摘要：油田伴生气气质富、压力低，普遍采用直接换热工艺回收丙烷及丙烷以上重烃，存在系统冷量利用不合理、气质适应性差、系统能耗高等问题。结合油气田轻烃生产的实际情况，讨论了可用于提高油气田轻烃回收率的技术和方法。
关键词：丙烷制冷系统；液化石油气；回收率
一、丙烷制冷系统简介
目前，丙烷制冷机组普遍采用的工艺流程是：丙烷蒸发器中的气态丙烷由丙烷压缩机进行压缩，在压缩机出口油分离器中分离出机油后，去水冷冷凝器冷凝成液态丙烷，冷凝后高压液态丙烷经节流膨胀后进入经济器。经济器中的气态丙烷返回压缩机中段进一步进行压缩；液态丙烷经过控制蒸发器液位的调节阀进入蒸发器，气化变成气态丙烷，吸收天然气的热量；丙烷在制冷系统内部如此反复循环，不断吸收天然气的热量，从而达到制冷的目的。其中，丙烷压缩机是丙烷压缩制冷系统的主要能耗设备。
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图1压缩制冷循环在压焓图上的示意
如果忽略管线和静设备压降，压缩制冷循环在压焓图上如图1所示。1-2线段表示气态冷剂在压缩机中的压缩过程，近似地沿等熵线进行；2-2′-3′-3线段表示冷剂在冷凝器中的冷凝过程，为等压过程；3-4线段表示冷剂节流膨胀过程，为等焓过程；4-1线段表示冷剂在蒸发器中的蒸发过程，为等压过程（图1）。设系统循环的冷剂量为qm，整个制冷循环中所需要的压缩机功耗为
We=qm(h2-h1)（1）
制冷系统所提供的制冷量为
Q1=qm(h1-h4)（2）
由制冷系数的定义可知
ε=Q1 We=h1-h4 h2-h1（3）
由上述公式（1）~（3）可知，冷剂循环量压缩机入口压力和压缩机出口压力共同影响了压缩机的能耗和制冷量。
二、凝液回收工艺
分析现以该油田油气处理装置为例，分析常规DHX工艺存在的问题。原料气处理量１００×１０４m３／d，进气压力（绝压）０．２５MPa，进料温度３０℃，增压单元增压至３．６MPa，重接触塔、脱乙烷塔、脱丁烷塔操作压力分别为１．４MPa、２．０MPa、１．４５MPa。
1.系统冷量利用不合理。油田伴生气气质中重烃组分偏高，冷凝分离需要更多冷量。常规处理工艺中，重接触塔塔底液相温度（－６８．５℃）很低，直接进入脱乙烷塔顶部，导致脱乙烷塔塔顶出口气相温度偏高（－８℃），不仅浪费掉低温位的冷量，还增加了脱乙烷塔塔底重沸器的负荷；脱乙烷塔塔顶冷箱Ⅱ的最小夹点温度１１．２８℃，重接触塔塔顶气相冷量未有效回收。由此可见，常规工艺流程系统冷量利用不合理，耗费大量的冷、热公用工程。
2.丙烷收率有待进一步提高。根据气液两相平衡理论，对重接触塔塔板上气液两相中丙烷含量进行分析研究，经模拟得到每块塔板上气液两相中丙烷质量流量，液相中丙烷质量流量随塔板序列增大而不断升高，反映了丙烷逐级被冷凝吸收的过程，丙烷在重接触塔塔顶气相中损失了５００kg／h，并从第二块塔板开始流量逐渐增大，说明重接触塔的重吸收作用没达到应有的效果，丙烷收率限制在９０％左右，要提高装置丙烷收率且避免能耗的大幅增加，必须增强重接触塔的重吸收作用。
三、油田伴生气凝液回收工艺改进
