但是达到某一个值之后又会逐渐变慢。在较重烃液化的过程中，次重烃的液化率先是缓慢增加，然后液化率的速度会越来越快，达到某一个值之后液化率又会变得缓慢。同时C2、C1、CO2、N2组成的液化率在开始的时候速度较缓慢，在温度低于一定值后，其液化率就会快速增加。当天然气的泡点与体系温度一样时，所有的气体天然气都已冷凝成液体天然气。
二，这三种天然气原料气样的单组份具有相同变化趋势，但是其曲线斜率的变化不一样，天然气原料气样中的丙烷以上的组分的曲线斜率越大，其可以在温度变化范围不大的情况下完全实现液化。
三，当压力范围、温度不同时，各个单组份对总物流的贡献有所不同。
2 天然气丙烷以上组分与压力、冷凝温度的关系
这三种天然气由于组分不同，它们在压力、温度等条件一样时，液化率也会不一样。通常，天然气含有越多的C3组分，其C3 、C3+有着越高的液化率。虽然三种天然气的组分不同，但是当温度降低、压力增加时，都会使得C3 、C3+的液化率有所提升，然而这种增加并不是成比例的增加。C3 、C3+的液化率在低压、高温的环境下，具有较大的增长幅度，但是当压力不断升高、温度不断下降时，二者液化率的增幅均会有所下降。因此，要想提高低压气体的回收率，就必须采取相应的措施使得操作温度降低，通常要想使丙烷以上组分的回收率高于87.6%，在增压机出口压力是0.8兆帕时，必须把冷凝温度降至零下40度，但是在增压机出口压力是1.4兆帕时，冷凝温度在下降至零下20度的情况下就能取得一样的收率。因此，在装置具有较低的操作压力时，要想使轻烃回收率提升，就必须使得温度降低，但是温度的降低给轻烃回收装置的制冷能力带来了很大的挑战。
3 压力、冷凝温度对轻烃回收率的影响
在上述研究的范围中，丙烷以上组分的回收量上升的趋势并不完全一样，由图1可以看出，当压力小于3.0兆帕时，在压力不断升高的过程中，丙烷以上组分的回收量会随之减少，主要原因是当压力升高时，原料气中大多数丙烷以上的组分已经冷凝为液体，这时丙烷以上组分在原料气中含量会很低，因此其回收量会逐渐降低。由图1的变化曲线可以看出，当压力升高时，乙烷以下组分、轻烃的回收量会增加，当压力是1.0兆帕时，丙烷是轻烃中的主要组分，但是在压力逐渐升高的同时，乙烷以下组分的回收量会随之增多，当压力大于2.0兆帕时，乙烷以下组分、轻烃的回收量就在以线性的速度增加，并且它们的斜率基本相似，可以断定，在这个压力范围中，乙烷以下组分的增加是轻烃回收量增加的关键组成。在压力是某个值的时候，轻烃回收量会随着冷凝温度的下降而呈现线性上升的趋势，乙烷以下组分回收量的变化趋势与此相似，丙烷以上组分的回收量在冷凝温度低于零下30度的时候就不会随着温度的下降而增加。由此可知，要想保障轻烃回收装置运行的经济性，就不能无限制地降低冷凝温度。
4 压力、冷凝温度对轻烃回收装置能耗的影响
在增压机出口的压力变大时，轻烃回收装置的总能耗会随之不断增长，但是当压力大于2.0兆帕时，装置能耗的增长速度会慢慢变小，主要原因是在压力升高时，膨胀机回收的能力会提高。冷凝温度对轻烃回收装置能耗的影响关系见图1。由图可以看出，在压力是2.0兆帕时，轻烃回收装置的总能耗会在蒸发器出口温度下降的过程中呈现不断增加的趋势，并且温度范围不一样，装置能耗的增长幅度也不一样，装置能耗增长最快是温度从10度降至0度的温度段。
曲线斜率在冷凝温度从0度下降至零下15度的过程中有逐渐趋于平稳的变化，说明装置能耗的增长幅度是相对缓和的。但是在冷凝温度低于零下15度的时候，曲线斜率开始发生变化，在冷凝温度进一步降至零下20度以下时，曲线斜率就出现了剧烈的变化，这说明零下20度的冷凝温度是一个拐点，当低于零下20度时，轻烃回收装置的能耗会迅速增加，主要原因是氟利昂制冷系统在温度越低的情况下，其制造低品位冷量需要越大的功耗。
从图1中这3条曲线的排列顺序可以看出，最上方的是3.0兆帕压力所对应的曲线，可以看出规律是轻烃回收装置的压力越高，其能耗越大，主要原因是原料气压机增加系统压力，必须提供更多的能量。零下15度是3.0兆帕压力曲线的拐点温度，零下20度是2.0兆帕压力曲线的拐点温度，二者相比可知压力越大，其具有越高的拐点温度，主要原因是压缩机出口的温度会随着压力的升高而变高，从而对制冷系统有更大的冷量需求。而对于1.40兆帕的压力曲线，在本文所研究的温度范围内还没有出现拐点，主要原因是当温度较低时，轻烃回收装置有着较小的制冷量需求，因此，1.40兆帕压力对应的能耗曲线基本上是直线。由上可知，轻烃回收装置的压力不一样，其所对应的拐点温度也不一样，要想使轻烃回收过程的能耗降至最低，就必须把各个压力曲线的拐点温度作为轻烃回收装置的冷凝温度。
5 小结
本文通过对影响轻烃回收装置效益的压力与冷凝温度两个因素的分析，得出了在压力、冷凝温度变化时，轻烃回收率的变化规律。因此，要想使轻烃回收装置的能耗降低，轻烃回收率提升，就必须在回收过程中设定适合轻烃回收的压力与冷凝温度，并且在对轻烃回收装置的运行参数进行设定的时候，要对装置能耗及丙烷以上的回收量进行科学合理的综合考虑。
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