蔣 洪 李浩玉

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石油長慶油田公司

關(guān)鍵字：富氣；乙烷回收；RSV；改進(jìn)流程；RSVG；RSVF；板翅式換熱器；經(jīng)濟(jì)分析；熱力學(xué)

0 引言

乙烯生產(chǎn)能力是衡量一個(gè)國家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。在中國，乙烯的當(dāng)量消費(fèi)量多年來呈增長趨勢(shì)，是其生產(chǎn)能力的兩倍。中國乙烯資源缺乏，供應(yīng)缺口較大，幾乎一半的乙烯依賴于進(jìn)口，乙烷作為乙烯制備的重要原料，相比石腦油等有明顯的成本優(yōu)勢(shì)[1-2]。富天然氣組分中含有大量乙烷及更重?zé)N類，回收乙烷產(chǎn)品后再通過精餾分離凝液可得到液化石油氣和穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品，提升油氣田的經(jīng)濟(jì)效益[3-6]。

根據(jù)先前的研究和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，低溫法回收天然氣中的乙烷是最經(jīng)濟(jì)的方式，其中由Ortloff公司發(fā)明的部分氣體循環(huán)流程（Recycle Split Vapor Process，RSV）即為低溫法回收乙烷的代表流程[7-8]，近年來，RSV乙烷回收流程應(yīng)用廣泛[9]。2019年蔣洪等[10]提出了具有內(nèi)部制冷循環(huán)和吸收塔的創(chuàng)新工藝，富氣條件下該創(chuàng)新工藝明顯優(yōu)于常規(guī)的RSV工藝。2020年張世堅(jiān)等[11-12]基于RSV工藝提出了3種不同制冷工藝的RSV乙烷回收改進(jìn)流程，并采用經(jīng)濟(jì)分析、?分析等方法對(duì)提出的新工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。前人對(duì)RSV工藝改進(jìn)和不同制冷工藝的RSV乙烷回收流程進(jìn)行了全面的分析研究[13]，但很少有人立足于富氣條件對(duì)RSV主體工藝進(jìn)行改進(jìn)研究[14]，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、熱力學(xué)等綜合評(píng)價(jià)分析，并同時(shí)考慮新工藝的氣質(zhì)適應(yīng)性。

1 流程描述及模擬

目前全球乙烷需求量逐年增加，各國都致力于從天然氣中回收乙烷，以滿足市場(chǎng)需求，筆者針對(duì)回收率高、應(yīng)用廣泛的RSV乙烷回收流程在富原料天然氣中回收乙烷時(shí)系統(tǒng)能耗高等問題，提出了兩種改進(jìn)的流程，并綜合分析研究了富氣氣質(zhì)條件下各工藝的經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性。

1.1 流程描述

1.1.1 RSV流程

Ortloff公司基于氣體過冷流程提出了RSV乙烷回收流程，即將部分外輸氣冷凝、節(jié)流閃蒸后回流進(jìn)入脫甲烷塔頂部，形成一個(gè)以甲烷為主的制冷循環(huán)，產(chǎn)生低溫位的冷量，提高乙烷回收率，乙烷回收率可大于96%。同時(shí)利用低溫分離器的氣相和部分液相的混合物降溫節(jié)流后進(jìn)入脫甲烷塔中上部，一方面產(chǎn)生低溫位的冷量，另一方面部分液烴可吸收氣相中的重?zé)N和二氧化碳，提高回收率并降低二氧化碳凍堵的風(fēng)險(xiǎn)。RSV乙烷回收流程如圖1所示。

