丙烷制冷及其在天然气处理工艺中的应用_张北

的气体，然后在冷凝器中被常温介质（ 如： 空气） 冷 却，凝结成低温高压液体（ 或者气液混合） ，高压液 体经膨胀阀节流，变成低压低温的液体（ 或者气液 混合体） 进入蒸发器，蒸发器再与被冷却介质进行 换热，低压蒸气进入压缩机，如此循环制冷。蒸气压 缩制冷一般由下列四个基本设备组成：
1． 压缩机： 它的作用是将蒸发器中的制冷剂蒸 气吸入，并将其压缩到冷凝压力，然后排至冷凝器。 常用的压缩机有往复活塞式、离心式、螺杆式、涡旋 式、滚动转子式和滑片式等数种。
与活塞式及离心式制冷压缩相比，螺杆压缩机 兼有二者的特点，其优点明显： 1） 与活塞式压缩机 相比，螺杆机转速较高（ 通常在 3000 r / min 以上） ， 质量轻、体积小，占地面积小； 2） 螺杆压缩机没有往 复惯性力，动平衡性能好，故基础可以很小； 3） 结构 紧凑，易损件少，运行周期长，维修简单，利于实现操 作自动化； 4） 螺杆压缩机对进液不敏感，在相同的 压力比下，排气温度比往复活塞式压缩机低很多，单 级压力比高； 5） 与离心式压缩机相比，螺杆压缩机 具有强制输气的特点，即输气量几乎不受排气压力 的影响，在 较 宽 的 工 况 范 围 内，仍 可 保 持 较 高 的 效 率。
图 2 丙烷制冷系统的基本流程
Fig. 2 The basic flow sheet of propane refrigeration system
4 选型说明
4． 1 制冷剂 丙烷与氨、R22 （ 氟利昂 22 ） 等制冷工质，制冷
性能系数非常接近。因此，丙烷与氨、R22 一样也是 一种理想的制冷工质。在天然气处理装置中，利用 丙烷作为制冷工质具有更多的有利条件。
3 丙烷制冷
的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩后排出高压高温
所谓制冷（ 致冷） 是指利用人工方法制造低温 （ 即低于环境温度） 的技 术。通 常，从 环 境 温 度 到 120 K 的范围属于制冷，而从 120 K 以下到绝对零 度（ 0 K） 的范围属于低温，也称为低温制冷。制冷 方法主要有三种： 1） 利用气体膨胀的冷效应实现制 冷，如： J-T 和膨胀机； 2） 利用半导体的热电效应实 现制冷，如： 热分离机； 3） 利用物质相变（ 如融化、蒸 发、升华） 的吸热效应实现制冷，如： 蒸气压缩制冷。 丙烷制冷属于第三种方式制冷，即利用物质相变制 冷。目前，一般丙烷制冷能够把原料天然气冷却至
油田气： 即油田伴生气，它是伴随原油共生，是 在油藏中与原油呈相平衡接触的气体，包括游离气 （ 气层气） 和溶解在原油中的溶解气，从组成上亦认 为属于湿气。在油井开采情况中，借助气层气来保 持井压，而溶解气则伴随原油采出。 2． 2 天然气露点
1． 烃露点（ hydrocarbon point） 。在一定压力下 从天然气中开始凝结出第一滴液烃时的温度，它与 天然气的压力和组分有关。为防止天然气在输配管 线中有液烃凝结并在管道低洼处积液，影响正常输 气甚至堵塞管线，目前许多国家都对商品天然气规 定了脱烃除尘的要求，规定了一定压力条件下天然 气的最高允许烃露点。
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4． 2 压缩机 丙烷制冷压缩机目前通常选用双螺杆式压缩
机，螺杆式压缩机属容积式压缩机，是通过工作容积 的逐渐减少来达到气体压缩的目的，压缩机的吸气 量由处于吸气端的滑阀控制，当滑阀的开度大时，吸 气量就大，反之就小。滑阀的开度可以自动调节，也 可手动调节。其运行可靠，性能稳定，调节范围可以 从 10% ～ 100% 无级调节，并实行手动与自动两种 控制方式。
2． 水露点（ water dew point） 与水蒸气含量。在
地层温度和压力条件下，水在天然气中通常以饱和 水蒸气的形式存在，水蒸气的存在往往给天然气的 集输和加工带来一系列的危害，因此，规定天然气的 水蒸气含量是十分重要的。天然气的含水量指单位 体积天然气中所含水蒸气量的多少，常用天然气的 水露点来表示。水露点指在一定压力条件下，天然 气与液态水平衡时（ 此时，天然气的含水量为最大 含水量，即饱和含水量） 所对应的温度。一般要求 天然气水露点比输气管线可能达到的最低温度低 5 ～6 ℃。 2． 3 处理工艺