研究以提高装置整体经济效益为目标，对现有工艺进行工艺流程改进，增强重接触塔的重吸收作用，提高丙烷收率，应用能量集成技术对系统冷箱换热网络进行优化设计，提高系统自身能量利用率，降低系统能耗。具体内容如下：（１）针对气质较富的油田伴生气采用逐级冷凝、逐级分离的两级分离方式进行冷凝分离，降低丙烷制冷的冷量消耗、提高冷凝深度，以最少的冷量消耗冷凝出最多的重烃。（２）在脱乙烷塔塔顶增设丙烷制冷＋塔顶回流罐，降低脱乙烷塔塔顶气温度后，分离出气液两相并分别进入重接触塔和脱乙烷塔。（３）对系统换热网络进行冷热集成，所有的换热过程均在一个冷箱中完成，提高系统自身能量的利用率，降低系统能耗。原料气经增压单元增压后（３．６MPa），进行分子筛深度脱水，制冷单元以膨胀机制冷为主、丙烷制冷为辅的制冷方式，应用两级分离最大限度地将重组分冷凝分离，重接触塔塔底液相经冷箱换热后进入脱乙烷塔塔底，脱乙烷塔塔顶气相过冷后进入回流罐分离气液两相，引出液相作为脱乙烷塔塔顶回流，全部气相进入重接触塔，作为重接触塔的吸收剂。
1.两级分离降低丙烷预冷量。采用两级冷凝分离的主要任务是以最少的冷量消耗冷凝出最多的凝液，分离器位置不同会影响分离效果。因此，对分离器位置进行了比选，同时评价分离效果。二级分离器位置一般在膨胀机前，一级分离器位置可以选择在丙烷制冷前和丙烷制冷后两个位置，低温分离器在不同位置时工艺模拟结果见表３。两级分离时，丙烷制冷后分离方案冷凝的液量明显比丙烷制冷前分离方案冷凝的液量多。经分析发现，前者将更多的轻组分（甲烷和乙烷）冷凝下来，进入脱乙烷塔，增加了脱乙烷塔塔底重沸器负荷，增加量为６５kW。同时，在丙烷制冷前先分离出２９５．８kmol／h的液量，可有效降低丙烷制冷负荷，降低了９５kW。同理，两级分离丙烷制冷前分离方案相比单级分离方案，丙烷制冷量减少了８４．５kW，重沸器负荷降低了７５kW。两级分离效果明显优于单级分离。因此，改进工艺采用两级分离方式，分离位置选择在丙烷制冷前。
2.增设塔顶回流罐提高丙烷回收率。通过对国外DHX工艺的调研，高效流程在脱乙烷塔塔顶增设回流罐，加强重接触塔的重吸收作用，提高丙烷回收率。目前，国内凝液回收处理装置大多不设回流罐，在现场运行过程中易出现段塞流，影响装置运行，例如，某油田温米装置在技改时增设了塔顶回流罐，确保重接触塔塔顶进料的连续稳定。保持其他操作条件不变，通过改变塔顶回流比研究其对装置丙烷收率、脱乙烷塔操作参数及丙烷制冷量的影响，其中回流量为零表示无回流罐，全回流时丙烷收率最高，随回流比减小，丙烷收率不断降低，丙烷制冷总量保持不变。很显然，回流比减小，脱乙烷塔塔顶气温度升高，气量不断增大，需要的冷量增多，导致冷量后移。经分析发现，随回流比减小，脱乙烷塔塔顶出料气质逐渐变富，将全回流与回流比为１．５进行比较发现，重接触塔塔顶进料丙烷的摩尔分数由１．９％变为７．６％，不利于重接触塔的重吸收作用。综合考虑以上因素，在改进工艺流程中增设塔顶回流罐，选择全回流方式。随脱乙烷塔塔顶回流罐温度的升高，重接触塔塔顶进料中丙烷含量不断升高，丙烷回收率不断下降，而塔顶进料中乙烷摩尔分数随温度变化不大（仅从４２．２４％降到３８．４２％）。通过模拟分析发现，重接触塔塔顶进料气质越贫，装置丙烷收率越高。为保证重接触塔的高效运行，必须控制脱乙烷塔塔顶回流罐的温度，在脱乙烷塔塔顶增设丙烷制冷后，回流罐温度控制在－３０℃以下，此时，丙烷摩尔分数小于３．４％时，丙烷回收率达９８．３％以上。由此可见，增设塔顶回流罐不仅提高了丙烷收率，还增强了工艺对原料气气质的适应性。
以提高装置整体经济效益为目标，对油田伴生气凝液回收工艺进行工艺流程改进，采用两级分离降低丙烷制冷量，在脱乙烷塔塔顶增设回流罐，增强重接触塔的重吸收作用，提高丙烷收率。常规DHX工艺中重接触塔塔顶气相和塔底液相冷量未有效回收，热集成度不高；同时，重接触塔的重吸收作用没达到应有的效果，外输气中携带了部分丙烷，导致丙烷收率被限制在９０％左右，丙烷回收率有待进一步提高。
参考文献：
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