圖1 RSV乙烷回收流程圖

1.1.2 RSVG流程

帶汽提的部分干氣再循環(huán)乙烷回收工藝流程（Recycle Split Vapor With Gas Extraction Process，RSVG）的改進(jìn)思路是保留RSV流程特有的外輸干氣回流特點(diǎn)，將低溫分離器液相采用分流預(yù)冷與吸收塔相組合的方式，利用溫差實(shí)現(xiàn)重液相的進(jìn)一步分離。經(jīng)簡(jiǎn)單節(jié)流的低溫分離器液相作為吸收塔上部進(jìn)料，而經(jīng)節(jié)流后的另一股液相進(jìn)入冷箱升溫后作為吸收塔的底部進(jìn)料，汽提出吸收塔上部進(jìn)料中的甲烷等輕組分，大幅增加了脫甲烷塔上部進(jìn)料物流的甲烷含量，增強(qiáng)了對(duì)脫甲烷塔頂重組分的冷凝效果，提高了乙烷回收率。RSVG乙烷回收流程如圖2所示。

圖2 RSVG乙烷回收流程圖

1.1.3 RSVF流程

帶閃蒸的部分干氣再循環(huán)乙烷回收工藝流程（Recycle Split Vapor With Liquid Flashing Process，RSVF）的改進(jìn)思路是保留RSV流程特有的外輸干氣回流特點(diǎn)，采用兩級(jí)分離的方式，在低溫分離器后串聯(lián)閃蒸分離器。節(jié)流后的低溫分離器液相進(jìn)入冷箱換熱，升溫后進(jìn)入閃蒸分離器進(jìn)一步分離出甲烷等輕組分，實(shí)現(xiàn)輕重組分的預(yù)分離，同時(shí)甲烷含量較高的脫甲烷塔頂進(jìn)料進(jìn)一步增強(qiáng)冷凝效果，提高了乙烷回收率。由于低溫分離器溫度略高，膨脹機(jī)進(jìn)料量增加，膨脹產(chǎn)生的冷量及同軸壓縮機(jī)回收的軸功增加，降低了外輸壓縮機(jī)功耗。RSVF乙烷回收流程如圖3所示。

圖3 RSVF乙烷回收流程圖

1.2 流程模擬

1.2.1 原料氣組成

原料氣組成對(duì)乙烷回收工藝流程形式和各工藝參數(shù)有重要的影響，且原料氣組成存在隨時(shí)間變化的特性。為了研究RSV及其改進(jìn)流程在不同富氣下的特性，筆者選取5組GPM值大于2.5的富氣及超富氣（表1）。GPM值是指每1 000 ft3（1 ft3≈0.028 32 m3，下同）氣體（15.5 ℃，101.325 kPa）中可回收液烴的體積（按gal計(jì)，1 gal≈0.003 785 m3），可用來衡量天然氣氣質(zhì)的貧富[15-17]。原料氣流量為500×104m3/d，原料氣壓力為6 000 kPa，原料氣溫度為40 ℃。

表1 原料氣組成表

1.2.2 模擬關(guān)鍵控制參數(shù)

為了對(duì)不同氣質(zhì)的RSV及其改進(jìn)乙烷回收工藝進(jìn)行合理的比較，模擬的關(guān)鍵控制參數(shù)如表2所示。選擇Aspen HYSYS軟件和精確度較高的PR狀態(tài)方程進(jìn)行流程模擬[18-19]，外部制冷工藝選擇凝液回收工程常用的二級(jí)壓縮丙烷制冷+膨脹機(jī)制冷[20]。

表2 模擬的關(guān)鍵控制參數(shù)表

以原料氣1為例，根據(jù)表2中的模擬關(guān)鍵控制參數(shù)，保證乙烷回收率不低于95%的工況下，RSV及改進(jìn)流程的模擬結(jié)果如表3所示。

表3 RSV及改進(jìn)流程的模擬結(jié)果表

2 綜合對(duì)比分析

由于改進(jìn)流程均新增設(shè)備以達(dá)到節(jié)能減排的效果，因此，為了綜合對(duì)比分析原有流程及改進(jìn)流程，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性和流程運(yùn)行熱力學(xué)特性兩個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)各流程，以了解改進(jìn)流程的節(jié)能特性。

