天然气站区节流膨胀制冷工艺的论述与优化

2022-09-11

一、天然气凝液回收的重要意义

天然气凝液, 顾名思义, 系天然气通过冷凝从而回收得到的烃类液体, 即C2+烃类组分。国外称为NGL, 国内油田从原油的角度出发将NGL称之为“轻烃”。NGL通常可分为三部分, 即乙烷、液化石油气和稳定轻烃。应当指出, NGL是很有价值的工业原料, 利用C2组分可以生产乙烯。NGL也是很重要的液体燃料, 我们常用的液化石油气即是C3和C4的混合物。C5+根据其组成的不同科送入炼油厂炼制, 或直接作为汽油的调和组成, 或作为生产溶剂油的原料。同时, NGL组分如不予分离又有可能对天然气集输等过程产生不良影响。

二、天然气凝液回收方法分类

从天然气中回收NGL有多种多样的方法, 主要有吸附法、油吸收法和冷凝分离法。目前在NGL回收领域居于主导地位的工艺是冷凝分离法, 冷凝分离法是利用天然气中各烃类组分冷凝温度不同的特点, 通过制冷将天然气冷至一定温度从而将沸点较高的烃类冷凝分离, 并将凝液分馏成合格产品的方法。其冷能的获得可经由两种不同的途径, 一是利用冷剂将天然气通过间接换热冷至所需的温度, 二是利用气体本身的压能通过降压膨胀而产生所需的低温。主要制冷方法有:节流膨胀制冷、热分离机制冷、透平膨胀机制冷、外加冷源在制冷等。

三、节流膨胀制冷原理

膨胀制冷系利用天然气本身的压力经膨胀降压而产生温度的降低。最早使用的膨胀制冷元件是节流阀, 它很简单, 容易操作。

节流阀的工作原理是气流产生了焦耳-汤姆逊 (J-T) 效应, 所以也常称为J-T阀。对于理想气体, 其焓值仅是温度的函数;而真实气体的焓值则是温度和压力二者的函数。故在节流膨胀时随压力的变化为维持焓值不变其温度也要变化。节流膨胀这一等焓过程产生的冷量大大低于等熵膨胀可以获得的冷量, 但节流阀制冷可在不适于采用膨胀机的工况条件下采用, 虽然降温效果差一些, NGL回收率低一些, 但投资很少。大体上每降低0.1MPa可使气温下降0.5-1℃;且在较高温度下降压时的降温效果较差, 在较低温度下降压则可取得更好的降温效果。还应该指出的是, 节流阀在有液相产生的条件下它也可以正常操作;此外, 节流膨胀时不能回收功。

四、节流膨胀制冷工艺

1. 节流膨胀制冷的示意图

节流阀工艺的主要用途是依靠节流后获得更低的温度分离回收轻烃, 那么, 我们先来了解一下节流膨胀制冷的工艺示意图, 见图4-1。

2. 节流膨胀制冷的影响因素

我们大家都知道, 通过温度的降低或压力的升高都可以提高轻烃回收率, 而节流阀制冷工艺则是利用节流后获得较低的温度来实现轻烃的分离和回收。但若节流压降过大, 则虽可获得较低温度, 但压力也会降低, 冷凝量并不一定能达到最大值。因此在凝液回收和分离过程中, 需权衡压力和温度的相互关系, 根据实际情况分析出两者中对凝液回收影响更大的因素。

在天然气凝液回收的实际操作中, 当甲烷体积百分含量较大 (80%以上) , 节流后压力和温度对冷凝量的影响在不同阶段的影响过程是不同的, 当压降较小, 虽然压力降低, 但节流后温度也降低, 那么此时冷凝量也是增加的, 因此此时温度的降低是主导冷凝量增加的因素;当压降增大, 节流后压力低于某个数值时, 虽然温度降低, 但冷凝量开始减少, 此时压力的降低是主导冷凝量较少的因素。造成上述现象的原因是:天然气是否具有反凝析现象;压力降低导致冷凝量较少。

3. 节流膨胀制冷工艺优化

(1) 确定节流膨胀制冷的操作条件

首先通过生产要求确定烃露点, 计算出节流阀前的压力是多少, 才能保证节流阀后的压力, 使天然气降低至需要的烃露点以下。

(2) 增设辅助设施保证节流膨胀制冷要求

当节流阀前压力不能提供节流后足够的压力时, 应根据分离压力是否需要辅以原料气增压设施。冷凝天然气需要的冷量主要来源于内冷, 内冷是气体本身经膨胀等热力学过程而获得冷量。当仅靠内冷不足以将可凝组分全部冷凝时, 需要辅以外冷, 外冷则是由独立设置的制冷循环为气体冷凝提供冷量, 一般为制冷剂制冷。对于甲烷含量较低的富气, 需要冷凝的组分多, 需要补充外冷。

结语

本文对节流膨胀制冷原理及凝液回收的影响因素等做了详细的讲解后, 得出结论:在节流膨胀制冷回收凝液过程中, 只有权衡压力和温度的相互关系, 才能提高凝液的回收效率。

摘要：天然气中除含有甲烷外, 还含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷戊烷以及更重烃类。为了符合商品天然气质量指标或管输气对烃露点的质量要求, 或为了获得宝贵的液体燃料和化工原料, 需将天然气中的烃类按照一定要求分离与回收。本文首先介绍了天然气凝液回收的方法, 然后重点讲解了节流膨胀制冷工艺, 通过分析节流膨胀制冷的影响因素, 来达到天然气节流膨胀制冷工艺优化的目的。

关键词：天然气凝液,J-T效应,节流阀,节流膨胀制冷