所谓天然气处理与加工就是指从井口到输气管 网的全部过程。一般经过采气管线、井场分离、集气 管线、净化处理、轻烃回收、输气管网等过程。丙烷 制冷的主要目的是控制天然气的烃露点，同时完成 轻烃回收。天然气处理步骤通常可以用图 1 大概表 示出来。
图 1 天然气处理步骤
Fig. 1 Processing of natural gas
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低温与特气
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列管式、翅片式、套片式、套管式等。 3． 节流机构： 制冷剂流体流过节流机构时，压
力由冷凝压力降低到蒸发压力，一部分液体转化为 蒸气。常用节流机构有液位控制阀、热力膨胀阀、毛 细管等。
4． 蒸发器： 它也是一个换热器，它的作用是使 节流阀流入的制冷剂液体蒸发成蒸气，以吸收被冷 却物体的热量。蒸发器是一个对外输出冷量的设 备，输出的冷量可以冷却液体载冷剂，也可直接冷却 空气或其他物体。常用的蒸发器有满液式、干式、套 片式等。
－ 20 ℃ ～ － 50 ℃ ，实现天然气低温分离脱烃目的。
2． 冷凝器： 它是一个换热器，它的作用是将来
其中，蒸气压缩制冷是最常用的制冷方法之一， 自压缩机的高压制冷剂蒸气冷却并冷凝成液体。在
其原理为： 工质（ 制冷剂） 在蒸发器内与被冷却对象 这一过程中，制冷剂蒸气放出热量，故需用其他物体
发生热量交换，吸收被冷却物体的热量并气化，产生 或介质（ 例如： 水、空气） 来冷却。常用的冷凝器有
摘要： 塔里木油田公司在塔里木盆地拥有多个天然气处理站，对于压力较高的气站，可采用节流膨胀制冷的工艺技
术。但是对于多数油田伴生气，气井压力并不能满足节流制冷的条件。为此，常选用丙烷制冷的天然气处理工艺
技术，集中对天然气进行脱水、脱烃处理，并取得了满意的效果。介绍了天然气处理工艺、丙烷制冷原理及其应用
1． 在相同的蒸发压力时，丙烷具有最低的沸点 温度，可使原料气达到较低的制冷温度。如： 一个大
气压下，氨的沸点为 － 33． 6 ℃ ，R22 的沸点为 － 41 ℃ ，丙烷的沸点为 － 42． 3 ℃ 。
2． 由于 R22 对环境的危害，特别是对大气臭氧 层的破坏作用，它的使用已受到限制。
3． 氨具有毒性，泄漏危害大，机房需人工值守。 4． 通常国内的轻烃回收装置可自产丙烷，获取 丙烷非常便利，节省了投资，方便了生产管理。 综上所述，作为轻烃回收装置的制冷工质，丙烷 比其它工质更为理想。
ZHANG Bei1 ，QIU Qi2
（ 1． Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China； 2． YORK （ Wuxi） Air Conditioning and Refrigeration Co． ，Ltd． ，Wuxi 214028，China）
Abstract： Tarim Oilfield Company in the Tarim Basin has a number of gas processing stations，for high pressure gas stations，can be throttling expansion refrigeration technology． However，for the majority of oil associated gas，gas pressure does not meet the conditions for throttling refrigeration． To do this，use propane refrigeration gas processing technology，focused on natural gas dehydration，hydrocarbon processing，and achieved satisfactory results． This paper introduces the gas treatment process，propane refrigeration principle and its application characteristics． Key words： Tarim oilfield； propane refrigeration； natural gas； dew point