2.1 經(jīng)濟(jì)性分析

盡管常規(guī)的RSV乙烷回收流程相比改進(jìn)的乙烷回收流程具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，但基于新時(shí)代提質(zhì)增效發(fā)展要求，RSV流程仍然存在能耗高等不足之處。考慮到乙烷回收工藝投資和節(jié)能相互矛盾的兩個(gè)方面，采用多種經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法對(duì)RSV及其改進(jìn)工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

2.1.1 資本投資預(yù)算比較

資本成本通過工藝裝置主要設(shè)備的購買成本來估算，主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、塔、分離器、換熱器等，利用Aspen公司的經(jīng)濟(jì)分析軟件APEA（Aspen Process Economic Analyzer）以美元（文中$表示美元，M$表示百萬美元，下同）估算各設(shè)備總購買成本（TPEC），另外由于改進(jìn)流程中存在多股流的熱交換器—冷箱，考慮到多股流的板翅式換熱器的翅片類型、流道個(gè)數(shù)等都極大影響換熱器成本，不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行成本估算，故首先利用Aspen EDR（Aspen Exchanger Design and Rating）軟件對(duì)冷箱進(jìn)行板翅式換熱器設(shè)計(jì)，再利用APEA軟件預(yù)算冷箱的成本[22-23]。研究發(fā)現(xiàn)不同原料氣組成條件下，RSV及改進(jìn)工藝流程中相應(yīng)的板翅式換熱器結(jié)構(gòu)基本相同，稍有差異。

兩種改進(jìn)流程均以新增設(shè)備以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，且不同組成的工藝流程投資成本不同，故利用APEA經(jīng)濟(jì)分析軟件計(jì)算得RSV及改進(jìn)流程主要設(shè)備購買成本分布（圖4）。隨著氣質(zhì)GPM值的不斷增大，RSV及改進(jìn)工藝流程設(shè)備購買成本呈增大趨勢(shì)，且增大趨勢(shì)逐漸減緩，主要是因?yàn)闅赓|(zhì)越富，流程中換熱設(shè)備、分離設(shè)備及壓縮機(jī)等設(shè)備尺寸不斷增大。RSVG、RSVF流程新增設(shè)備投資較小，尤其新增了閃蒸罐的RSVF流程，由于閃蒸罐成本低，多級(jí)分離效果好，所需制冷劑循環(huán)量少，換熱及制冷壓縮機(jī)等投資較低。

圖4 RSV及改進(jìn)流程的設(shè)備購買成本分布圖

整個(gè)工藝每個(gè)附屬項(xiàng)目對(duì)總資本投資的貢獻(xiàn)是對(duì)TPEC乘以適當(dāng)因子后得到的[24]。資本投資分析中經(jīng)濟(jì)參數(shù)及量值情況如表4所示。

表4 資本投資分析中經(jīng)濟(jì)參數(shù)及量值表

根據(jù)表4中乙烷回收流程資本投資分析中經(jīng)濟(jì)參數(shù)基準(zhǔn)計(jì)算得RSVG及RSVF流程投資成本基本接近甚至低于基礎(chǔ)的RSV流程，兩個(gè)改進(jìn)流程新增設(shè)備投資小，且改進(jìn)效果明顯。5種原料氣工況條件下RSV及其改進(jìn)工藝流程總資本投資成本如表5所示。

表5 RSV及其改進(jìn)流程總資本投資成本表

2.1.2 操作成本預(yù)算對(duì)比

操作成本為裝置運(yùn)行時(shí)的能源支出，主要分為可變操作成本和固定操作成本，可變操作成本包括原料氣費(fèi)用、公用工程（電力，導(dǎo)熱油，冷卻水）成本；固定操作成本主要包括維護(hù)和修理費(fèi)用、員工工資支出。表6詳細(xì)列出了文中用到的操作成本參數(shù)。總的操作成本為原料氣成本、公用工程成本、維護(hù)及修理成本、工資支出（員工按12人計(jì)）之和[25-26]。

