蔣 洪，祝夢雪

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

氦氣是一種稀有的戰(zhàn)略性資源。天然氣提氦技術(shù)主要包括變壓吸附法（PSA）、膜分離法和深冷法等；集成的天然氣提氦技術(shù)包括深冷-膜分離聯(lián)合法、深冷-膜分離耦合法、LNG聯(lián)產(chǎn)法、NRU聯(lián)合法、NGL-NRU聯(lián)合法、水合分離+催化脫氫法、閃蒸法及其改進(jìn)流程和TSA+真空PSA法[1]。國內(nèi)大多數(shù)油田采用深冷-膜分離工藝從天然氣中提氦，存在氦氣回收率低、綜合能耗大等問題[2-8]。

本文將低溫精餾與提氦工藝相結(jié)合，提出一種創(chuàng)新的天然氣氦氣回收方法——雙塔天然氣氦氣回收工藝。通過HYSYS模擬，考察該流程氦氣回收率和綜合能耗等，并對所建流程進(jìn)行傳統(tǒng)?分析及高級?分析，可為氣田回收氦氣提供參考。

1 深冷-膜分離聯(lián)合天然氣提氦工藝

大多數(shù)油田采用深冷-膜分離聯(lián)合天然氣提氦工藝。某生產(chǎn)現(xiàn)場原料氣處理規(guī)模為100 × 104m3/d，原料氣壓力為4.50 MPa，原料氣溫度為40 °C，外輸氣壓力大于4.20 MPa，原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成Table 1 Composition of feed gas

深冷-膜分離聯(lián)合天然氣提氦工藝的HYSYS模擬流程見圖1。膜分離后的天然氣進(jìn)入預(yù)冷冷箱降溫至-100 °C后進(jìn)入重?zé)N分離器，重?zé)N分離器氣相在預(yù)冷冷箱中降溫至-142 °C后進(jìn)入低溫分離器，重?zé)N分離器液相節(jié)流至3.60 MPa后直接進(jìn)入提氦塔。低溫分離器氣相與部分液相在深冷冷箱中冷卻至-175 °C后節(jié)流降壓至3.50 MPa進(jìn)入提氦塔；另一部分液相節(jié)流降壓至3.55 MPa后進(jìn)入提氦塔中部。提氦塔塔頂出料（3.40 MPa，-104 °C）進(jìn)入預(yù)冷冷箱升溫（3.40 MPa，36 °C）后作為粗氦產(chǎn)品。

圖1 深冷-膜分離聯(lián)合法提氦工藝模擬Fig. 1 Simulation of cryogenic-membrane separation combined process for helium extraction

2 雙塔天然氣氦氣回收工藝模擬及分析

2.1 流程介紹

基于現(xiàn)有深冷-膜分離聯(lián)合天然氣提氦工藝存在的氦氣回收率低、綜合能耗大等問題，本文提出了雙塔天然氣氦氣回收工藝，流程由氦氣提濃塔和氦氣回收塔兩部分組成，見圖2。經(jīng)預(yù)處理后的天然氣在主冷箱預(yù)冷后進(jìn)入重?zé)N分離器，重?zé)N分離器氣相經(jīng)主冷箱降溫后進(jìn)入低溫分離器，重?zé)N分離器液相進(jìn)主冷箱升溫后，經(jīng)過降壓進(jìn)入閃蒸罐，分離出氣體和凝液，氣相進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)。重?zé)N分離器氣相經(jīng)主冷箱降溫后進(jìn)入低溫分離器分離，低溫分離器氣相經(jīng)主冷箱降溫后節(jié)流降壓進(jìn)入氦氣提濃塔頂部，低溫分離器液相降壓進(jìn)入氦氣提濃塔中部，氦氣提濃塔塔頂出料經(jīng)氦氣回收冷箱降溫后進(jìn)入氦氣回收塔中部，氦氣提濃塔塔底出料一部分在主冷箱中升溫后至氦氣提濃塔底部進(jìn)料，另一部分分成兩股分別降壓后經(jīng)主冷箱升溫，隨后進(jìn)入增壓單元增壓。氦氣回收塔塔頂出料經(jīng)氦氣回收冷箱升溫后外輸，在氦氣回收塔塔底出料的一部分進(jìn)入氦氣回收冷箱升溫后至氦氣回收塔底部，另一部分塔底出料經(jīng)過節(jié)流降壓后依次進(jìn)入氦氣回收冷箱、主冷箱升溫，隨后進(jìn)入增壓單元增壓外輸。

