天然气丙烷制冷脱水脱烃工艺模拟分析

第31期2021年11月No.31November ，2021
天然气丙烷制冷脱水脱烃工艺模拟分析
王传磊，李
凯，杨勃，高
勋
（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）
摘要：文章基于天然气气田实际生产数据，采用HYSYS 软件建立丙烷制冷脱水工艺模型，通过改变预
冷温度、冷凝温度、蒸发后压力、处理量等参数，分析了上述参数变化对丙烷用量和压缩机功耗的影响，得到最优的冷凝温度和节流蒸发器温度设定值，为气田天然气丙烷制冷脱水脱烃工艺的设备选择和参数优化提供了依据。

关键词：丙烷制冷；脱水脱烃；影响因素；冷凝温度；优化中图分类号：TE868文献标志码：A
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作者简介：王传磊（1989—），男，山东临沂人，工程师，硕士；研究方向：油气田工艺配管。

引言
天然气是当前国内外应用最广泛的清洁能源之一，液化天然气（LNG ）具有便于运输、便于存储等优
点，已成为我国发展的重点［1］。

天然气液化前的脱水脱烃工艺作为天然气输送和LNG 加工的重要步骤，其工艺的优化及选择对提高脱水脱烃效果、降低功耗具有重要意义。

文中以华北某气田天然气数据为例，采用HYSYS 模拟分析丙烷脱水脱烃工艺的影响因素，得出不同季节环境下的丙烷预冷参数设置的最优参考值，为天然气丙烷预冷脱水脱烃工艺的设备选择和参数优化奠定基础。

1丙烷制冷脱水脱烃工艺简介
天然气采出后经过简单的降压脱水后输送到集气站，通常采用节流降温脱水的方式进行第一次脱水脱烃［2］，但气田生产后期压力降低，节流降温脱水工艺已不能满足要求，为了维持生产，通常采用技术成熟的丙烷压缩循环制冷工艺，通过热交换方式使天然气产生足够的温度降，达到脱水脱烃的温度条件［3］，原理如图1所示。

该制冷方法操作灵活，可同时满足水露点、烃露点的要求，脱水深度易控制，比较简单、易行，适用于大气量天然气的脱水脱烃，缺点是运行费用较高，因此需合理选择制冷参数来有效降低运行费用。

2丙烷制冷脱水脱烃工艺模拟分析
天然气在井站进行简单节流脱水后以
半湿气状态输送到集输站，进行集中丙烷制冷脱水脱烃。

以榆林气田丙烷制冷脱水脱烃工艺为例，采用
HYSYS 建立典型的丙烷制冷脱水脱烃工艺模型，如图2所示。

基于华北某气田生产数据，气田一期产量约为960万方/天，天然气含水量0.01moL/moL ，确保外输天然气脱水脱烃后4.2MPa 露点要求为-18℃，基本参数设置如表1所示。

针对气田不同生产阶段，环境温度、气田产量不同等情况，采用HYSYS 模型模拟分析不同工艺参数下的丙烷用量、功耗数据。

通过改变预冷温度、冷凝温度、蒸发后压力、处理量等参数，分析上述不同参数变化对制冷剂用量和压缩机功耗的影响。

2.1预冷温度的影响
不同生产阶段气井进站温度不同，会导致预冷出
图1丙烷制冷脱水脱烃工艺原理
口的天然气温度差异，改变预冷出口天然气温度，保
持压缩机进出口温度相同，模拟相应条件丙烷制冷剂的流量，分析预冷出口温度对丙烷制冷工艺的影响，分析结果如图3所示。

可以看出，预冷温度越低，制冷剂用量越少，压缩机功耗也随之降低，因此提高天然气处理的预冷效
果，有利于减少丙烷用量、降低压缩机功率。

2.2冷凝温度的影响
冷凝温度即空冷器出口的丙烷温度，不同的环境温度和风速等都会导致空冷器出口温度的不同，冷凝温度是制冷循环中关键的参数。

对于丙烷制冷系统，其他设计参数可变化和浮动范围很小，冷凝温度的变化直接关系到丙烷制冷工艺的制冷效率、可靠性和功耗水平［4］。

冷凝器出来的饱和液都有一定的过冷度，可以保证制冷剂在进入节流阀前被充分液化，这一点非常重要，因为即使液体制冷剂中少量气泡也可明显降低节流阀的流量，从而影响降温效率。