表6 操作成本參數(shù)表

研究中，設(shè)計(jì)乙烷回收裝置處理規(guī)模均為500×104m3/d，故此次原料氣成本為278.33 M$/a，平均工資支出為0.6 M$/a。其中原料氣成本、電能、維護(hù)和修理成本為主要的操作成本。

操作成本按大小依次為原料氣成本、電能成本、維修成本、導(dǎo)熱油成本和冷卻水成本，隨著原料氣GPM值的不斷增大，總操作成本整體呈上升趨勢(shì)，氣質(zhì)越富改進(jìn)流程運(yùn)行成本節(jié)能明顯。3種流程的總操作成本如圖5所示，RSV及改進(jìn)流程的公用工程成本如圖6所示。由圖6可以看出，公用工程增加主要為電能及導(dǎo)熱油成本增加，冷卻水成本幾乎無變化，主要是因?yàn)殡S著原料氣氣質(zhì)變富，制冷劑循環(huán)量需求增大，制冷循環(huán)壓縮機(jī)壓縮功增加，且脫乙烷塔塔底重沸器負(fù)荷增加，造成電能及導(dǎo)熱油成本不斷增加。RSV及改進(jìn)流程的脫乙烷塔重沸器負(fù)荷及導(dǎo)熱油成本如圖7所示，由圖7可知，不同氣質(zhì)工況下RSV及改進(jìn)流程的脫乙烷塔重沸器負(fù)荷及導(dǎo)熱油成本增加趨勢(shì)逐漸顯著。

圖5 RSV及改進(jìn)流程的總操作成本圖

圖6 RSV及改進(jìn)流程的公用工程成本圖

圖7 RSV及改進(jìn)流程重沸器負(fù)荷及導(dǎo)熱油成本圖

2.1.3 利潤分析對(duì)比

筆者利用不同的經(jīng)濟(jì)收益評(píng)估方法如投資回報(bào)率（Return On Investment，ROI）、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（Financial Net Present Value，F(xiàn)NPV）及回收期分析該項(xiàng)目的收益情況，對(duì)于一個(gè)獲益項(xiàng)目，凈利潤被期望盡可能高。ROI是指通過投資而應(yīng)返回的價(jià)值，即企業(yè)從一項(xiàng)投資活動(dòng)中得到的經(jīng)濟(jì)回報(bào)；FNPV是項(xiàng)目基于部門或行業(yè)的基準(zhǔn)收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率，不僅考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，并全面考慮了整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)現(xiàn)金流量的時(shí)間分布狀況；資本周轉(zhuǎn)速度愈快，回收期愈短，風(fēng)險(xiǎn)愈小，盈利愈多，一般小于3～4年[27]。

對(duì)于利潤評(píng)估，假設(shè)處理裝置運(yùn)行周期20年（包含2年啟動(dòng)及建設(shè)時(shí)間），稅率為30%，凈利潤（稅后）為總利潤減去稅收，總利潤為總收益減去總操作生產(chǎn)費(fèi)用。

ROI表示為每年凈利潤對(duì)TCI的百分比，其計(jì)算公式為：

FNPV是評(píng)價(jià)技術(shù)方案盈利能力的絕對(duì)指標(biāo)。當(dāng)FNPV≥0時(shí)，說明技術(shù)方案至少能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平，該技術(shù)方案可行；當(dāng)FNPV＜0時(shí)，說明該技術(shù)方案不滿足基準(zhǔn)收益率，該技術(shù)方案財(cái)務(wù)上不可行。FNPV計(jì)算公式為：

式中CI、CO分別表示現(xiàn)金流入和流出，美元；ic表示基準(zhǔn)收益率；N表示工作年限，a。

回報(bào)時(shí)間表示收回投資所需要的年限，為總投資成本額與每年現(xiàn)金凈流量之比，回報(bào)時(shí)間計(jì)算公式為：

資本和操作成本之間的權(quán)衡是選擇最佳工藝方案的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，因此，計(jì)算項(xiàng)目的盈利情況就顯得非常重要。通過模擬可得，當(dāng)保證乙烷回收率不低于94%時(shí)，同一氣質(zhì)條件下，RSV及改進(jìn)流程外輸氣量、乙烷產(chǎn)品量、C3+凝液產(chǎn)品量基本相同，產(chǎn)品產(chǎn)量誤差小于0.7%。一般情況下，隨著原料氣氣質(zhì)GPM值的不斷增大，外輸氣產(chǎn)量不斷減少，乙烷產(chǎn)品及C3+凝液產(chǎn)品量不斷增加，但具體產(chǎn)品收益和原料氣組成直接相關(guān)。