圖2 雙塔天然氣氦氣回收工藝Fig. 2 Double-tower natural gas helium recovery process

2.2 流程模擬及兩種工藝參數(shù)比較

本文采用HYSYS進(jìn)行模擬，選擇Peng-Robinson方程作為氣液平衡模型，熵焓模型采用Lee-Kesler方程。換熱器選用板翅式換熱器，壓縮機(jī)絕熱效率為75%，壓縮比為9.05，回流泵絕熱效率為75%。雙塔天然氣氦氣回收工藝模擬見圖3。雙塔天然氣氦氣回收工藝與深冷-膜分離聯(lián)合法提氦工藝主要參數(shù)見表2。

圖3 雙塔天然氣氦氣回收工藝模擬Fig. 3 Simulation of double-tower natural gas helium recovery process

由表2 可知，深冷-膜分離聯(lián)合法提氦工藝氮?dú)庵评溲h(huán)壓縮功為109.04 kW，總壓縮功為1112.04 kW，總壓縮功包括制冷壓縮功和外輸氣壓縮功。雙塔天然氣氦氣回收工藝氮?dú)庵评溲h(huán)壓縮功為16.34 kW，遠(yuǎn)小于深冷-膜分離聯(lián)合提氦工藝，主要原因在于氮?dú)庋h(huán)制冷只需要為氦氣回收塔提供冷量，然而深冷-膜分離聯(lián)合法中的制冷循環(huán)卻需要同時為原料氣和提氦塔提供不同溫位的冷量，氮?dú)庀牧看?。深?膜分離法聯(lián)合提氦工藝中氦氣回收率為78.06%，粗氦產(chǎn)品純度為50.21%；雙塔天然氣氦氣回收工藝增加了低溫精餾流程，氦氣回收率與純度更高，分別為98.95%和73.48%。

3 傳統(tǒng)?分析

3.1 傳統(tǒng)?分析模型

將工藝中的各個設(shè)備視為獨(dú)立黑箱，?的組成包括動能?、勢能?、物理?及化學(xué)?[9-11]，物流中的動能及勢能變化忽略不計。本文的?分析主要針對物理?，建立如圖4 的傳統(tǒng)黑箱模型。

圖4 設(shè)備黑箱模型Fig. 4 Black box model of equipment

假設(shè)所有能量平衡系統(tǒng)的邊界參考環(huán)境T0，則第K個設(shè)備的能量平衡如式(1)。

式中，EF,K為設(shè)備K單位時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的?，kW；EP,K為設(shè)備K單位時間內(nèi)輸出系統(tǒng)的?，kW；ED,K為設(shè)備K單位時間內(nèi)系統(tǒng)的?損，kW。

主要設(shè)備傳統(tǒng)?分析計算模型如表3 所示。

表3 主要設(shè)備傳統(tǒng)?分析計算模型Table 3 Calculation model of traditional exergy analysis of main equipment

3.2 傳統(tǒng)?分析結(jié)果

根據(jù)KELLY等[9]提出的設(shè)備傳統(tǒng)?分析模型，可以計算得到各設(shè)備的?損及?效率。雙塔天然氣氦氣回收工藝氦氣回收單元主要設(shè)備?分析結(jié)果見表4。由表4 可知，氦氣回收單元整體的?效率為60.37%，除空冷器外，單元其他設(shè)備的?效率普遍較高；冷箱LNG-100 ?損最大，為446 kW，占總?損的47.48%。氦氣提濃塔?效率最高，為98.63%。

表4 氦氣回收單元主要設(shè)備?分析Table 4 Exergy analysis of main equipment of helium recovery unit

