陳開(kāi)貴，杜 燕，彭凌剛，徐 強(qiáng)，陳飛宇

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提高淺冷裝置輕烴產(chǎn)量技術(shù)研究

陳開(kāi)貴，杜 燕，彭凌剛，徐 強(qiáng)，陳飛宇

（新疆油田公司采油二廠， 新疆 克拉瑪依 834008）

根據(jù)淺冷裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)制約輕烴產(chǎn)量的因素進(jìn)行分析，對(duì)輕烴生產(chǎn)及輸送工藝實(shí)施優(yōu)化，使現(xiàn)有資源得到有效利用，實(shí)現(xiàn)提高裝置輕烴產(chǎn)量及裝置本質(zhì)安全的目的。

輕烴；燃?xì)鈮嚎s機(jī)；氣波制冷機(jī)；單作用；換熱器

新疆油田公司采油二廠天然氣處理站1#、2#淺冷裝置，設(shè)計(jì)處理量均為60×104m3/d，主要負(fù)責(zé)油田伴生氣的處理。兩套裝置均采用燃?xì)鈮嚎s機(jī)增壓、分子篩脫水器脫水、繞管換熱器預(yù)冷、氣波制冷機(jī)（簡(jiǎn)稱“氣波機(jī)”）制冷脫烴生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品有干氣（C1和C2）和輕烴（C3及以上混合物），輕烴輸送到深冷裝置切割單元切割為液化石油氣和輕質(zhì)油，干氣進(jìn)入西北緣天然氣管網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配。

兩套淺冷裝置制冷單元均使用QBJ-YV-80/4.0型氣波機(jī)，設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力2.5～3.0 MPa，排出壓力1.2～1.5 MPa，進(jìn)口溫度0～-15 ℃，出口溫度-20～-45 ℃,轉(zhuǎn)速范圍1 000～2 000 r/min。

1 裝置存在問(wèn)題

（1）1#淺冷裝置燃?xì)鈮嚎s機(jī)排氣壓力低，導(dǎo)致1#氣波機(jī)進(jìn)口壓力低，進(jìn)出口壓差?。?.3～0.6 MPa），制冷效率低，裝置輕烴產(chǎn)量低。

（2）2#淺冷裝置壓縮機(jī)空冷器天然氣出口溫度高，導(dǎo)致2#氣波機(jī)進(jìn)口溫度高（5～15 ℃），制冷效率低，輕烴產(chǎn)量低。

（3）輕烴緩沖罐罐體材質(zhì)制約輕烴產(chǎn)量。

2 原因分析

除氣波機(jī)設(shè)備本體因素外，其進(jìn)出口溫度、壓差也是影響制冷效率的關(guān)鍵因素。

2.1 1#淺冷裝置壓縮機(jī)排氣及氣波機(jī)進(jìn)口壓力低

1#淺冷裝置6臺(tái)ZTY470ML19×11型燃?xì)鈮嚎s機(jī)于2003年投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)排氣壓力2.5～3.0 MPa。壓縮機(jī)平均運(yùn)行時(shí)間超過(guò)7萬(wàn)h，動(dòng)力部分磨損嚴(yán)重，動(dòng)力端功率明顯下降，形成小馬拉大車(chē)的現(xiàn)象。動(dòng)力缸排氣溫度高、敲缸頻繁，壓縮機(jī)排氣壓力低。為保證壓縮機(jī)正常運(yùn)行，減少設(shè)備故障，需降低轉(zhuǎn)速，將排氣壓力控制在1.9 MPa以下。壓縮端與動(dòng)力端功率不匹配是制約壓縮機(jī)排氣壓力的主要原因。

壓縮機(jī)排氣壓力低，導(dǎo)致1#氣波機(jī)進(jìn)口壓力低（最高1.8 MPa），進(jìn)出口壓差?。?.3～0.6 MPa），制冷效率低，脫烴效果差。

2.2 2#淺冷裝置氣波機(jī)進(jìn)口溫度高

FTY1000H15×15×9×9型燃?xì)鈮嚎s機(jī)采用空冷器對(duì)壓縮天然氣進(jìn)行冷卻。受制造工藝等因素影響，空冷器天然氣出口溫度比環(huán)境溫度高10℃左右?？死斠赖貐^(qū)夏季炎熱，室外環(huán)境溫度最高達(dá)到45 ℃以上，空冷器天然氣出口溫度高達(dá)45～55℃，造成2#氣波機(jī)進(jìn)口溫度高（5～15 ℃）。