通过控制冷凝温度，并相应调节制冷剂的流量，在压缩机参数相近的情况下分析冷凝温度对丙烷制冷脱水脱烃效果的影响，分析结果如图4所示。

由图可知，压缩机功耗随丙烷气冷凝温度的降低而降低，丙烷流量随丙烷气冷凝温度的降低而降低，因此，降低冷凝温度有助于节能降耗，提高丙烷制冷工艺的效果，减少制冷剂用量。

模拟结果可知，当丙烷气冷凝温达到30℃
以上
图2天然气丙烷制冷脱水脱烃工艺模型
表1基本工艺流程基本参数设置
天然气
流程丙烷制冷剂
流程
处理量/（m 3·h -1）400000
流量/（m 3·h -1）
50000进站压力/MPa
3.4出口压力/MPa
1.3
进站温度/℃
10入口压力/MPa
0.25
预冷温度/℃
-2冷凝温度/℃
25
冷气温度/℃
-20蒸发后压力/MPa
0.25
露点要求/℃
-18.33
图3预冷温度对丙烷制冷参数的影响趋势
时，丙烷在经空冷器冷却后不会液化，这会严重影响
制冷剂节流降温的效果。

因此，在丙烷压缩后出口压力1.3MPa 下，丙烷的冷凝温度需保持30℃以下，确保冷凝后丙烷液化。

2.3蒸发后压力的影响
液态丙烷制冷剂流经节流阀是近似绝热过程，节流前后的丙烷制冷剂的焓值几乎不变［5］。

液态丙烷通过节流蒸发后产生更低的丙烷冷气温度，蒸发后压力值的设定对丙烷制冷工艺的制冷效果有直接影响。

丙烷通过节流阀，节流降压后产生蒸发降温，低的蒸发后压力对应着低的蒸发后温度。

设置丙烷用量5×104m 3/h 固定，通过调节不同的蒸发后压力，分析不同蒸发后压力下丙烷制冷参数情况，分析结果如图5所示。

由图5可知，在相同丙烷用量下，丙烷蒸发后压力越高，压缩机功耗越低。

在丙烷冷凝温度一定时，从节流阀出口的制冷剂循环量是一定的，蒸发后压力越高，制冷剂在蒸发器中汽化后进入压缩机的进气压力就越高，丙烷压缩机前后的压缩比减小，压缩机可
具有较低的功耗。

同样，蒸发后压力降低能够相应降低蒸发温度，但降低蒸发温度并不一定能提高系统的制冷能力。

蒸发后压力决定制冷剂流量的大小，当蒸发压降越大时，获得的温度越低，理应增加制冷能力，但实际上，随着蒸发温度的继续降低，制冷能力反而也降低，主要原因是制冷剂本身在蒸发时有一部分因节流效应而闪发成气态，造成液态丙烷循环量减少，因此蒸发后温度并不是主导制冷能力的唯一因素。

对于以热交换为制冷方式的丙烷制冷工艺而言，要同时保证被冷却介质的低温要求和制冷剂的制冷能力的要求，就必须增大制冷剂流量，但这将使压缩机的功率增加，经济性变差。

因此，在生产中需确定合理的蒸发温度设定值，既避免蒸发温度不必要的过低，也可减少制冷剂流量，产生积极的节能效果。

2.4天然气处理量的影响
随着气田逐渐开发，气田产能也将不断加大，不同天然气处理量对于丙烷制冷工艺参数产生影响，分析结果如图6所示。

针对气田不同生产阶段的气田产能，天然气处理
量越大，压缩机功耗和制冷剂用量随之增加，因此，在实际生产中需根据气田不同生产阶段来增减压缩机数量及制冷剂用量。

3丙烷制冷脱水脱烃工艺参数优选
通过上述分析可知，在丙烷制冷工艺中，两个最重要的参数为冷凝温度和蒸发后温度，它们代表着丙烷的制冷效果，因此首先应确定最优的温度参数。