4 高級?分析

4.1 高級?分析方法

為了進(jìn)一步分析氦氣回收過程中設(shè)備的用能情況，對雙塔天然氣氦氣回收工藝進(jìn)行高級?分析。常規(guī)?分析僅能分析工藝流程中各個設(shè)備的?損及?效率，不能揭示系統(tǒng)的改進(jìn)潛力，而高級?分析正好能彌補(bǔ)上述缺陷。根據(jù)設(shè)備本身的不可逆性及其他設(shè)備的不可逆性，將設(shè)備所產(chǎn)生的?損分為內(nèi)源性?損和外源性?損。根據(jù)設(shè)備目前的制造水平以及未來的改造潛力，將設(shè)備所產(chǎn)生的?損分為可避免?損和不可避免?損[12-14]。

4.1.1 內(nèi)源性和外源性?損

在存在能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備中，不可逆的?損可分為兩個部分：由設(shè)備自身效率引起的，稱之為內(nèi)源性?損；系統(tǒng)其他設(shè)備低效率引起的，稱之為外源性?損。關(guān)系可以表達(dá)為式(2)。

KELLY等[9]提出的計算?損的4 種方法中，熱力學(xué)循環(huán)法和工程圖法為主要方法，當(dāng)系統(tǒng)未處于理想的運(yùn)行狀態(tài)時，不能使用熱力學(xué)循環(huán)法。本文氦氣提濃塔和氦氣回收塔很難在理想狀態(tài)下運(yùn)行，故采用工程圖法計算內(nèi)源性?損和外源性?損。運(yùn)用工程圖法，系統(tǒng)的總?損可按照式(3)進(jìn)行細(xì)分。

式中，ED,others為其他設(shè)備的?損，kW。為由于其他設(shè)備不可逆性所產(chǎn)生的?損，同時也是ED,others的函數(shù)。當(dāng)ED,others的值趨近于零時，也趨近于零，此時系統(tǒng)所產(chǎn)生的?損就是設(shè)備本身不可逆性所引起的，即總?損等于內(nèi)源性?損運(yùn)用工程圖法計算，繪制成圖5。由圖5可知，延長直線與縱坐標(biāo)相交，截距即為所求設(shè)備的內(nèi)源性?損。在繪制直線的過程中需要保證設(shè)備的?效率恒定不變。圖形的線性關(guān)系已經(jīng)在文獻(xiàn)[15]中得到了證明。

圖5 工程圖法獲取內(nèi)源性?損Fig. 5 Engineering drawing method for endogenous exergy loss

4.1.2 可避免和不可避免?損

由于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，即便使用最先進(jìn)的手段也不能消除的?損稱為不可避免?損，相反可以減少甚至消除的?損稱為可避免?損。將設(shè)備所產(chǎn)生的?損分為可避免及不可避免?損，如式(4)所示。

使設(shè)備處于最高效率下，計算出設(shè)備在不可避免情況下所產(chǎn)生的?損以及有效?，從而得到系數(shù)(ED,K/EP,K)UN，用以計算設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行工況下的不可避免?損，計算如式(5)所示。有效?的計算見式(6)。將設(shè)備的總?損減去不可避免?損得到設(shè)備的可避免?損，見式(7)。計算不可避免?損的假設(shè)見表5。

表5 計算不可避免?損的假設(shè)Table 5 Assumptions for calculating unavoidable exergy loss

4.1.3 ?損組合

將前述4 種?損進(jìn)行交叉組合，可得到設(shè)備更加細(xì)化的?損類型，包括可避免內(nèi)源性?損可避免外源性?損不可避免內(nèi)源性?損以及不可避免外源性?損種?損組合的特點(diǎn)如表6 所示，計算公式見式(8)~式(11)。

表6 4 種?損組合的特點(diǎn)Table 6 Features of four exergy loss

4.2 高級?分析結(jié)果

圖6 主要設(shè)備內(nèi)源性?損計算結(jié)果Fig. 6 Calculation results of endogenous exergy loss of main components