2.3 輕烴緩沖罐罐體材質(zhì)制約輕烴產(chǎn)量

冬季環(huán)境溫度低，氣波機(jī)進(jìn)口溫度低，制冷效率高，其出口溫度可降低至設(shè)計(jì)溫度-45 ℃。而輕烴緩沖罐（原液化石油氣罐，工藝改造后作為輕烴緩沖罐）罐體材質(zhì)為16MnR，能承受的最低溫度為-20 ℃[1]。增加輕烴產(chǎn)量則需降低氣波機(jī)出口溫度至-20 ℃以下，罐體存在安全隱患；在保證安全生產(chǎn)前提下，輕烴產(chǎn)量存在瓶頸限制，現(xiàn)場(chǎng)安全與生產(chǎn)存在矛盾。

3 采取措施

3.1 改造1#淺冷裝置單作用方式運(yùn)行

3.1.1 方案的選擇

針對(duì)壓縮機(jī)存在的問(wèn)題，可通過(guò)兩種方法改善其運(yùn)行工況：一是提高動(dòng)力端功率，使其恢復(fù)到接近出廠狀態(tài)；二是減小壓縮端功率，使壓縮端與動(dòng)力端功率相匹配。

提高動(dòng)力端功率最有效的方法是更換動(dòng)力缸，該方案施工周期長(zhǎng)、改造費(fèi)用高、影響生產(chǎn)。

減小壓縮端功率，可通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮缸余隙值、壓縮缸單作用改造、改變壓縮缸尺寸等多種方法實(shí)現(xiàn)。單作用改造費(fèi)用小，耗時(shí)短，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)影響小，排氣壓力及排氣量調(diào)節(jié)范圍大。

壓縮機(jī)雙作用方式運(yùn)行時(shí)，壓縮活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，能完成兩次膨脹、吸氣、壓縮和排氣過(guò)程[2]。單作用方式運(yùn)行時(shí)，壓縮活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，只完成一次上述過(guò)程。單作用方式運(yùn)行，可大幅降低壓縮端功率，減輕動(dòng)力缸負(fù)荷，提高排氣壓力，有效改善壓縮機(jī)運(yùn)行工況。

1#淺冷裝置壓縮機(jī)，將一級(jí)壓縮缸改造為單作用方式運(yùn)行。為減小壓縮缸單作用方式運(yùn)行對(duì)排氣量的影響，選擇蓋側(cè)單作用方式，即蓋側(cè)壓縮做功；同時(shí)輔以余隙調(diào)節(jié)方式配合。

3.1.2 計(jì)算分析

首先，計(jì)算壓縮機(jī)單作用方式下的許可排氣壓力范圍，并根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)壓力需求計(jì)算該工況下排氣量及活塞桿載荷。

然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)計(jì)算結(jié)果；根據(jù)裝置來(lái)氣量、壓縮機(jī)總排氣量及單作用方式下的運(yùn)行工況確認(rèn)改造效果。

使用Shortcut to Ajax Performance工況計(jì)算軟件對(duì)單作用方式下機(jī)組的許可排氣壓力范圍進(jìn)行計(jì)算（圖1，轉(zhuǎn)速380 r/min,吸壓0.23 MPa，一、二級(jí)壓縮缸余隙值設(shè)置為0）。

圖1 壓縮機(jī)排氣壓力范圍計(jì)算

通過(guò)計(jì)算，壓縮機(jī)單作用方式下排氣壓力最高可達(dá)435 psi(3 MPa)，此時(shí)活塞桿載荷未超出最大許用載荷。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，確定排氣壓力為2.5 MPa。計(jì)算出該排氣壓力下壓縮機(jī)的排氣量為2.62 MMscfd/d (7.41×104m3/d)，活塞桿載荷為370.6 BHP。

3.1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)選用兩臺(tái)性能相近的壓縮機(jī)，雙作用試驗(yàn)排氣壓力1.9 MPa（設(shè)備排氣壓力極限值，余隙100%）。單作用試驗(yàn)時(shí)根據(jù)設(shè)備工況（余隙0），將排氣壓力緩慢提高，試驗(yàn)得出排氣壓力極限值2.91 MPa，在此范圍內(nèi)，將排氣壓力穩(wěn)定在2.5 MPa。機(jī)組單、雙作用試驗(yàn)時(shí)間均為48 h，現(xiàn)場(chǎng)錄取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：壓縮機(jī)單作用方式運(yùn)行、排氣壓力2.5 MPa時(shí)，動(dòng)力缸排氣溫度大幅降低，敲缸現(xiàn)象明顯改善，活塞桿載荷減輕，在當(dāng)前參數(shù)范圍內(nèi)，壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工況良好；壓縮機(jī)雙作用試驗(yàn)排氣量為9.84×104m3/d，單作用試驗(yàn)排氣量為6.98×104m3/d。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)單、雙作用試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值接近。1#淺冷裝置來(lái)氣量約40×104m3/d，6臺(tái)壓縮機(jī)單作用方式運(yùn)行時(shí)總排氣量約42×104m3/d，綜合考慮裝置來(lái)氣量、壓縮機(jī)排氣量等工況，壓縮機(jī)單作用方式運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)提高排氣壓力的目的。