3.1冷凝温度
在夏季冷却循环水可保持温度30℃左右，考虑到传热温差、节能因素和设计习惯，夏季一般取冷凝温度为30℃。

而在春秋两季，循环水温度平均能保持20℃，因此可取冷凝温度为25℃；在冬季，
循环水
图4
冷凝温度对丙烷制冷参数的影响趋势
图5
蒸发后压力对丙烷制冷参数的影响趋势
图6处理量对丙烷制冷参数的影响趋势
Simulation analysis of natural gas propane refrigeration dehydration
and hydrocarbon removal process
Wang Chuanlei,Li Kai,Yang Bo,Gao Xun
（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China ）
Abstract:Based on the actual production data of natural gas field,a propane refrigeration dehydration process model is established by using HYSYS software.By changing the temperature after precooling,condensation temperature,pressure after throttling,inlet flow and other parameters,the influence of the above parameters on propane consumption and compressor energy consumption is analyzed.The optimal setting value of condensation temperature and evaporator temperature after throttling are obtained.It provides a basis for equipment selection and parameter optimization of natural gas field propane refrigeration dehydration and hydrocarbon removal process.
Key words:propane refrigeration;dehydration and hydrocarbon removal;influencing factors;condensation temperature;optimization
温度可以降到5℃以下，可取冷凝温度为15℃左右。

若采用空气为冷却介质，冬季空气的温度可以降到-10℃，因此冬季通过空冷可进一步降低冷凝温度。

根据上述分析，冷凝温度是不能一味降低的，冬季的最佳冷凝温度为10℃。

3.2节流蒸发器温度
节流蒸发器温度受蒸发后压力的影响，同一冷凝温度下，蒸发温度越低，制冷量显著减小。

主要是因为蒸发温度降低增大了节流阀的压差，蒸发后的制冷剂流量显著减少。

同时，蒸发器温度直接反映了压缩机的吸气压力，蒸发温度越低，压缩机入口压力越低，压缩机的压缩比就越大，压缩机的功耗就越大。

一般浅冷需要的制冷温度在-23~-70℃，丙烷制冷剂的最低制冷温度为-44℃，从装置运行的经济性角度考虑，蒸发器温度也不宜一味降低，蒸发温度降到一定值后，C3以上组分基本全部液化，造成轻烃的损失。

在以脱水和重烃为主要目标的集输站，蒸发温度的最优操作温度为-30℃。

3.3冷却方式
根据分析结果，按照104m 3/h 天然气处理量考虑，对不同季节脱水脱烃工艺参数进行模拟，在保持节流后蒸发器温度不变的情况下，得到丙烷循环量和压缩机功耗。

由于环境温度的不同，各季节压缩机功耗和制冷剂循环量相差较大，夏季由于天然气进站温度高、空冷器冷凝效果差，压缩机功耗和制冷剂用量高于其他季节。

因此，丙烷制冷脱水脱烃工艺优化运行的关键
在于选择合适的冷却方式来提高空冷器的制冷效果，
建议春秋和夏季采用水冷、冬季采用空冷的方式来降低冷凝温度。

4结论及建议
基于天然气脱水脱烃工艺特点，采用HYSYS 建立丙烷制冷工艺模型，在满足集输站外输-18℃露点要求的前提下，分析了预冷温度、冷凝温度、蒸发后压力、天然气处理量等参数的影响。

基于分析结果，得到丙烷制冷脱水脱烃工艺中两个最重要的参数为冷凝温度和节流蒸发器温度，并给出了优选值。

综合考虑，丙烷制冷脱水工艺优化运行的关键在于提高空冷器的制冷效果，结合季节温度特点，建议春秋和夏季采用水冷、冬季采用空冷的方式来降低冷凝温度，能够充分减少能源消耗。

参考文献
［1］孙国华，徐孝轩.LNG 接收站项目规划研究浅议［J ］.油气田地面工程，2010（10）：47-49.［2］刘争芬，赵宝利.大牛地气田两级增压阶段集气站工艺优化研究［J ］.油气田地面工程，2018（5）：44-47.［3］李光，胡艳花，李长河，等.天然气处理中丙烷制冷工艺的探讨［J ］.内蒙古石油化工，2008（8）：64-65.［4］王勇.丙烷制冷系统优化运行及节能改造研究［D ］.大庆：大庆石油学院，2010.［5］张北，邱琦.丙烷制冷及其在天然气处理工艺中的应用［J ］.低温与特气，2013（4）：16-19.
（编辑王雪芬）。