不同氣質(zhì)工況下RSV及改進(jìn)工藝流程的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果如表7所示，由表7可知，各工藝的FNPV值均大于零，能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平，該技術(shù)方案可行，同時(shí)項(xiàng)目投資回報(bào)率較大，投資回報(bào)時(shí)間較小，回報(bào)時(shí)間均不足1年。由于乙烷及C+3凝液產(chǎn)品單價(jià)幾乎是產(chǎn)品天然氣的2倍，隨著原料氣GPM值的增大，乙烷及C3+凝液產(chǎn)品量明顯增加，回報(bào)時(shí)間顯著下降。

表7 不同氣質(zhì)工況下RSV及改進(jìn)工藝流程的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果對(duì)比表

2.2 熱力學(xué)對(duì)比分析

2.2.1 綜合能耗分析

乙烷回收工藝中重沸器、壓縮機(jī)等采用不同形式的能源，且各能源的獲取代價(jià)不同，故不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的功率比較。筆者采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣田地面工程設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)規(guī)范：SY/T 6331—2013》[28]中的綜合能耗分析方法量化分析乙烷回收流程的用能情況。即將流程中各種用能量折算為當(dāng)量能耗，累計(jì)得到整個(gè)流程的綜合能耗[29-30]，綜合能耗計(jì)算公式為：

式中E表示綜合能耗，kW；ei表示能源i的能量消耗，kW；pi表示能源i轉(zhuǎn)換為當(dāng)量能耗的轉(zhuǎn)換系數(shù)；n表示消耗能源種類數(shù)。

乙烷回收裝置主要是壓縮機(jī)、泵耗費(fèi)電能；脫乙烷塔重沸器耗費(fèi)熱能（本文采用導(dǎo)熱油供能），電能折算系數(shù)取11.84 MJ/(kW·h)；導(dǎo)熱油折算系數(shù)常取1.29。不同氣質(zhì)工況下RSV及其改進(jìn)流程的各設(shè)備綜合能耗如圖8所示。由圖8可得，改進(jìn)的RSVG、RSVF流程分別通過增加吸收塔、閃蒸罐進(jìn)一步增強(qiáng)了原料氣輕重組分分離器效果，增加了脫甲烷塔頂進(jìn)料物流的甲烷含量，從而降低了外輸氣回流量，相同氣質(zhì)工況下，RSV及其改進(jìn)流程的最大外輸氣回流量分別僅為RSV流程外輸氣回流量的78.09%、78.92%。同時(shí)，隨著原料氣氣質(zhì)組成重?zé)N含量越多，RSVG、RSVF兩種改進(jìn)工藝節(jié)能潛力逐漸增大，尤其在原料氣5工況條件下，RSVF改進(jìn)工藝節(jié)能約10%，天然氣氣質(zhì)越富，節(jié)能效果越顯著。

圖8 RSV及改進(jìn)流程的各設(shè)備綜合能耗圖

2.2.2 ?分析

基于熱力學(xué)第一、二定律結(jié)合的?分析方法，可評(píng)價(jià)整個(gè)乙烷回收工藝用能系統(tǒng)能量品位及用能效率，揭示流程中不可逆性發(fā)生的位置及數(shù)量，以判斷流程能量利用的合理程度及改進(jìn)潛力[31]。系統(tǒng)中的?包括化學(xué)?、物理?、勢(shì)能?和動(dòng)能?，勢(shì)能?和動(dòng)能?很小常被忽略。以101.325 kPa、298.15 K為環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)，則單位流量物流的總?為：