由表7 可知，設(shè)備的?損主要是由于自身不可逆性產(chǎn)生的，且占總?損的比例較高。設(shè)備不可避免狀態(tài)下的有效能利用率直接決定(ED,K/EP,K)UN的大小，直接反映可實(shí)現(xiàn)的有效能利用潛力，值越小設(shè)備可用能利用率越高。壓縮機(jī)所對應(yīng)的(ED,K/EP,K)UN相對較小，通過技術(shù)改造，這些設(shè)備能夠達(dá)到較高的有效能利用率。氦氣提濃塔和氦氣回收塔所對應(yīng)的(ED,K/EP,K)UN較大，改造這些設(shè)備受到一定的限制且不經(jīng)濟(jì)。此外，氦氣提濃塔和氦氣回收塔內(nèi)發(fā)生精餾反應(yīng)，不可逆性很大，使得提高有效能利用率變得十分困難。幾乎所有設(shè)備的?損都是由于自身不可逆性產(chǎn)生的，但是空冷器AC-303 的外源性?損大于內(nèi)源性?損，主要是因?yàn)槠浒惭b位置在外輸氣出口處，受環(huán)境溫度波動的影響。

氦氣回收工藝?損細(xì)分見圖7。由圖7 可知，氦氣回收工藝中，內(nèi)源性?損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外源性?損，即各設(shè)備產(chǎn)生的?損主要來源于自身的不可逆性，其他設(shè)備對于所研究設(shè)備的?損影響較小。氦氣回收工藝內(nèi)源性?損占系統(tǒng)總?損的85.24%。系統(tǒng)可避免?損占總?損的比例較大，與不可避免?損相比，高出45.28%?？梢娫撾p塔天然氣氦氣回收工藝具有很大的改進(jìn)潛力。

氦氣回收工藝綜合?損細(xì)分見圖8。由圖8可知，可避免內(nèi)源性?損占比最高，為67.9%，不可避免內(nèi)源性?損為17.4%、不可避免外源性?損為8.9%、可避免外源性?損為5.8%。

圖8 氦氣回收工藝綜合?損細(xì)分Fig. 8 Breakdown of comprehensive exergy loss of helium recovery process

設(shè)備總?損及?損細(xì)分見圖9。由圖9 可知，系統(tǒng)中大多數(shù)設(shè)備的?損主要是可避免內(nèi)源性?損，表明可以通過提高設(shè)備自身的效率來減少系統(tǒng)總?損。冷箱LNG-100 可避免內(nèi)源性?損的占比較高，提高該設(shè)備的效率是減少系統(tǒng)?損的有效措施。通過改變冷箱的結(jié)構(gòu)形式能夠降低設(shè)備的?損，提高系統(tǒng)有效能利用率。其次，可避免內(nèi)源性?損較大的是壓縮機(jī)和空冷器AC-302，通過提高壓縮機(jī)效率以及改變空冷器結(jié)構(gòu)能夠有效降低設(shè)備?損。塔設(shè)備中不可避免內(nèi)源性?損較大，改造這些設(shè)備受到一定的限制，且氦氣提濃塔和氦氣回收塔內(nèi)部發(fā)生精餾反應(yīng)，不可逆性很大，使得提高其有效能利用變得十分困難。

圖9 設(shè)備中各類型?損Fig. 9 Various types of exergy loss in equipment

5 結(jié)論

針對大多數(shù)油田采用的深冷-膜分離聯(lián)合法提氦工藝存在氦氣回收率低、綜合能耗高等缺點(diǎn)，本文提出了一種創(chuàng)新的雙塔天然氣氦氣回收工藝。通過模擬發(fā)現(xiàn)新工藝氦氣回收率、綜合能耗均比原工藝優(yōu)異。通過?分析發(fā)現(xiàn)雙塔天然氣氦氣回收工藝中所有設(shè)備內(nèi)源性?損均大于外源性?損，說明各設(shè)備產(chǎn)生的?損主要來源于自身的不可逆性；通過高級?分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)設(shè)備的可避免內(nèi)源性?損占總?損的比例較高，這說明改善系統(tǒng)有效能利用應(yīng)聚焦設(shè)備本身的性能改造而不是工藝結(jié)構(gòu)，改進(jìn)冷箱LNG-100 結(jié)構(gòu)形式、提高壓縮機(jī)效率、改進(jìn)空冷器AC-302 內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及改善其他設(shè)備的工作狀況能夠有效降低設(shè)備?損。