1概述
在天然气管道输送过程中，随着压力和温度的 降低，天然气在输配管线中有液烃凝结并在管道低 洼处积液，影响正常输气甚至堵塞管线。这一方面 降低了管道输送能力，另一方面造成了外输的产品 天然气达不到国家二类气质标准。针对上述情况， 通常采用分子筛脱水及丙烷制冷，集中对天然气进 行脱水、脱烃的处理，同时，回收的轻烃也具有可观 的经济价值。
气井气： 即纯气田天然气，气藏中的天然气以气 相存在，通过气井开采出来，其中甲烷含量高。
凝析井气： 即凝析气田天然气，气藏中天然气以
收稿日期： 2013-06-05
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气体状态存在，是具有高含量可回收烃液的气田气， 其凝析液主要为凝析油，其次可能还有部分被凝析 的水，这类气田的井口流出物除含有甲烷、乙烷外， 还含有一定量的丙烷、丁烷及 C5 以上的烃类。
丙烷制冷系统的基本流程见图 2，工作过程如 下： 在制冷循环中，来自蒸发器的低温低压丙烷气体
进入喷油螺杆压缩机，经压缩机加压后，丙烷气体对 应的凝点也会提高约 50 ℃ ，首先，高温高压的丙烷 进入油分离器，在丙烷气体流进空气冷却器（ 简称 空冷器） 之前将携带的润滑油分离出来，随后在空 冷器中，风机引入的空气吸收丙烷气体的热量，使之 冷凝成高压饱和制冷剂液体，自流进入运行储罐，为 应对制冷负荷波动，运行储罐通常保持三分之一的 液位。从储罐出来的饱和丙烷分两路进入经济器， 一路经节流装置，进入经济器管程，与壳程丙烷进行 热交换，这 样，管 程 丙 烷 气 化 后 回 压 缩 机 中 间 补 气 口，壳程丙烷被过冷，经供液阀减压降温进入蒸发器 的壳程，与管程的天然气进行热交换，气化后的低温 低压丙烷再流回压缩机吸气口参与下一个制冷循环。
在我国，丙烷制冷工艺应用于天然气处理及轻 烃回收还不到 20 年时间，但该项技术的推广迅速。 近年来，我国新建的天然气处理站的外冷基本都采 用丙烷制冷工艺，一些原设计为氨制冷工艺的老装
置也在改造成丙烷制冷工艺。分析丙烷制冷的热力 学特性，研究其应用特点，为改进丙烷制冷的流程、 合理选型提供指导，对更好地推广应用该项技术具 有重要意义。
第 31 卷第 4 期 2013 年 8 月
低温与特气 Low Temperature and Specialty Gases
Vol. 31，No. 4 Aug.，2013
丙烷制冷及其在天然气处理工艺中的应用
张 北1 ，邱 琦2
（ 1． 中国石油 塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000； 2． 约克（ 无锡） 空调冷冻设备有限公司，浙江 无锡 214028）
2 天然wk.baidu.com处理工艺
2． 1 天然气来源与分类 按矿藏特点的不同可将天然气分为气井气（ gas
well gas） 、凝析井气 （ condensate gas） 和油田气 （ oil field gas ） 。 前 两 者 合 称 非 伴 生 气 （ unassociated gas） ，后者也称为油田伴生气（ associated gas） 。
的特点。
关键词： 塔里木油田； 丙烷制冷； 天然气； 露点
中图分类号： TE89
文献标志码： B
文章编号： 1007-7804（ 2013） 04-0016-04
doi： 10. 3969 / j. issn. 1007-7804. 2013. 04. 005
Propane Refrigeration And Its Application in The Gas Treatment Process