其中，物流物理化學(xué)?計(jì)算式分別為[32-33]：

式中h、h0分別表示物流實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的焓，kJ/mol；s、s0分別表示物流實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的熵，J/K；T0表示環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)下的溫度，K；xi表示混合體系中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；eiθ表示i物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)?，kJ/kg；R表示通用氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)。

改進(jìn)工藝流程總的?損基本小于基礎(chǔ)的RSV流程，總?效率基本大于基礎(chǔ)的RSV工藝總?效率，5種原料氣氣質(zhì)工況下，改進(jìn)的RSVG、RSVF工藝流程較RSV工藝?損分別平均降低7.00%、15.72%。隨著原料氣GPM值不斷增大，兩者的總?損增加率明顯小于RSV工藝流程，同時(shí)類似于前面的能量分析，改進(jìn)的RSVF工藝流程性能較優(yōu)。RSV及其改進(jìn)工藝流程總?損及總?效率如表8所示。

表8 RSV及其改進(jìn)工藝流程總的?損及?效率表

3 結(jié)論

1）冷箱作為深冷乙烷回收工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一，常為板翅式換熱器，首先采用Aspen EDR對(duì)各工藝中冷箱進(jìn)行了板翅式換熱器設(shè)計(jì)，繼而精確計(jì)算冷箱設(shè)備的投資成本。設(shè)計(jì)核算分析發(fā)現(xiàn)，冷箱投資成本與換熱物流數(shù)目密切相關(guān)，且不同原料氣組成條件下4種工藝流程中相應(yīng)的板翅式換熱器結(jié)構(gòu)基本相同，稍有差異。

2）天然氣乙烷回收工藝是由眾多設(shè)備及其附屬組件組成，其設(shè)備投資成本主要取決于壓縮機(jī)、塔、換熱器等設(shè)備，壓縮機(jī)成本遠(yuǎn)大于其他設(shè)備成本。兩個(gè)改進(jìn)的流程投資成本相差不大，尤其RSVF工藝由于新增成本較低，同時(shí)閃蒸罐提高了分離效果，5種氣質(zhì)工況條件下投資成本均低于基礎(chǔ)的RSV乙烷回收工藝流程，且投資成本增長趨勢(shì)均低于RSVG改進(jìn)工藝；乙烷回收工藝操作成本主要為原料天然氣費(fèi)用，電能等公用工程損耗成本；研究中各工藝方案FNPV值均大于零，能滿足基準(zhǔn)收益率要求的盈利水平，同時(shí)投資回報(bào)率較大，投資回報(bào)時(shí)間較少，回報(bào)時(shí)間均不足1年；隨著原料氣GPM值的不斷增大，乙烷回收工藝各工藝投資及操作成本逐漸升高，但升高趨勢(shì)逐漸減緩，改進(jìn)的RSVG、RSVF流程投資成本及運(yùn)行成本基本接近或低于基礎(chǔ)RSV工藝。

3）改進(jìn)的RSVG、RSVF流程分別通過增加吸收塔、閃蒸罐富集了脫甲烷塔頂進(jìn)料物流的甲烷含量，降低了外輸氣回流量，相同氣質(zhì)工況下，兩改進(jìn)流程最大外輸氣回流量分別僅為RSV流程的78.09%和78.92%。5種原料氣條件下，隨著原料氣氣質(zhì)組成重?zé)N含量增多，RSVG、RSVF兩種改進(jìn)工藝節(jié)能潛力逐漸增大，較RSV工藝?損分別平均降低了7.00%和15.72%。

4）兩種RSV改進(jìn)工藝在經(jīng)濟(jì)性及熱力學(xué)層面均表現(xiàn)出一定的節(jié)能效果，尤其新增閃蒸罐的改進(jìn)RSVF工藝流程，多級(jí)分離效果好，運(yùn)行成本低，適應(yīng)性更強(qiáng)。