壓縮機(jī)單作用方式運(yùn)行，可將排氣壓力提高至2.5 MPa，1#氣波機(jī)進(jìn)口壓力提高至2.4 MPa，進(jìn)出口壓差增加至0.9～1.2 MPa，有效提高了氣波機(jī)的制冷效率，增加了裝置輕烴產(chǎn)量。

3.2 2#淺冷裝置增加U型管式氣/水換熱器

氣波機(jī)進(jìn)口溫度是影響其制冷效率的重要因素，氣波機(jī)理想進(jìn)口溫度是0～-15 ℃。

夏季受高溫環(huán)境影響，2#淺冷裝置壓縮機(jī)空冷器天然氣出口溫度高達(dá)45～55 ℃，2#氣波機(jī)進(jìn)口溫度高（5～15 ℃），制冷效率低、輕烴產(chǎn)量低。

降低制冷單元前端天然氣溫度，可大幅降低氣波機(jī)進(jìn)口溫度。通過(guò)對(duì)2#淺冷裝置進(jìn)行工藝優(yōu)化，在壓縮機(jī)空冷器與高效分離器之間的天然氣管線上安裝換熱器可實(shí)現(xiàn)這一目的（圖2）。

圖2 2#淺冷裝置壓縮單元工藝流程示意圖

注：細(xì)實(shí)線為原流程，粗實(shí)線為新增流程。

滿足2#淺冷裝置天然氣處理量、工作壓力、空冷器出口天然氣溫度條件下，確定換熱器的面積及冷卻水流量，裝置冷卻水供給量能否滿足需求。

U型管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，安裝維修方便，熱效率高，換熱管束伸縮自由，換熱面積大，換熱效果受環(huán)境溫度影響小[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇使用U型管式換熱器，并進(jìn)行計(jì)算。

操作條件：天然氣流量25 000 m3/h，進(jìn)口溫度55 ℃，出口溫度35 ℃，工作壓力2.5～3.0 MPa，冷卻水進(jìn)口溫度28 ℃、出口溫度35 ℃。

根據(jù)熱量平衡方程式，換熱器中天然氣溫度降低釋放的熱量應(yīng)等于冷卻水溫度升高吸收的熱量，分別計(jì)算熱負(fù)荷、冷卻水流量、有效平均溫差 、換熱器換熱面積。

（1） 天然氣釋放熱量的計(jì)算：

=169 260（kcal/h）

式中：氣—天然氣釋放的熱量kcal;

氣—天然氣比熱kcal/(kg?℃)﹝根據(jù)天然氣組分取值0.503 9﹞;

氣—天然氣質(zhì)量 kg/h;

△氣—換熱器天然氣進(jìn)出口溫差, ℃。

（2） 冷卻水流量的計(jì)算：

根據(jù)熱量平衡方程式得出：氣＝水

式中：2—冷卻水流量, m3/h;

氣—天然氣釋放的熱量, kcal;

水—水的比熱, kcal/(kg?℃);

水—水的密度，kg / m3。

（3）換熱器換熱面積的計(jì)算：

得出：＝114（m2）

式中：——傳熱系數(shù), kcal/(m2?℃)（100~380之間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值120）;

△——有效平均溫差,℃;

△t——換熱器大溫差端的流體溫差,℃;

△t——換熱器小溫差端的流體溫差,℃。

淺冷裝置冷卻水供給能力為200 m3/h，已用水量140 m3/h，剩余能力60 m3/h，能滿足新增換熱器冷卻水流量24 m3/h的需求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選型，確定換熱器換熱面積125 m2，冷卻水流量40 m3/h。

U型管式氣/水換熱器夏季投用后，可將空冷器天然氣出口溫度從55 ℃降到35 ℃左右，氣波機(jī)進(jìn)口溫度由5～15 ℃降至-4～-9 ℃，提高了氣波機(jī)制冷效率。

3.3 利用套管式換熱器提高輕烴緩沖罐進(jìn)液溫度

冬季氣波機(jī)出口溫度可降低至設(shè)計(jì)溫度-45℃。而輕烴緩沖罐能承受的最低溫度為-20 ℃。增加輕烴產(chǎn)量則需降低氣波機(jī)出口溫度至-20 ℃以下，罐體存在安全隱患。

通過(guò)采取措施，降低氣波機(jī)出口溫度，提高輕烴緩沖罐進(jìn)液溫度。可解決淺冷裝置輕烴生產(chǎn)瓶頸，提高輕烴產(chǎn)量，消除裝置安全隱患。

對(duì)輕烴輸送工藝進(jìn)行優(yōu)化改造，在淺冷裝置輕烴總線至輕烴緩沖罐之間增加換熱器可實(shí)現(xiàn)這一目的（圖3）。

圖3 輕烴輸送流程示意圖

注：細(xì)實(shí)線為原流程，粗實(shí)線為新增流程。

滿足裝置輕烴液量、工作壓力、輕烴輸送溫度條件下，確定換熱器的換熱面積及冷卻水流量，裝置冷卻水供給量能否滿足換熱器需求。

套管式換熱器以同心套管中的內(nèi)管作為傳熱元件，兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作適應(yīng)范圍大，傳熱面積增減自如，傳熱效能高，適用于高溫、高壓、小流量流體的傳熱[5]。淺冷裝置輕烴產(chǎn)量約30 t/d，輕烴流量低且不連續(xù)均勻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選用套管式換熱器，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算方法類同U型管式換熱器，計(jì)算過(guò)程略）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選型，確定換熱器換熱面積為4.8 m2，每程換熱管有效長(zhǎng)度4 m，冷卻水流量5 m3/h。

淺冷裝置冷卻水供給能力為200 m3/h，已用水量140～180 m3/h（新增U型管式換熱器冬季停用），剩余能力20～60 m3/h，能滿足新增換熱器冷卻水流量5 m3/h的需求。

流程改造后，冬季投用烴/水套管式換熱器，消除了輕烴生產(chǎn)瓶頸，氣波機(jī)可高效運(yùn)行，氣波機(jī)出口溫度降至-35～-40 ℃，輕烴產(chǎn)量大幅提高。輕烴輸送溫度可從-40 ℃提高到-5 ℃以上，輕烴緩沖罐進(jìn)液溫度達(dá)到-5 ℃以上，滿足罐體材質(zhì)要求，消除了裝置安全隱患。

4 效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）1#淺冷裝置燃?xì)鈮嚎s機(jī)改造為單作用方式運(yùn)行，將壓縮機(jī)排氣壓力提高至2.5 MPa，1#氣波機(jī)進(jìn)出口壓差達(dá)到0.9～1.2 MPa，提高了制冷效率，增加輕烴產(chǎn)量約6 t/d，年增加輕烴產(chǎn)量約1 980 t。

（2）2#淺冷裝置壓縮機(jī)空冷器后端增加一臺(tái)U型管式氣/水換熱器，夏季可將壓縮天然氣溫度降到35 ℃以下，2#氣波機(jī)進(jìn)口溫度由5～15 ℃降至-4～-9 ℃，氣波機(jī)制冷效率提高，夏季輕烴產(chǎn)量由6 t/d提高到12 t/d以上，年增加輕烴產(chǎn)量約1 080 t。

（3）利用套管式換熱器提高輕烴緩沖罐進(jìn)液溫度，消除了輕烴生產(chǎn)瓶頸，冬季輕烴產(chǎn)量由12 t/d提高到17 t/d以上，年增加輕烴產(chǎn)量約900 t。

4.2 安全效益

安全是生產(chǎn)的前提，生產(chǎn)必須安全。天然氣處理站是一級(jí)重點(diǎn)要害崗位，裝置安全尤其重要。利用套管式換熱器提高輕烴緩沖罐進(jìn)液溫度，消除了罐體存在的安全隱患，保證了天然氣處理裝置的安全運(yùn)行。

［1］GB151-1999 管殼式換熱器[S]．

［2］勒兆文. 壓縮機(jī)工[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］王爭(zhēng)昇，王學(xué)生，戰(zhàn)洪仁，等. 淺談U型管換熱器[J]. 廣東化工，2009，36（10）：172-174．

［4］GB150-1998 鋼制壓力容器[S].

［5］蘭州石油機(jī)械研究所主編. 換熱器[M]. 北京：烴加工出版社，1990．

Technology Study on Improving Light Hydrocarbon Yield of Shallow Condensing Unit

，，，，

（Xinjiang Oilfield Company No.2 Oil Production Plant, Xinjiang Keramay 834008，China）

According to the current running status of the shallow condensing unit, factors to restrict production of light hydrocarbon were analyzed, and then production process and transportation process of light hydrocarbon were optimized to make efficient use of available resources and increase light hydrocarbon production yield.

Light hydrocarbon; Gas compressor; Gas wave refrigerator; Single acting; Heat exchanger

TE 96

A

1671-0460（2014）06-1011-04

2013-11-15

陳開(kāi)貴（1981-），男，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，工程師，2004年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：天然氣處理。E-mail：chkg@petrochina.com.cn。